MOS场效应晶体管的结构特性及工作原理

MOS集成电路,基本都是由一个个MOS晶体管组成的,因此MOS晶体管是MOS集成电路的基础。在讨论MOS电路之前,必须对MOS晶体管的原理、基本特性和各种参数有个深入的了解。

本章主要叙述MOS场效应晶体管的物理基础、基本特性及其主要参数。

一、MOS场效应晶体管的结构特性及工作原理

1、N沟道MOS晶体管

图1-1表示一个N沟道MOS场效应晶体管的结构模型。它是在P型Si片上扩散两个N+区,一个为源扩散区,另一个漏扩散区。两个N+扩散区之间称为沟道区,在沟道区上面用热氧化生长一层薄氧化层,作为绝缘。然后在源扩散区、漏扩散区和绝缘概上蒸发一层金属铝,作为引出电极,分别为源极(用S表示)、漏极(用D表示)和控制栅极(用G表示)。整个制作过程,都是采用硅平面工。

图1-1N泡MOS晶体管结构图

从图中可以看到,从金属栅开始向下为二氧化硅绝缘层,再下面为半导体硅,这样由金属一二氧化硅一硅三层组成了MOS系统。如果在金属栅上不加栅源电压,源之间被两个“背靠背”的二极管隔离,即使在源漏之间加了电压VDG,也不会有电流通过,而只有极微小的PN结泄漏电流。但当在栅极上加了足够大的正向栅源电压VDG以后,会在栅极下画产生一个指向硅表面的电场。当这个栅源电压大于MOS管的值电压VT时,P型硅体内的电子在电场的作用下,被吸引到表面,形成与体内导电类型相反的N型层,称为N沟道,它把源、漏两个扩散区连接起来。当在源漏之间施加一个电压VDG,电流就从漏区经过沟道流向源区,如图1-2所示。当栅源电压a继续增高;被吸到反型层中的电子也就增多(即导电沟道增厚,电阻减小),漏源电流就随as的增大而迅速增大。相反,如果栅源电压减小,反型层中的电子跟着减少,导电沟道减薄,沟道电阻增大,流过沟道的电流就会减小。栅源电压小于值电压VT时,沟道消失,ID=0。当VDG一定时,源电流ID随VDG变化的关系曲线,由图1-3表示,称为转移特性曲线。

           图1-2N沟道MO3品体管工作原理示意图          图1-3N沟道增强型MO晶体管转移特性

上面讲到的MOS晶体管,在栅源电压VDG=0时,栅氧化层下面的Si表面层不存在反型沟道,源漏之间没有电流通过。只有当栅源电压VGS≥VT，Si表面层オ开始形成强反型层,源漏之间才开始有电流通过。按这种方式工作的器件,称为N沟道增强型MOS器件。

如果当源电压VGS=0时,在栅氧化层下面的B表面层内已经形成原始沟道,只要在之间施加很小的电压下,源漏之间就有电流通过。按这种方式工作的器件,称为N沟道耗尽型器件。例如在P型村底浓度较低和栅氧化层中存在较多的正电荷时,就往往会做成N沟道耗尽型MOS晶体管。它的转移特性曲线由图1-4所表示。

图1-4N沟道耗尽型
MOS晶体管转移特性曲线

从图上看到,当栅源电压VGS由零向正方向增大时,被吸引到反型层中的电子增多,漏源电流随VGS的升高而增大。如果在栅源电压VGS由零向负方向增大时,反型层中的电子被电场推斥而减少,漏源电流跟着减少;当栅源电压VGS的负值达到某值时,使反型层完全消失,漏源电流就下降为零。我们称这时的VGS为器件的沟道夹断电压,用VT表示。它与阀电压具有同样的MOS晶体管传移特性曲线涵义,所以也用阈值电压VT表示。从上面分析知道,N沟道增强型MOS管额的阈值电压VT>0,N沟道耗尽型MOS管的阈电压VT<0。既然源、漏扩散区是在同一次扩散中形成的,从结构上看,漏区和源区没有什么区别。那么,源和漏是怎样决定的呢:这主要由应用时的偏置条件来决定。我们定义N沟道MOS晶体管中电位最低的一个扩散区为源极,电位较高的为漏极。在一般工作条件下,源极与村底是连接在一起的,所以使漏极相对于村底处于高电位,即漏区(N)和村底之间的PN结处于反向偏置。这样,MOS晶体管在正常工作时,扩散区与村底之间是相互绝缘的。

2、P沟适MOS晶体管

如果采用N型村底,并在它的上面做成两个P型源、漏扩散区,就可制成P沟道MOS场效应晶体管。
图1-5为P沟道增强型MOS晶体管的工作电压偏置示意图。其中源极接地,栅源电压VGS和漏源电压VDS都是负偏蛩电压,与上述NMOS晶体管的电压偏置情况正好相反。

图1-6为P沟道增强型MOS晶体管的转移特性曲线。当栅源电压｜VGS｜增大到｜VT｜时,N型衬底表面的反型层开始形成,漏源之间开始有电流通过,当｜VGS｜继续增大,反型层中的空穴增多,漏源电流随之増加。相反,｜VGS｜减小时,漏源电流也跟着减小；当｜VGS｜＜｜VT｜时,沟道消失,ID=0。采用常规工艺制造的P沟道MOS晶体管,只能制造出增强型MOS晶体管。

 图1-5P沟道MOS晶体管工作原理示意图            图1-6P沟道增强型MOS晶体管转移特性曲线图

当然,P沟道MOS晶体管也应该能做出耗尽型的,就是当VGS=0时,栅下面的P型硅表面层里就有原始的P沟道存在,只有在栅源之间加上一定的正电压,原始沟道才会消失,使ID=0。这种管子的转移特性曲线由图1-7表示,这里的VT为正值。

图1-7 P沟道耗尽型沟道MOS晶体管转移特性的曲线

从上面介绍知道,P沟道增强型MOS管的电压Vr为负值，而P沟道耗尽型MOS管的阈值电压VT为正值。

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