MOS晶体管结构和工作原理演示幻灯片.ppt

1 MOS 晶体管结构和工作 原理 Liyy 2003-10-27 2 MOS 晶体管结构和工作原理 ? MOS 晶体管结构 ? 结构图 ? 平面图 ? MOS 晶体管种类 ? MOS 晶体管符号 ? MOS 晶体管工作原理 ? MOSFET 特性 ? MOS IV CURVE ? MOS 衬底偏置效应 ? MOS 热载流子效应 3 ? MOS 晶体管结构 ? 结构图 Vg Vs Vd FOX N+ N+ L W 栅（ G ） 源（ S ） 漏（ D ） Vb P 衬底（ B ） FOX 4 ? MOS 晶体管结构 ? 平面图 TO POLY W1 5 ? MOS 晶体管结构 ? 在正常工作条件下，栅电压 Vg 产生的电场控制着源漏间沟道区内载流 子的运动。由于器件的电流由器件内部的电场控制 ----------- MOS 场效应晶体管（ MOSFET ） ? 栅极与其它电极之间是绝缘的 ----------- 绝缘栅场效应晶体管 （ IGFET ） 6 ? MOS 晶体管结构 ? MOS 晶体管种类 ? 按沟道区中载流子类型分 N 沟 MOS 晶体管：衬底为 P 型，源漏为重掺杂的 N+ ，沟道中 载流子为电子 P 沟 MOS 晶体管：衬底为 N 型，源漏为重掺杂的 P+ ，沟道中 载流子为空穴 在正常情况下，只有一种类型的载流子在工作，因此也称其为单 极晶体管 7 ? MOS 晶体管结构 ? MOS 晶体管种类 ? 按工作模式分 增强型晶体管：若在零栅压下不存在漏源导电沟道，为了形 成导电沟道，需要施加一定的栅压，也就是 说沟道要通过“增强”才能导通 耗尽型晶体管：器件本身在漏源之间就存在导电沟道，即使 在零栅压下器件也是导通的。若要使器件截 止，就必须施加栅压使沟道耗尽 8 ? MOS 晶体管结构 ? MOS 晶体管符号 ? NMOS ： ? PMOS ： G D B S G D B G D S G D S G D S G D B S G D B G D S 9 ? MOS 晶体管特性 ? MOS 晶体管特性 N 沟 MOS 截面图 Vs Vd Vg Xsd N+ N+ Xdd 耗尽区边界 Qg Qb Qi P Substrate (Nb) Vb L 10 ? MOS 晶体管特性 ? MOS 晶体管特性 假定漏端电压 Vds 为正，当栅上施加一个小于开启电压的正栅压时，栅 氧下面的 P 型表面区的空穴被耗尽，在硅表面形成一层负电荷，这些电荷被称 为耗尽层电荷 Qb 。这时的漏源电流为泄漏电流。 如果 Vgs>Vth ，在 P 型硅表面形成可移动的负电荷 Qi 层，即导电沟道。 由于表面为 N 型的导电沟道与 P 型衬底的导电类型相反，因此该表面导电沟道 被称为反型层。 11 ? MOS 晶体管特性 ? MOS 晶体管特性 在 Vgs=Vth 时，表面的少数载流子浓度（电子）等于体内的多数载 流子（空穴）的浓度。 栅压越高，表面少数载流子的电荷密度 Qi 越高。（可动电荷 Qi 也 可称为反型电荷）此时，如果漏源之间存在电势差，由于载流子 （ NMOS 中为电子）的扩散，会形成电流 Ids 。这时 PN 结的泄漏电流仍 然存在，但它与沟道电流相比非常小，一般可以忽略。 由于反型电荷 Qi 强烈地依赖与栅压，因此可以利用栅压控制沟道电 流。 12 ? MOS 晶体管特性 ? MOS IV CURVE 线性区 饱和区 击穿区 截止区 漏电压 漏电流 （ a ） （ b ） 13 ? MOS 晶体管特性 ? MOS IV CURVE ? 线性区 对于固定的 Vgs(>Vth) ，当漏压很小时，漏电流 Ids 随漏压的增加 而线性增加。但随着漏压的增加，漏电流的增加速度不断减小直到 Ids 达 到某一恒定的饱和值。 在这个工作区， MOS 表现出类似于电阻的特性，并且随着栅压的变 化而变化，即沟道电阻随着栅压的增加而减小。 这个区域也叫可调电阻区。 14 ? MOS 晶体管特性 ? MOS IV CURVE ? 饱和区 S D G P Vgs Vds<Vgs-Vth S D G P Vgs Vds=Vgs-Vth S D G P Vgs Vds>Vgs-Vth 15 ? MOS 晶体管特性 ? MOS IV CURVE ? 饱和区 在漏源之间接上电压 Vds ，则沟道区的电位 从靠近源端的 零电位逐渐升高到靠近漏断的 Vds 。而栅极的电位是恒定的， 所以在沟道从源极到漏极不同位置上，栅极与沟道之间的电位 差是不等的，因而沟道不同位置上的表面电场也是不等的。那 么沟道中积累的可动载流子也随着电位差从源到漏由多到少， 沟道也由厚到薄，沟道的导电能力随之下降，漏源输出电流随 Vds 上升的速度