MOSFET图文详解-从器件物理层面看MOSFET的内部结构-KIA MOS管

从器件物理层面看MOSFET的内部结构

MOSFET的内部结构:MOSFET是(shi)Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor的缩写，即金(jin)属-氧化物(wu)-半导体场效应晶体管，是(shi)集(ji)成电路的基础。MOSFET都是(shi)做在衬底上(shang)的，以NMOS为(wei)(wei)例，如图，在一块(kuai)p型衬底(p-sub，衬底又(you)叫Bulk或(huo)Body)上(shang)，形(xing)成两块(kuai)重掺(chan)杂的n+区，分别为(wei)(wei)源(Source)和(he)漏(Drain)；衬底之上用(yong)SiO2做一块绝缘层(ceng)(ceng)，叫(jiao)栅(zha)氧(yang)化层(ceng)(ceng)或(huo)栅(zha)绝缘层(ceng)(ceng)，用(yong)Tox表示其厚(hou)度，称为栅(zha)绝缘层(ceng)(ceng)厚(hou)度或(huo)栅(zha)氧(yang)化层(ceng)(ceng)厚(hou)度；

栅(zha)(zha)(zha)氧化层(ceng)的上面(mian)是栅(zha)(zha)(zha)(grid)，若用金属铝做栅(zha)(zha)(zha)极则称为铝栅(zha)(zha)(zha)，这就是MOSFET名称中MOS的由来：金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor)。但是由于多(duo)晶硅(gui)(gui)做栅(zha)(zha)(zha)极的诸多(duo)优(you)点，后来用高(gao)掺(chan)杂的多(duo)晶硅(gui)(gui)(Poly-silicon)代替铝做栅(zha)(zha)(zha)极，称作多(duo)晶硅(gui)(gui)栅(zha)(zha)(zha)。

栅在源漏方向的长度(du)称作栅的长L，垂直方向称为栅的宽W，需要注(zhu)意(yi)的是，在数量(liang)上W比L要大；MOSFET的一个特(te)点是其源(yuan)和漏(lou)是完全对称的，也就是说(shuo)源(yuan)和漏(lou)是可(ke)以互换的。在MOS中，源(yuan)定(ding)义为提供载(zai)流子(zi)的端，而漏(lou)定(ding)义为接收载(zai)流子(zi)的端。

源(yuan)和(he)漏也正是(shi)(shi)依据(ju)这一定义来区分：NMOS中导(dao)电(dian)的(de)载(zai)流子(zi)(zi)是(shi)(shi)电(dian)子(zi)(zi)，因(yin)此(ci)接(jie)(jie)到电(dian)路(lu)的(de)最(zui)低电(dian)位(wei)以提供电(dian)子(zi)(zi)的(de)是(shi)(shi)源(yuan)极(ji)；而PMOS中导(dao)电(dian)的(de)载(zai)流子(zi)(zi)是(shi)(shi)空穴，因(yin)此(ci)接(jie)(jie)到电(dian)路(lu)最(zui)高(gao)电(dian)位(wei)以提供空穴的(de)是(shi)(shi)源(yuan)极(ji)。当然，一般(ban)人们不会这样说(shuo)，而是(shi)(shi)用另一种方式去(qu)表达：NMOS的(de)源(yuan)极(ji)要接(jie)(jie)到电(dian)路(lu)的(de)最(zui)低电(dian)位(wei)，而PMOS的(de)源(yuan)极(ji)要连接(jie)(jie)到电(dian)路(lu)的(de)最(zui)高(gao)电(dian)位(wei)。

MOSFET的(de)内部结构:图中的(de)Leff及Ldrawn是到导电沟道(dao)的(de)长度(du)，其中Leff称为有效沟道(dao)长度(du)，Ldrawn称为沟道(dao)总长度(du)，并且(qie)有如下关系：Leff=Ldrawn-2LD, LD代(dai)表(biao)横(heng)向扩散(san)长度(du)，是制造工(gong)艺中不可避免的(de)误差。上(shang)面(mian)的图(tu)中(zhong)画出(chu)了MOSFET的三个(ge)极：源(S)、漏(D)和栅(G)，但其(qi)实(shi)MOSFET是个(ge)四端器件，因为还有衬(chen)底(B)没(mei)有引出(chu)管(guan)(guan)脚(jiao)来。下图(tu)中(zhong)将衬(chen)底引出(chu)管(guan)(guan)脚(jiao)来：

简单的说，衬底(di)(di)(di)就是(shi)(shi)一块做(zuo)了特(te)定(ding)掺杂的硅(gui)，但其作用非常重要，并且在(zai)(zai)电(dian)路中(zhong)(zhong)(zhong)衬底(di)(di)(di)的电(dian)位对器件的性能有(you)很大影响。MOSFET中(zhong)(zhong)(zhong)的导(dao)电(dian)沟道(dao)也是(shi)(shi)在(zai)(zai)衬底(di)(di)(di)中(zhong)(zhong)(zhong)形(xing)(xing)成(cheng)：栅极与(yu)衬底(di)(di)(di)之(zhi)间隔有(you)SiO2绝(jue)缘层(ceng)，因(yin)此栅与(yu)源(yuan)、漏、衬底(di)(di)(di)之(zhi)间不导(dao)通，而是(shi)(shi)形(xing)(xing)成(cheng)平行(xing)板电(dian)容器，加电(dian)压时栅与(yu)衬底(di)(di)(di)之(zhi)间形(xing)(xing)成(cheng)电(dian)场，在(zai)(zai)该电(dian)场的影响下衬底(di)(di)(di)中(zhong)(zhong)(zhong)形(xing)(xing)成(cheng)导(dao)电(dian)沟道(dao)，MOS管就开始导(dao)通，因(yin)此叫场效应(ying)晶体(ti)管(Field Effect Transistor)。

NMOS中(zhong)(zhong)衬底是p型掺杂，工艺上(shang)一(yi)般用一(yi)块(kuai)重掺杂的(de)(de)p区作为与(yu)外界的(de)(de)接(jie)触，就像上(shang)图中(zhong)(zhong)描述的(de)(de)那样(yang)。在电路(lu)连(lian)接(jie)中(zhong)(zhong)，一(yi)般将MOS的(de)(de)衬底与(yu)源连(lian)接(jie)到(dao)一(yi)起，使其电位(wei)相等。如果衬底的(de)(de)电位(wei)与(yu)源电位(wei)不等，则会存在体(ti)效应，引起阈值电压的(de)(de)偏移。

集成(cheng)电路中(zhong)(zhong)大规模应(ying)用的CMOS技术，要(yao)(yao)求在(zai)(zai)(zai)一(yi)块硅片上(shang)同(tong)时做多个(ge)NMOS和(he)PMOS。但是NMOS与PMOS的衬底类型不同(tong)，这就要(yao)(yao)求在(zai)(zai)(zai)工艺上(shang)为其中(zhong)(zhong)一(yi)类晶体(ti)管(guan)做一(yi)个(ge)局部衬底，称为阱，这类晶体(ti)管(guan)就做在(zai)(zai)(zai)阱中(zhong)(zhong)。因此，目前采(cai)取的技术是：NMOS直接做在(zai)(zai)(zai)p衬底上(shang)，而(er)在(zai)(zai)(zai)需(xu)要(yao)(yao)做PMOS的区域做一(yi)块掺杂的n区，称为n阱(well)，PMOS就做在(zai)(zai)(zai)这个(ge)阱中(zhong)(zhong)。

因此在(zai)CMOS电(dian)路中，NMOS共用同一个衬底(di)，而PMOS处(chu)(chu)在(zai)各自(zi)的(de)(de)n阱(jing)中。这就(jiu)造成了(le)NMOS和PMOS在(zai)衬底(di)处(chu)(chu)理(li)上的(de)(de)不(bu)同：所(suo)有NMOS的(de)(de)衬底(di)由于连在(zai)一起，处(chu)(chu)于同一电(dian)位(wei)，不(bu)能(neng)保证其衬底(di)与(yu)源极的(de)(de)电(dian)位(wei)完(wan)全相同，而各个PMOS的(de)(de)衬底(di)则可以灵活处(chu)(chu)理(li)。这就(jiu)是(shi)在(zai)一般(ban)的(de)(de)电(dian)路分析(xi)中NMOS要(yao)考(kao)虑体效应而PMOS不(bu)用考(kao)虑的(de)(de)原因。

功率MOSFET的内部结(jie)构(gou)和(he)电气符号(hao)如图所示；其导(dao)通(tong)时只有(you)一种极(ji)(ji)性的载流子（多子）参与(yu)导(dao)电，是单(dan)极(ji)(ji)型晶体管(guan)。导(dao)电机理与(yu)小功率mos管(guan)相(xiang)同，但(dan) 结(jie)构(gou)上有(you)较大(da)区别，小功率MOS管(guan)是横向导(dao)电器(qi)件，功率MOSFET大(da)都采用垂直导(dao)电结(jie)构(gou)，又称(cheng)为VMOSFET（Vertical MOSFET），大(da)大(da)提高了MOSFET器(qi)件的耐压和(he)耐电流能力。

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