MOSFET圖文詳解-從器件物理層面看MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)-KIA MOS管

從器件物理層面看MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu):MOSFET是Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor的縮寫，即金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，是集成電路的基礎(chǔ)。MOSFET都是做在襯底上的，以NMOS為例，如圖，在一塊p型襯底(p-sub，襯底又叫Bulk或Body)上，形成兩塊重?fù)诫s的n+區(qū)，分別為源(Source)和漏(Drain)；襯底之上用SiO2做一塊絕緣層，叫柵氧化層或柵絕緣層，用Tox表示其厚度，稱為柵絕緣層厚度或柵氧化層厚度；

柵氧化層的上面是柵(grid)，若用金屬鋁做柵極則稱為鋁柵，這就是MOSFET名稱中MOS的由來(lái)：金屬-氧化物-半導(dǎo)體(Metal-Oxide-Semiconductor)。但是由于多晶硅做柵極的諸多優(yōu)點(diǎn)，后來(lái)用高摻雜的多晶硅(Poly-silicon)代替鋁做柵極，稱作多晶硅柵。

柵在源漏方向的長(zhǎng)度稱作柵的長(zhǎng)L，垂直方向稱為柵的寬W，需要注意的是，在數(shù)量上W比L要大；MOSFET的一個(gè)特點(diǎn)是其源和漏是完全對(duì)稱的，也就是說(shuō)源和漏是可以互換的。在MOS中，源定義為提供載流子的端，而漏定義為接收載流子的端。

源和漏也正是依據(jù)這一定義來(lái)區(qū)分：NMOS中導(dǎo)電的載流子是電子，因此接到電路的最低電位以提供電子的是源極；而PMOS中導(dǎo)電的載流子是空穴，因此接到電路最高電位以提供空穴的是源極。當(dāng)然，一般人們不會(huì)這樣說(shuō)，而是用另一種方式去表達(dá)：NMOS的源極要接到電路的最低電位，而PMOS的源極要連接到電路的最高電位。

MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu):圖中的Leff及Ldrawn是到導(dǎo)電溝道的長(zhǎng)度，其中Leff稱為有效溝道長(zhǎng)度，Ldrawn稱為溝道總長(zhǎng)度，并且有如下關(guān)系：Leff=Ldrawn-2LD, LD代表橫向擴(kuò)散長(zhǎng)度，是制造工藝中不可避免的誤差。上面的圖中畫出了MOSFET的三個(gè)極：源(S)、漏(D)和柵(G)，但其實(shí)MOSFET是個(gè)四端器件，因?yàn)檫€有襯底(B)沒有引出管腳來(lái)。下圖中將襯底引出管腳來(lái)：

MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

簡(jiǎn)單的說(shuō)，襯底就是一塊做了特定摻雜的硅，但其作用非常重要，并且在電路中襯底的電位對(duì)器件的性能有很大影響。MOSFET中的導(dǎo)電溝道也是在襯底中形成：柵極與襯底之間隔有SiO2絕緣層，因此柵與源、漏、襯底之間不導(dǎo)通，而是形成平行板電容器，加電壓時(shí)柵與襯底之間形成電場(chǎng)，在該電場(chǎng)的影響下襯底中形成導(dǎo)電溝道，MOS管就開始導(dǎo)通，因此叫場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Field Effect Transistor)。

NMOS中襯底是p型摻雜，工藝上一般用一塊重?fù)诫s的p區(qū)作為與外界的接觸，就像上圖中描述的那樣。在電路連接中，一般將MOS的襯底與源連接到一起，使其電位相等。如果襯底的電位與源電位不等，則會(huì)存在體效應(yīng)，引起閾值電壓的偏移。

集成電路中大規(guī)模應(yīng)用的CMOS技術(shù)，要求在一塊硅片上同時(shí)做多個(gè)NMOS和PMOS。但是NMOS與PMOS的襯底類型不同，這就要求在工藝上為其中一類晶體管做一個(gè)局部襯底，稱為阱，這類晶體管就做在阱中。因此，目前采取的技術(shù)是：NMOS直接做在p襯底上，而在需要做PMOS的區(qū)域做一塊摻雜的n區(qū)，稱為n阱(well)，PMOS就做在這個(gè)阱中。

MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

因此在CMOS電路中，NMOS共用同一個(gè)襯底，而PMOS處在各自的n阱中。這就造成了NMOS和PMOS在襯底處理上的不同：所有NMOS的襯底由于連在一起，處于同一電位，不能保證其襯底與源極的電位完全相同，而各個(gè)PMOS的襯底則可以靈活處理。這就是在一般的電路分析中NMOS要考慮體效應(yīng)而PMOS不用考慮的原因。

功率MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣符號(hào)如圖所示；其導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子（多子）參與導(dǎo)電，是單極型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率mos管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別，小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷β蔒OSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。

MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)