MOS器件物理基礎(chǔ)——基本概念

PART01

MOSFET 開(kāi)關(guān)

在研究MOSFET的實(shí)際工作原理前我們來(lái)考慮這種器件的一個(gè)簡(jiǎn)化模型,以便對(duì)晶體管有一個(gè)感性認(rèn)識(shí):我們預(yù)期它有什么樣的特性以及特性的哪些方面是重要的。

圖1是一個(gè)n型MOSFET的符號(hào)，圖中表示了三個(gè)端口:柵(G)、源(S)和漏(D)。這種器件是對(duì)稱的,因而源和漏可以互換。作為開(kāi)關(guān)工作時(shí),如果柵電壓VG是高電平,晶體管把源和漏連接在一起;如果柵電壓為低電平,則源和漏是斷開(kāi)的。

即使對(duì)于這樣簡(jiǎn)單的描述,我們還是必須回答幾個(gè)問(wèn)題。VG取多大值時(shí)器件導(dǎo)通?換句話說(shuō),閥值電壓是多少?當(dāng)器件導(dǎo)通(或斷開(kāi))時(shí),源和漏之間的電阻有多大?這個(gè)電阻與端電壓的關(guān)系是怎樣的?總是可以用簡(jiǎn)單的線性電阻來(lái)模擬源和漏之間的通道嗎?是什么因素限制了器件的速度?

雖然所有這些問(wèn)題都是在電路級(jí)產(chǎn)生的,但是僅通過(guò)分析晶體管的結(jié)構(gòu)和物理特性就可以對(duì)其作出回答。

圖1

PART02

MOSFET的結(jié)構(gòu)

n型MOS(NMOS)器件的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖2所示。器件制作在p型襯底上(襯底也稱作bulk或者body)，兩個(gè)重?fù)诫sn區(qū)形成源端和漏端，重?fù)诫s的(導(dǎo)電的)多晶硅區(qū)(通常簡(jiǎn)稱poly)作為柵，一層薄SiO2使柵與襯底隔離。器件的有效作用就發(fā)生在柵氧下的襯底區(qū)。注意，這種結(jié)構(gòu)中的源和漏是對(duì)稱的。

圖2

源漏方向的柵的尺寸叫柵長(zhǎng)L,與之垂直方向的柵的尺寸叫做柵寬W。由于在制造過(guò)程中,源/漏結(jié)的橫向擴(kuò)散,源漏之間實(shí)際的距離略小于L。為了避免混淆,我們定義Leff=Ldrawn-2L eff,式中Leff稱為有效溝道長(zhǎng)度,Ldrawn是溝道總長(zhǎng)度,而LD是橫向擴(kuò)散的長(zhǎng)度。正如在以后我們將會(huì)看到的那樣,Leff和氧化層厚度tox對(duì)MOS 電路的性能起著非常重要的作用。因此,MOS 技術(shù)發(fā)展中的主要推動(dòng)力就是不使器件的其它參數(shù)退化而一代一代地減小這兩個(gè)尺寸。后續(xù)文章這兩個(gè)尺寸的典型值為

。后續(xù)文章以后將用 L 來(lái)表示有效長(zhǎng)度。

既然MOS結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的那么為什么還要將一個(gè)n區(qū)稱為源而另一個(gè)n區(qū)稱為漏呢?如果將源定義為提供載流子(NMOS器件中為電子)的終端而漏定義為收集載流子的終端這一點(diǎn)就很清楚了.因此，當(dāng)器件三個(gè)端子的電壓變化時(shí),源和漏的作用可以互換。在本章后面的習(xí)題中給出了這些概念的練習(xí)。

到目前為止,我們還沒(méi)有考慮器件的襯底。實(shí)際上,襯底的電位對(duì)器件特性有很大的影響。也就是說(shuō),MOSFET 是一個(gè)四端器件。由于在典型的 MOS 工作中，源/漏結(jié)二極管都必須反偏,所以我們認(rèn)為 NMOS 晶體管的襯底被連接到系統(tǒng)的最低電壓上。例如,如果一個(gè)電路在03V工作,則 Vsub.NMOS =0。實(shí)際的連接如圖3 所示通常通過(guò)一個(gè)p+歐姆區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖3

在互補(bǔ)MOS(CMOS)技術(shù)中同時(shí)用到NMOS和PMOS。從簡(jiǎn)單的角度來(lái)看，PMOS器件可通過(guò)將所有摻雜類型取反(包括村底)來(lái)實(shí)現(xiàn),如圖4(a)所示。但實(shí)際生產(chǎn)中NMOS和PMOS器件必須做在同一晶片上,也就是說(shuō)做在相同的村底上。由于這一原因，其中某一種類型的器件要做在一個(gè)“局部襯底”上,通常稱為“阱”。現(xiàn)在大多數(shù) CMOS工藝中PMOS器件做在n阱中(圖4b))。注意n阱必須接一定的電位,以便 PMOS管的源/漏結(jié)二極管在任何情況下都保持反偏。在大多數(shù)電路中,n阱與最正的電源供給相連接。為了簡(jiǎn)化,有時(shí)分別稱NMOS和PMOS器件為“NFETs”和“PFETs”。

圖4(b)指出了NMOS和PMOS 晶體管一個(gè)有意義的區(qū)別每個(gè)PFETs可以處于各自獨(dú)立的n阱中而所有 NFETs則共享同一襯底。PFETs的這種靈活性在一些模擬電路中被應(yīng)用。

圖4

PART03

MOS符號(hào)

用來(lái)表示NMOS和PMOS 晶體管的電路符號(hào)如圖5所示。圖5(a)中的符號(hào)包括晶體管的所有四個(gè)端子,其中襯底用 B(bulk)而不是用S來(lái)表示，以免與源極相混淆。PMOS 器件的源極放在頂端,這是為了直觀起見(jiàn),因?yàn)樵礃O比柵極的電壓高。由于在大多數(shù)電路中，NMOS和PMOS器件的村底端子分別接地和 VDD ,所以我們畫圖時(shí)通常省略這一連接圖5(b)在數(shù)字電路中慣上用圖 5(C)所示的開(kāi)關(guān)符號(hào)來(lái)表示兩種 MOS管。但是我們更喜歡圖5(b)的表示,因?yàn)槊鞔_區(qū)分源和漏對(duì)于理解電路的工作被證明是很有幫助的。

圖5