MOSFET圖文詳解-從器件物理層面看MOSFET的內部結構-KIA MOS管

從器件物理層面看MOSFET的內部結構

MOSFET的內部結構:MOSFET是Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor的縮寫，即金屬-氧化物-半導體場效應晶體管，是集成電路的基礎。MOSFET都是做在襯底上的，以NMOS為例，如圖，在一塊p型襯底(p-sub，襯底又叫Bulk或Body)上，形成兩塊重摻雜的n+區，分別為源(Source)和漏(Drain)；襯底之上用SiO2做一塊絕緣層，叫柵氧化層或柵絕緣層，用Tox表示其厚度，稱為柵絕緣層厚度或柵氧化層厚度；

柵氧化層的上面是柵(grid)，若用金屬鋁做柵極則稱為鋁柵，這就是MOSFET名稱中MOS的由來：金屬-氧化物-半導體(Metal-Oxide-Semiconductor)。但是由于多晶硅做柵極的諸多優點，后來用高摻雜的多晶硅(Poly-silicon)代替鋁做柵極，稱作多晶硅柵。

柵在源漏方向的長度稱作柵的長L，垂直方向稱為柵的寬W，需要注意的是，在數量上W比L要大；MOSFET的一個特點是其源和漏是完全對稱的，也就是說源和漏是可以互換的。在MOS中，源定義為提供載流子的端，而漏定義為接收載流子的端。

源和漏也正是依據這一定義來區分：NMOS中導電的載流子是電子，因此接到電路的最低電位以提供電子的是源極；而PMOS中導電的載流子是空穴，因此接到電路最高電位以提供空穴的是源極。當然，一般人們不會這樣說，而是用另一種方式去表達：NMOS的源極要接到電路的最低電位，而PMOS的源極要連接到電路的最高電位。

MOSFET的內部結構

MOSFET的內部結構:圖中的Leff及Ldrawn是到導電溝道的長度，其中Leff稱為有效溝道長度，Ldrawn稱為溝道總長度，并且有如下關系：Leff=Ldrawn-2LD, LD代表橫向擴散長度，是制造工藝中不可避免的誤差。上面的圖中畫出了MOSFET的三個極：源(S)、漏(D)和柵(G)，但其實MOSFET是個四端器件，因為還有襯底(B)沒有引出管腳來。下圖中將襯底引出管腳來：

MOSFET的內部結構

簡單的說，襯底就是一塊做了特定摻雜的硅，但其作用非常重要，并且在電路中襯底的電位對器件的性能有很大影響。MOSFET中的導電溝道也是在襯底中形成：柵極與襯底之間隔有SiO2絕緣層，因此柵與源、漏、襯底之間不導通，而是形成平行板電容器，加電壓時柵與襯底之間形成電場，在該電場的影響下襯底中形成導電溝道，MOS管就開始導通，因此叫場效應晶體管(Field Effect Transistor)。

NMOS中襯底是p型摻雜，工藝上一般用一塊重摻雜的p區作為與外界的接觸，就像上圖中描述的那樣。在電路連接中，一般將MOS的襯底與源連接到一起，使其電位相等。如果襯底的電位與源電位不等，則會存在體效應，引起閾值電壓的偏移。

集成電路中大規模應用的CMOS技術，要求在一塊硅片上同時做多個NMOS和PMOS。但是NMOS與PMOS的襯底類型不同，這就要求在工藝上為其中一類晶體管做一個局部襯底，稱為阱，這類晶體管就做在阱中。因此，目前采取的技術是：NMOS直接做在p襯底上，而在需要做PMOS的區域做一塊摻雜的n區，稱為n阱(well)，PMOS就做在這個阱中。

MOSFET的內部結構

因此在CMOS電路中，NMOS共用同一個襯底，而PMOS處在各自的n阱中。這就造成了NMOS和PMOS在襯底處理上的不同：所有NMOS的襯底由于連在一起，處于同一電位，不能保證其襯底與源極的電位完全相同，而各個PMOS的襯底則可以靈活處理。這就是在一般的電路分析中NMOS要考慮體效應而PMOS不用考慮的原因。

功率MOSFET的內部結構和電氣符號如圖所示；其導通時只有一種極性的載流子（多子）參與導電，是單極型晶體管。導電機理與小功率mos管相同，但結構上有較大區別，小功率MOS管是橫向導電器件，功率MOSFET大都采用垂直導電結構，又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。

MOSFET的內部結構