第三章金屬－氧化物－半導體場效應晶體管MetalOxideSemiconductorFiledEffectTransistorMOSFET電子科學與技術系張瑞智本章內容§1、MOSFET的物理結構、工作原理和類型§2、MOSFET的閾值電壓§3、MOSFET的直流特性§4、MOSFET的動態特性§5、小尺寸效應1、MOSFET的物理結構MOSFET由一個MOS電容和靠近MOS柵控區域的兩個PN結組成。NMOSFET的三維結構圖柵氧化層硅襯底源區－溝道區－漏區剖面圖結構參數：溝道長度

L、溝道寬度

W、柵氧化層厚度

源漏PN結結深材料參數：襯底摻雜濃度、載流子遷移率版圖SDGWL多晶硅有源區金屬SiO2SiO2Si襯底器件版圖和結構參數MOSFET是一個四端器件：柵G（Gate），電壓VG源S（Source），電壓VS漏D（Drain），電壓VD襯底B（Body），電壓VB以源端為電壓參考點，端電壓定義為:漏源電壓VDS=VD-VS柵源電壓VGS=VG-VS體源電壓VBS=VB-VS端電壓的定義MOSFET正常工作時，D、B和S端所加的電壓要保證兩個PN結處于反偏。在直流工作下的器件，通常假設器件只有漏－源電流*或簡稱漏電流IDS，并將流向漏極方向的電流定義為正。MOSFET各端電壓對漏電流都有影響，電流－電壓的一般關系為：端電流的定義基本假定長溝和寬溝MOSFET：W>>L>>Tox>>Xc襯底均勻摻雜氧化層中的各種電荷用薄層電荷等效，并假定其位于Si-SiO2界面強反型近似成立基本假定（1）強反型近似強反型時：耗盡層寬度>>反型層厚度*，耗盡層兩端電壓>>反型層兩端的電壓，耗盡層電荷>>反型層電荷強反型后，柵壓再增加，將導致溝道載流子數目增加，但表面耗盡層寬度不變，耗盡層電荷不變，耗盡層兩端電壓不變。*通常我們假設反型層無限薄，載流子在硅表面形成面電荷層，并且在反型層中沒有能帶彎曲。基本假定（2）在柵壓為零時，從源電極和漏電極被兩個背靠背的PN結隔離，這時即使在源漏之間加上電壓，也沒有明顯的漏源電流（忽略PN結的反向漏電流）VGS=0

n+n+VDS>0

p-substrateSBIDS=0直流特性的定性描述：工作原理假設柵電壓VGS>VT，漏電壓VDS開始以較小的步長增加IDSVDSVDS（Small）VGS>VTn+n+

p-substrateChannelSBIDS當VDS很小時，它對反型層影響很小，表面溝道類似于一個簡單電阻，漏電流與VDS成正比。直流特性的定性描述：輸出特性VGS>VTn+n+VDS=VDSat

p-substrateChannelSBIDSIDVDSVDsatIDsatPinch-off隨著VDS的增加，它對柵的反型作用開始起負面影響，使反型層從源到漏逐漸變窄，反型載流子數目也相應減小，使IDS-VDS曲線的斜率減小。溝道載流子數目在靠近漏端降低最多，在漏端附件的反型層將最終消失（稱為溝道被夾斷）。使溝道開始夾斷的漏源電壓稱為漏源飽和電壓，相應的電流稱為飽和電流。IDVDSVDsatIDsatohmicsaturatedVGS>VTn+n+VDS>VDSat

p-substrateChannelSBIDS夾斷區當漏源電壓超過飽和電壓后，夾斷區變寬，夾斷點從漏到源移動。夾斷區是耗盡區，因而超過VDsat的電壓主要降落在夾斷區。對于長溝道（L>>△L）器件，夾斷后漏電流基本保持不變，因為，夾斷點P點的電壓VDsat保持不變，從源到P點的載流子數目不變，因而從漏到源的電流也不變化。直流特性的定性描述：轉移特性MOSFET的電流由器件內部的電場控制（柵壓引起的縱向電場和漏電壓引起的橫向電場）,因而稱為場效應晶體管。按照溝道類型分類NMOS：襯底為P型，源、漏區為重摻雜的n+,溝道中載流子為電子PMOS：襯底為N型，源、漏區為重摻雜的P+，溝道中載流子為空穴按照工作模式分類增強型：零柵