MOS場效應晶體管的結構特性及工作原理

MOS集成電路,基本都是由一個個MOS晶體管組成的,因此MOS晶體管是MOS集成電路的基礎。在討論MOS電路之前,必須對MOS晶體管的原理、基本特性和各種參數有個深入的了解。

本章主要敘述MOS場效應晶體管的物理基礎、基本特性及其主要參數。

一、MOS場效應晶體管的結構特性及工作原理

1、N溝道MOS晶體管

圖1-1表示一個N溝道MOS場效應晶體管的結構模型。它是在P型Si片上擴散兩個N+區,一個為源擴散區,另一個漏擴散區。兩個N+擴散區之間稱為溝道區,在溝道區上面用熱氧化生長一層薄氧化層,作為絕緣。然后在源擴散區、漏擴散區和絕緣概上蒸發一層金屬鋁,作為引出電極,分別為源極(用S表示)、漏極(用D表示)和控制柵極(用G表示)。整個制作過程,都是采用硅平面工。

圖1-1N泡MOS晶體管結構圖

從圖中可以看到,從金屬柵開始向下為二氧化硅絕緣層,再下面為半導體硅,這樣由金屬一二氧化硅一硅三層組成了MOS系統。如果在金屬柵上不加柵源電壓,源之間被兩個“背靠背”的二極管隔離,即使在源漏之間加了電壓VDG,也不會有電流通過,而只有極微小的PN結泄漏電流。但當在柵極上加了足夠大的正向柵源電壓VDG以后,會在柵極下畫產生一個指向硅表面的電場。當這個柵源電壓大于MOS管的值電壓VT時,P型硅體內的電子在電場的作用下,被吸引到表面,形成與體內導電類型相反的N型層,稱為N溝道,它把源、漏兩個擴散區連接起來。當在源漏之間施加一個電壓VDG,電流就從漏區經過溝道流向源區,如圖1-2所示。當柵源電壓a繼續增高;被吸到反型層中的電子也就增多(即導電溝道增厚,電阻減小),漏源電流就隨as的增大而迅速增大。相反,如果柵源電壓減小,反型層中的電子跟著減少,導電溝道減薄,溝道電阻增大,流過溝道的電流就會減小。柵源電壓小于值電壓VT時,溝道消失,ID=0。當VDG一定時,源電流ID隨VDG變化的關系曲線,由圖1-3表示,稱為轉移特性曲線。

           圖1-2N溝道MO3品體管工作原理示意圖          圖1-3N溝道增強型MO晶體管轉移特性

上面講到的MOS晶體管,在柵源電壓VDG=0時,柵氧化層下面的Si表面層不存在反型溝道,源漏之間沒有電流通過。只有當柵源電壓VGS≥VT，Si表面層オ開始形成強反型層,源漏之間才開始有電流通過。按這種方式工作的器件,稱為N溝道增強型MOS器件。

如果當源電壓VGS=0時,在柵氧化層下面的B表面層內已經形成原始溝道,只要在之間施加很小的電壓下,源漏之間就有電流通過。按這種方式工作的器件,稱為N溝道耗盡型器件。例如在P型村底濃度較低和柵氧化層中存在較多的正電荷時,就往往會做成N溝道耗盡型MOS晶體管。它的轉移特性曲線由圖1-4所表示。

圖1-4N溝道耗盡型
MOS晶體管轉移特性曲線

從圖上看到,當柵源電壓VGS由零向正方向增大時,被吸引到反型層中的電子增多,漏源電流隨VGS的升高而增大。如果在柵源電壓VGS由零向負方向增大時,反型層中的電子被電場推斥而減少,漏源電流跟著減少;當柵源電壓VGS的負值達到某值時,使反型層完全消失,漏源電流就下降為零。我們稱這時的VGS為器件的溝道夾斷電壓,用VT表示。它與閥電壓具有同樣的MOS晶體管傳移特性曲線涵義,所以也用閾值電壓VT表示。從上面分析知道,N溝道增強型MOS管額的閾值電壓VT>0,N溝道耗盡型MOS管的閾電壓VT<0。既然源、漏擴散區是在同一次擴散中形成的,從結構上看,漏區和源區沒有什么區別。那么,源和漏是怎樣決定的呢:這主要由應用時的偏置條件來決定。我們定義N溝道MOS晶體管中電位最低的一個擴散區為源極,電位較高的為漏極。在一般工作條件下,源極與村底是連接在一起的,所以使漏極相對于村底處于高電位,即漏區(N)和村底之間的PN結處于反向偏置。這樣,MOS晶體管在正常工作時,擴散區與村底之間是相互絕緣的。

2、P溝適MOS晶體管

如果采用N型村底,并在它的上面做成兩個P型源、漏擴散區,就可制成P溝道MOS場效應晶體管。
圖1-5為P溝道增強型MOS晶體管的工作電壓偏置示意圖。其中源極接地,柵源電壓VGS和漏源電壓VDS都是負偏蛩電壓,與上述NMOS晶體管的電壓偏置情況正好相反。

圖1-6為P溝道增強型MOS晶體管的轉移特性曲線。當柵源電壓｜VGS｜增大到｜VT｜時,N型襯底表面的反型層開始形成,漏源之間開始有電流通過,當｜VGS｜繼續增大,反型層中的空穴增多,漏源電流隨之増加。相反,｜VGS｜減小時,漏源電流也跟著減??；當｜VGS｜＜｜VT｜時,溝道消失,ID=0。采用常規工藝制造的P溝道MOS晶體管,只能制造出增強型MOS晶體管。

 圖1-5P溝道MOS晶體管工作原理示意圖            圖1-6P溝道增強型MOS晶體管轉移特性曲線圖

當然,P溝道MOS晶體管也應該能做出耗盡型的,就是當VGS=0時,柵下面的P型硅表面層里就有原始的P溝道存在,只有在柵源之間加上一定的正電壓,原始溝道才會消失,使ID=0。這種管子的轉移特性曲線由圖1-7表示,這里的VT為正值。

圖1-7 P溝道耗盡型溝道MOS晶體管轉移特性的曲線

從上面介紹知道,P溝道增強型MOS管的電壓Vr為負值，而P溝道耗盡型MOS管的閾值電壓VT為正值。

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