MOSFET图文详解-从器件物理层面看MOSFET的内部结构-KIA MOS管

从器件物理层面看MOSFET的内部结构

MOSFET的内部结构:MOSFET是Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor的缩写，即金属-氧化物-半导体场效应晶体管，是集成电路的基础。MOSFET都是做在衬底上的，以NMOS为例，如图，在一块p型衬底(p-sub，衬底又叫Bulk或Body)上，形成两块重掺杂的n+区，分别为源(Source)和漏(Drain)；衬底之上用SiO2做一块绝缘层，叫栅氧化层或栅绝缘层，用Tox表示其厚度，称为栅绝缘层厚度或栅氧化层厚度；

栅氧化层的上面是栅(grid)，若用金属铝做栅极则称为铝栅，这就是MOSFET名称中MOS的由来：金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor)。但是由于多晶硅做栅极的诸多优点，后来用高掺杂的多晶硅(Poly-silicon)代替铝做栅极，称作多晶硅栅。

栅在源漏方向的长度称作栅的长L，垂直方向称为栅的宽W，需要注意的是，在数量上W比L要大；MOSFET的一个特点是其源和漏是完全对称的，也就是说源和漏是可以互换的。在MOS中，源定义为提供载流子的端，而漏定义为接收载流子的端。

源和漏也正是依据这一定义来区分：NMOS中导电的载流子是电子，因此接到电路的最低电位以提供电子的是源极；而PMOS中导电的载流子是空穴，因此接到电路最高电位以提供空穴的是源极。当然，一般人们不会这样说，而是用另一种方式去表达：NMOS的源极要接到电路的最低电位，而PMOS的源极要连接到电路的最高电位。

MOSFET的内部结构:图中的Leff及Ldrawn是到导电沟道的长度，其中Leff称为有效沟道长度，Ldrawn称为沟道总长度，并且有如下关系：Leff=Ldrawn-2LD, LD代表横向扩散长度，是制造工艺中不可避免的误差。上面的图中画出了MOSFET的三个极：源(S)、漏(D)和栅(G)，但其实MOSFET是个四端器件，因为还有衬底(B)没有引出管脚来。下图中将衬底引出管脚来：

简单的说，衬底就是一块做了特定掺杂的硅，但其作用非常重要，并且在电路中衬底的电位对器件的性能有很大影响。MOSFET中的导电沟道也是在衬底中形成：栅极与衬底之间隔有SiO2绝缘层，因此栅与源、漏、衬底之间不导通，而是形成平行板电容器，加电压时栅与衬底之间形成电场，在该电场的影响下衬底中形成导电沟道，MOS管就开始导通，因此叫场效应晶体管(Field Effect Transistor)。

NMOS中衬底是p型掺杂，工艺上一般用一块重掺杂的p区作为与外界的接触，就像上图中描述的那样。在电路连接中，一般将MOS的衬底与源连接到一起，使其电位相等。如果衬底的电位与源电位不等，则会存在体效应，引起阈值电压的偏移。

集成电路中大规模应用的CMOS技术，要求在一块硅片上同时做多个NMOS和PMOS。但是NMOS与PMOS的衬底类型不同，这就要求在工艺上为其中一类晶体管做一个局部衬底，称为阱，这类晶体管就做在阱中。因此，目前采取的技术是：NMOS直接做在p衬底上，而在需要做PMOS的区域做一块掺杂的n区，称为n阱(well)，PMOS就做在这个阱中。

因此在CMOS电路中，NMOS共用同一个衬底，而PMOS处在各自的n阱中。这就造成了NMOS和PMOS在衬底处理上的不同：所有NMOS的衬底由于连在一起，处于同一电位，不能保证其衬底与源极的电位完全相同，而各个PMOS的衬底则可以灵活处理。这就是在一般的电路分析中NMOS要考虑体效应而PMOS不用考虑的原因。

功率MOSFET的内部结构和电气符号如图所示；其导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管。导电机理与小功率mos管相同，但 结构上有较大区别，小功率MOS管是横向导电器件，功率MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。

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