微电子第二章 集成器件物理基础 .ppt

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1、2.6MOS场效应晶体管2.6.1MOS晶体管结构2.6.2MOS晶体管工作原理2.6.3MOS晶体管直流伏安特性定性测量结果2.6.4MOS晶体管的阈值电压2.6.5MOS晶体管特点2.6.7硅栅MOS结构和自对准技术2.6.8高电子迁移率晶体管2.6.0引言MOS贴晶体管和MOS工艺具有独特的优点。促进MOS晶体管发展主要有以下四大技术(a)半导体表面的稳定化技术；(b)各种栅绝缘膜的实用化；(c)自对准结构MOS工艺；(d)阈值电压的控制技术。另外，MOS在一些特种器件，如CCD(电荷耦合器件)、BDD(斗链器件)和其他的敏感器件方面应用也非常广泛。本节重点

2、介绍MOS晶体管的工作原理和在电路应用中的MOS晶体管模型2.6.1MOS晶体管结构1．MOS晶体管结构示意图图2.52(a)显示的是N沟MOS增强型晶体管的典型结构。P沟晶体管结构与其类似，只需要将图中P和N导电类型分别改为N和P，同时改变电源极性。MOS晶体管有四个电极，分别称为s(源：source)、d(漏：drain)、g(栅：grid)和b(衬底：subtrute)。MOSFET结构MOSFET:MOSfield-effecttransistor也叫：绝缘栅场效应晶体管（InsulatedGate,IGFET）金属-绝缘体-半导体场效应晶体管(MISFE

3、T)电压控制电流—>场效应晶体管MOS器件的表征：沟道长度沟道宽度wLMOSFET工作原理（NMOS为例）半导体表面场效应1.P型半导体图1P型半导体2、表面电荷减少(施加正电压)3、形成耗尽层（继续增大正电压）4、形成反型层（电压超过一定值Vt）NMOS晶体管工作原理表面场效应形成反型层（MOS电容结构）NMOS工作原理VdsVgs-Vt2.6.1MOS晶体管结构2．MOS结构虽然MOS晶体管与JFET都是电压控制器件，即通过栅源电压控制导电沟道来控制漏源之间的电流。但是MOS晶体管是采用电场控制感应电荷的方式控制导电沟

4、道。为了形成成电场，在沟道区的L面覆盖了一层很薄的二氧化硅层，称为栅氧化层。栅氧化层上方程盖的一层金属铝，形成栅电极。这样从上往下，构成一种金属(Metal)—氧化物(Oxide)—半导体(Semiconductor)结构，故称为MOS结构，这一结构是MOS晶体管的核心。目前栅电极大多采用多晶硅。2.6.2MOS晶体管工作原理图2.53是增强型NMOS晶体管的直流伏安特性曲线，表示的是漏源电流和漏源电压之间的关系，以控制电压为参变量。该曲线与图2.47所示的JFET特性曲线非常类似，也分为截止区、线性区、过渡区(统称为非饱和区)以及饱和区。2.6.2MOS晶体管工

5、作原理1．小于等于0情况：截止区若栅极和源极间外加电压小于等于0，NMOS结构图如图2.54(a)所示(图中显示的是的情况)。这时，N型掺杂浓度均很高的源区和漏区之间是掺有P型杂质的衬底，形成了两个背靠背的PN结。如果在源极和漏极间外加一电压(漏极接电源正端，源极接电源负端)，由于源区和漏区之间存在反偏的PN结，源漏间阻抗很大，只有很小的PN结泄漏电流，因此漏极和源极之间的电流近似为零。对应图2.53特性曲线上的截止区。2.6.2MOS晶体管工作原理2．沟道的形成和阈值电压：线性区(1)导电沟道的形成如果在栅极加一个小的正向电压，使，则栅极上的正电荷在栅氧化层中产

6、生一垂直电场。在此电场的作用下，栅氧化层下面的P型衬底表面将感生负电荷。即带负电的电子被吸引到半导体表面，而带正电的空穴被排斥离开表面。由此可见，在与栅极垂直的电场作用下，对栅极下面衬底表面的电荷进行了调制，使表面处空穴密度远低于衬底内部的空穴密度，从而导致表面处形成载流子耗尽区。随着的增加，垂直电场增强。栅氧化层下方的P型衬底表面的空穴进一步被排斥，更多的电子被吸引到表面，可能造成表面处电子密度大于空穴密度的情况，使栅氧化层下面的衬底表面出现反型层．即从原来的P型转变为N型。它是栅极外加垂直电场感生作用的结果。由于反型层是以电子为载流子的N型薄层，就在型源区和型

7、漏区间形成了通道，称为沟道，如图2.54(b)所。2.6.2MOS晶体管工作原理2.6.2MOS晶体管工作原理（2）阈值电压开始形成沟道时在栅极上所加的电压成为MOS晶体管的阈值电压，记为。它是MOS晶体管的一个重要参数。这种必须在栅极上加有电压才能形成沟道的MOS晶体管，称为增强型MOS晶体管。如果采用一定的工艺措施，使MOS晶体管栅氧化层下面的衬底表面再栅压时就已经形成沟道，称为耗尽型MOS晶体管，耗尽型MOS晶体管必须在栅极加有一定的负电压才能使沟道截止。耗尽型MOS晶体管沟道阈值电压是使沟道截止时的栅源电压。（3）特性曲线的线性区由于沟道相当于一个电阻，这

8、时若同时在