MOSFET的結構和電路符號

MOS器件物理基礎——基本概念

PART01

MOSFET 開關

在研究MOSFET的實際工作原理前我們來考慮這種器件的一個簡化模型,以便對晶體管有一個感性認識:我們預期它有什么樣的特性以及特性的哪些方面是重要的。

圖1是一個n型MOSFET的符號，圖中表示了三個端口:柵(G)、源(S)和漏(D)。這種器件是對稱的,因而源和漏可以互換。作為開關工作時,如果柵電壓VG是高電平,晶體管把源和漏連接在一起;如果柵電壓為低電平,則源和漏是斷開的。

即使對于這樣簡單的描述,我們還是必須回答幾個問題。VG取多大值時器件導通?換句話說,閥值電壓是多少?當器件導通(或斷開)時,源和漏之間的電阻有多大?這個電阻與端電壓的關系是怎樣的?總是可以用簡單的線性電阻來模擬源和漏之間的通道嗎?是什么因素限制了器件的速度?

雖然所有這些問題都是在電路級產(chǎn)生的,但是僅通過分析晶體管的結構和物理特性就可以對其作出回答。

圖1

PART02

MOSFET的結構

n型MOS(NMOS)器件的簡化結構如圖2所示。器件制作在p型襯底上(襯底也稱作bulk或者body)，兩個重摻雜n區(qū)形成源端和漏端，重摻雜的(導電的)多晶硅區(qū)(通常簡稱poly)作為柵，一層薄SiO2使柵與襯底隔離。器件的有效作用就發(fā)生在柵氧下的襯底區(qū)。注意，這種結構中的源和漏是對稱的。

圖2

源漏方向的柵的尺寸叫柵長L,與之垂直方向的柵的尺寸叫做柵寬W。由于在制造過程中,源/漏結的橫向擴散,源漏之間實際的距離略小于L。為了避免混淆,我們定義Leff=Ldrawn-2L eff,式中Leff稱為有效溝道長度,Ldrawn是溝道總長度,而LD是橫向擴散的長度。正如在以后我們將會看到的那樣,Leff和氧化層厚度tox對MOS 電路的性能起著非常重要的作用。因此,MOS 技術發(fā)展中的主要推動力就是不使器件的其它參數(shù)退化而一代一代地減小這兩個尺寸。后續(xù)文章這兩個尺寸的典型值為

。后續(xù)文章以后將用 L 來表示有效長度。

既然MOS結構是對稱的那么為什么還要將一個n區(qū)稱為源而另一個n區(qū)稱為漏呢?如果將源定義為提供載流子(NMOS器件中為電子)的終端而漏定義為收集載流子的終端這一點就很清楚了.因此，當器件三個端子的電壓變化時,源和漏的作用可以互換。在本章后面的習題中給出了這些概念的練習。

到目前為止,我們還沒有考慮器件的襯底。實際上,襯底的電位對器件特性有很大的影響。也就是說,MOSFET 是一個四端器件。由于在典型的 MOS 工作中，源/漏結二極管都必須反偏,所以我們認為 NMOS 晶體管的襯底被連接到系統(tǒng)的最低電壓上。例如,如果一個電路在03V工作,則 Vsub.NMOS =0。實際的連接如圖3 所示通常通過一個p+歐姆區(qū)來實現(xiàn)。

圖3

在互補MOS(CMOS)技術中同時用到NMOS和PMOS。從簡單的角度來看，PMOS器件可通過將所有摻雜類型取反(包括村底)來實現(xiàn),如圖4(a)所示。但實際生產(chǎn)中NMOS和PMOS器件必須做在同一晶片上,也就是說做在相同的村底上。由于這一原因，其中某一種類型的器件要做在一個“局部襯底”上,通常稱為“阱”。現(xiàn)在大多數(shù) CMOS工藝中PMOS器件做在n阱中(圖4b))。注意n阱必須接一定的電位,以便 PMOS管的源/漏結二極管在任何情況下都保持反偏。在大多數(shù)電路中,n阱與最正的電源供給相連接。為了簡化,有時分別稱NMOS和PMOS器件為“NFETs”和“PFETs”。

圖4(b)指出了NMOS和PMOS 晶體管一個有意義的區(qū)別每個PFETs可以處于各自獨立的n阱中而所有 NFETs則共享同一襯底。PFETs的這種靈活性在一些模擬電路中被應用。

圖4

PART03

MOS符號

用來表示NMOS和PMOS 晶體管的電路符號如圖5所示。圖5(a)中的符號包括晶體管的所有四個端子,其中襯底用 B(bulk)而不是用S來表示，以免與源極相混淆。PMOS 器件的源極放在頂端,這是為了直觀起見,因為源極比柵極的電壓高。由于在大多數(shù)電路中，NMOS和PMOS器件的村底端子分別接地和 VDD ,所以我們畫圖時通常省略這一連接圖5(b)在數(shù)字電路中慣上用圖 5(C)所示的開關符號來表示兩種 MOS管。但是我們更喜歡圖5(b)的表示,因為明確區(qū)分源和漏對于理解電路的工作被證明是很有幫助的。

圖5