MOS電晶體基本原理
2.1 MOS電晶體概述
MOS場效應電晶體（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）是各種MOS數位積體電路的基本組成單元。與雙極型電晶體（BJT，Bipolar Junction Transistor）相比，MOS電晶體的面積比較小，且製造工序也少，因此，MOS已成為VLSI電路中使用最廣泛的器件，主要用於構造數位電路的開關器件。
2.1.1金屬氧化半導體（MOS）的結構
圖2.1所示的是具有兩個電極的簡單MOS結構。它由三層構成：金屬柵極，二氧化矽絕緣層，p型襯底（在Si中摻入了3價元素，如硼）。MOS結構形成了一個電容，其中柵極和襯底分別是電容的兩極，二氧化矽絕緣層作為兩極之間的電介質，其厚度一般在10 nm到50 nm之間。在襯底的載流子濃度及分佈可以受加到柵極和襯底的外部電壓影響。
VG(栅极电压)栅极氧化层衬底p型掺杂SiVB(衬底电压)圖2.1 MOS結構
MOS電晶體（MOSFET）的結構和工作原理
一個n型MOS器件的基本結構如圖2.8所示。這種器件的襯底為p型，其中兩個區域採用n摻雜，可以形成漏極和源極。襯底表面源極和柵極之間的區域用一層薄氧化物覆蓋，金屬（或者多晶矽）沉積其上作為柵極。兩個n區域是這個器件電流傳輸的兩極。這種器件中源極和漏極結構上是完全對稱的；所載入的結電壓和電流流動的方向決定了這兩個區域的不同功能。
導電溝道的形成是取決於源極和漏極之間所載入的電壓及柵極上施加的偏置電壓。漏極和源極之間擴散層的距離叫做溝道長度L。溝道的橫向擴展稱之為溝道寬度
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W。溝道長度和溝道寬度都是重要的參數，它們可以控制MOS電晶體的一些電器特
性。另外，覆蓋在溝道上的氧化層的厚度tox也是一個重要的參數。
圖2.8 n溝道增強型MOS電晶體的物理結構
MOS電晶體在零偏置電壓的情況下沒有導電溝道，它稱為增強型（Enhancement－Type / Enhancement－Mode）MOS電晶體。否則，它稱為耗盡型（Depletion－Type / Depletion－Mode）MOS電晶體。具有p型襯底和n型的源極、漏極的MOS電晶體中，表面形成的是n型。因此，這種器件被稱之為n溝道MOS電晶體。具有n型襯底和p型的源極、漏極的MOS電晶體中，表面形成的是p型。因此，這種器件被稱之為p溝道MOS電晶體。
DDD??GBGGS四极S简化n沟道MOSFETS简化SSSGBGGD四极D简化p沟道MOSFETD简化
圖2.9 n溝道和p溝道增強型MOS電晶體的電路符號
器件端的縮寫是：柵極用G表示，漏極用D表示，源極用S表示，襯底用B表
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示。在n溝道MOS電晶體中，電壓較低的n區域是源極，較高的是漏極。約定所有的極點電壓都用相對源極的電壓來表示。因此，柵極到源極的電壓為VGS，襯底到源極的電壓為VBS。n溝道和p溝道的增強型MOS電晶體的電路符號如圖2.9所示。除了這種四極符號可以表示器件所有外部極點外，常常還採用簡單的三極表示方法。注意在這種簡單的MOS電晶體電路符號圖中，總是用小箭頭來標識源極。
首先考慮一下圖2.8中所示的n溝道增強型MOS電晶體。這種器件的簡單工作原理是：使用柵極電壓產生的電場作為可控變數，來控制源極和漏極之間的電流傳輸。因為溝道電流與源漏電壓和襯底電壓相關，電流可以被認為是這些外部信號的函數。下面將詳細的討論極點電壓和溝道電流之間的函數關係。然而，為了在漏極和源極之間傳輸電流，首先必須形成一個導電溝道。
n溝道增強型MOS電晶體最簡單的偏置情況可以如圖2.10所示。源極，漏極和襯底全部接地。加到柵極一個正向的柵極－源極電壓VGS，以便形成導電溝道。隨著偏置電壓的改變，源極和漏極之間擴散區的溝道會像在2.2節中所描述的那樣變化。對於小的柵極電壓，主要載流子（空穴）被排斥到襯底中，表面的p型襯底是耗盡的。由於表面缺乏任何自由載流子，電流不能在源極和漏極之間傳輸。
VS?0VGS?VT0栅极?VDS?0源极(n?)耗尽区漏极(n?)衬底（p型硅）VB?0
圖2.10 n溝道增強型MOS電晶體耗盡層
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VS?0VGS?VT0栅极VDS?0源极(n?)耗尽区漏极(n?)衬底（p型硅）反型层VB?0
圖2.12 n溝道增強型MOS電晶體的反型層狀態
2.2 MOS電晶體計算模型 2.2.1 MODFET電流－電壓特性
分析不同偏置條件下的MOS電晶體電流－電壓關係需要進行一些近似來簡化相應的計算。如果不進行一些簡化，那麼分析實際的三維MOS系統將會是一個非常複雜的問題，也不會得到一個閉合型的電流－電壓關係式。在下面的部分，我們將會使用逐步的溝道近似法（Gradual Channel Approximation，GCA）來建立MOS電晶體的電流－電壓關係，這可將分析簡化到一維的電流－電壓問題。所得到的結果相對比較簡單，並且也比較符合實驗結果。然而，由於是一種近似的方法，GCA也有它的局限性，尤其是對於小尺寸的MOS電晶體。我們會討論最常見的局限性並且指出可能的修正方法。
VS?0VGS?VT0栅极ID氧化层VDS源极(n?)漏极(n?)xy=0yy=L衬底（p型硅）VB?0
圖2.14工作于線性區的n溝道電晶體橫截面
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