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第二章 MOS 器件与工艺基础
VLSIC 的主流制造技术是 MOS 技术,因此,相关 MOS 器件基础知识就成
为大规模、超大规模集成电路设计者必须掌握的基础知识。在本章中将介绍有关
MOS 器件的结构、工作原理、设计考虑以及有关基本理论。
2.1 MOS 晶体管基础
2.1.1 MOS 晶体管结构及基本工作原理
MOSFET 是 Metal-Oxide-Silicon Field Effect Transistor 的英文缩写,平面型
器件结构,按照导电沟道的不同可以分为 NMOS 和 PMOS 器件。典型的硅栅
NMOS 和 PMOS 器件的平面和剖面结构如图 2.1 (a )和(b )所示。
图2.1 NMOS 和 PMOS 的平面与剖面结构示意图
由图可见,NMOS 和 PMOS 在结构上完全相象,所不同的是衬底和源漏的
掺杂的类型不同。简单的说,NMOS 是在 P 型硅的衬底上,通过选择掺杂形成 N
型的掺杂区,作为 NMOS 的源漏区;PMOS 是在 N 型硅的衬底上,通过选择掺
杂形成 P 型的掺杂区,作为 PMOS 的源漏区。如图所示,两块源漏掺杂区之间
的距离称为沟道长度L ,而垂直于沟道长度的有效源漏区尺寸称为沟道宽度W 。
对于这种简单的结构,器件源漏是完全对称的,只有在应用中根据源漏电流的流
向才能最后确认具体的源和漏。器件的栅是具有一定电阻率的多晶硅材料,这也
是硅栅 MOS 器件的命名根据。在多晶硅栅与衬底之间是一层很薄的优质二氧化
硅,处于两个导电材料之间的这一层二氧化硅是用于绝缘这两个导电层,它是绝
缘介质。从结构上看,多晶硅栅-二氧化硅介质-掺杂硅衬底形成了一个典型的平
板电容器,通过对栅电极施加一定极性的电荷,就必然地在硅衬底上感应等量的
异种电荷。这样的平板电容器的电荷作用方式正是 MOS 器件工作的基础。
图2.2~ 图2.4 说明了 NMOS 器件工作的基本原理。当在 NMOS 的栅上施加
相对于源的正电压 VGS 时,栅上的正电荷在 P 型衬底上感应出等量的负电荷,随
着 VGS 的增加,衬底中接近硅-二氧化硅界面的表面处的负电荷也越多。其变化
过程如下:当 VGS 比较小时,栅上的正电荷还不能使硅-二氧化硅界面处积累可
运动的电子电荷,这是因为衬底是 P 型的半导体材料,其中的多数载流子是正电
荷空穴,栅上的正电荷首先是驱赶表面的空穴,使表面正电荷耗尽,形成带负电
的耗尽层。这时,虽然有 VDS 的存在,但因为没有可运动的电子,所以,并没有
明显的源漏电流出现。增加 VGS ,耗尽层向衬底下部延伸,并有少量的电子被吸
引到表面,形成可运动的电子电荷,随着VGS 的增加,表面积累的可运动电子数
量越来越多。这时的衬底负电荷由两部分组成:表面的电子电荷与耗尽层中的固
定负电荷,如果不考虑二氧化硅层中的电荷影响,这两部分负电荷的数量之和等
于栅上的正电荷的数量。当电子积累达到一定的水平时,表面处的半导体中的多
数载流子变成了电子,即相对于原来的 P 型半导体,具有了 N 型半导体的导电
性质,这种情况称为表面反型。根据晶体管理论,当 NMOS 晶体管表面达到强
反型时所对应的 VGS 值,称为 NMOS 晶体管的阈值电压 VTN 。这时,器件的结
构发生了变化,自左向右,从原先的 N-P-N 结构,变成了 N-N-N 结构,表面反
型的区域被称为沟道区。在 VDS 的作用下,N 型源区的电子经过沟道区到达漏区,
形成由漏流向源的源漏电流。显然,VGS 的数值越大,表面处的电子密度越大,
相对的沟道电阻越小,在同样的 VDS 的作用下,源漏电流越大。当VDS 的值很小
时,沟道区近似为一个线性电阻,此时的器件工作区称为线性区,其电流- 电压
特性如图 2.3 所示。
图2.2 NMOS 处于导通时的状态 图2.3 线性区的I-V 特性
当 VGS 大于 VTN 且一定时,随着 VDS 的增加,NMOS 的沟道区的形状将逐
渐的发生变化。在 VDS 较小时,沟道区基本上是一个平行于表面的矩形,当VDS
增大后,都相对于源端的电压 VGS 和 VDS 在漏端的差值逐渐减小,并且因此导致
漏端的沟道区变薄,当达到 VDS=VGS-VTN 时,在漏端形成了 VDS-VGS=VT
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