四端MOS结构基本特性及作用结构分析

在第3章中的结构上再加上一端，从而使反型层在两个相对的末端处可与外界接触，这样便得到了四端MOS晶体管。在这两末端之间加上一个电压，就可在反型层中引起电流流动。由于用来导电的载流子的数目取决于栅端的电势，故当用于数字电路时，栅端电势可用来建立或消除反型层（也就是说，使器件“导通”或“截止”）；当用于模拟电路时，栅端电势可用来连续地调制器件的导电性。

MOS晶体管的基本思想在半个多世纪前就已经提出来了。各自独立进行工作的利连弗尔德（Lilienfeld）和哈爱尔（Heil）在30年代都获得了第一个专利^[1,2]。实验室研究是在40年代后期进行的。但在那以后，器件基本上保持停滞状态达十多年之久。然后，在60年代早期，康恩（Kahng）和阿特拉（Atalla）^[4]公开演示了与当今已知形式基本相同的工作器件，并建立了这些器件工作的基本理论，此后，MOS晶体管有了一个飞跃。有关早期研究工作的历史回顾可在别的书中找到^[9]，这一回顾包括了表面研究和实际制造技术的发展情况。对MOS晶体管的广泛论述发表在60年代后期，其中包括对扩散电流和衬底电荷作用的研究^[10-19]。我们所列出的有关60年代研究工作的参考文献并不是完整的，更多的参考资料可在几本早期出版的传播这一器件知识的教科书中找到^{[11,15,16,20]}。从60年代开始，工业界应用新获得的知识成功地制造出了数字集成电路，从而产生了为计算机辅助设计建立有效模型的需求^[21-37]。与此同时，弱反型沟道中的电流受到了很大的关注^[38-52]。从70年代开始，对建立适用于外部偏压的所有组合情况下的各种模型进行了一些尝试，这些模型计及了漂移电流和扩散电流的作用^[58-64]，但比早期的尝试^[10]更为简单。上面给出的参考文献主要限制在本章所讨论的一些主题上，更深入一些的参考文献也将按这一要求给出。在短沟道、窄沟道器件，离子注入器件，电荷与电容的建模，高频工作以及其他一些主题等方面也已进行了广泛的研究。随着在本书后面对这些主题逐步展开讨论，有关的参考文献将陆续给出。

一个MOS晶体管的基本部分示于图4.1。这一结构的更详细的情况将在本书后面需要时讨论，特别是在第10章中，结合制造过程来讨论。两个n⁺区（典型深度是零点几微米）称为源和漏，反型层通常称为沟道。因为图4.1中的沟道由电子组成，故这器件称为n沟MOS晶体管或NMOS晶体管。若衬底由n型材料制成，而源和漏由p型材料制成，则这样的器件称为p沟MOS晶体管或PMOS晶体管。在4.11节以前我们暂不讨论PMOS晶体管。MOS晶体管的常用缩写字是MOST（用于金属-氧化物-半导体晶体管），MOSFET（用于MOS场效应晶体管）和IGFET（用于绝缘栅场效应晶体管）。名称IGFET起初是为了与结型场效应晶体管（在这种器件中，栅与其余部分被一个pn结隔开）相区别。在这三种缩写名称中，IGFET较为通用，因为它并未指定用于栅和绝缘体的材料。然而在今天，MOST和MOSFET的意义已经与IGFET相同了，不再意味着必须用金属和二氧化硅来做栅和绝缘层。

本章的主要目标是要确定在端电压任意组合时的漏端电流，在整章中，假设沟道是足够地长又宽，因此边缘效应被限制在可忽略的范围内。这一说法在今后将会更定量化。我们还将假定衬底是均匀掺杂的。除非另有说明，否则掺杂类型将假定是p型的。

一个有外加电压的NMOS晶体管示于图4.2。在这一图和本书所有的有关图中，我们都只画出耗尽区伸展到衬底中的那部分，而耗尽区伸展进入重掺杂的n⁺区部分是很窄的，为简化起见未画出。耗尽区的完整图形定性地与图1.15相似。在图4.2a中画出了电压源的共衬连接；而在图4.2b中画出了电压源的共源连接，在随后的讨论中，两种情况都证明是有用的。我们可把对图3.1c或3.1d结构所导出的结果，令VcB=VsB以后，用于沟道的源端。类似地，令VcB=VDB，可把那些结果用于漏端。应当立刻强调指出，MOS晶体管的正常工作状态要求两个pn结都是反向偏置的。这样，对于一个NMOS晶体管来说，这将隐含地假定^①

另外一个隐含假设是直流栅流可以忽略。由于通过绝缘层的电流极小（例如10^-17A），因而几乎在任何应用场合下都可假设为零。最后，由于pn结的直流反向偏置电流很小（尤其在温度不太高时），因而除了某些临界应用以外，该电流也可忽略。除非特别声明，否则这电流将被假设为零。

若图4.2a中有VDB=VSB，则情况就与图3.1c类似，半导体内的电场就垂直于表面。如果VDB≠VSB，则场强在水平方向将有一个非零分量。假设这一分量比垂直分量小得多。因此可以假定，电场方向实际上与图3.1c中的相同，故参照图3.1c而导出的公式可以适当地推广应用于此。（这一近似称为缓变沟道近似，并可用二维数值计算来证明；然而，在后面我们也将会遇到不能采用这种近似的情况。）

在图3.1c中，假定各种电荷都沿x方向均匀分布（除了太靠近n⁺区的那些点以外），一般说来，这种假设不适用于图4.2的情况，因为这里的电势随x而变。这样，单位面积电荷应局部局部地加以定义。例如，考虑沟道中一个以x为中心的小面积元ΔA（从图4.2的上面看）。其中所包含的反型层电荷为ΔQI，则x点处单位面积反型层电荷可定义为ΔQI/ΔA，当ΔA趋于零时的极限，对Q´B和Q´C也可用类似方法定义。换句话说，我们可定义：

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