N沟道耗尽型硅栅MOSFET的设计

硅栅MOSFET的设计

一、MOSFET的基本结构和工作原理 1. 基本结构

1， 以N沟道MOSFET为例。在P型半导体上制作两个N区，一个称源区，另一个

称漏区。园、漏区之间是沟道区，源、漏直接按的横向距离就是沟道长度。在沟道区表面上，有一层有热氧化工艺生长的氧化层为介质，称为绝缘栅。在源、漏和绝缘栅上蒸发一层铝作为引出电极，这三个电极分别为源极、漏极和栅极，简称S、D和G。从MOSFET的衬底上也可以引出一个电极，简称B极。加在四个电极上的电压分别为源极电压，漏极电压，栅极电压和衬底偏压。

ＳＮＧＤＮ源区Ｐ衬底漏区Ｂ

2. 工作原理

1， 在N沟道MOSFET中，当栅极上没有外加适当的栅极电压时，N源区和N漏区

两个靠背的二极管所隔离。这时如果在；漏极与源极之间加上漏源电压VDS,除了极其微小的PN结反向电流外，是不会产生电流的。当在栅极上加适当的电压VGS时，就会在栅极下面产生一个半导体体内的电场。当VGS增大到被称为阈值电压VT时，由于电场作用，栅极下面的P型半导体表面开始强反型，形成连通N源区和N漏区的N型沟道。由于沟道内有大量的可动电子，所以当在漏极和源极之间加上漏源电压VDS后，就能产生漏极电流ID。在VDS一定的条件下，当VGS VT时，ID>0。VGS越大，则N型沟道内的可动电子数就越多，



ID就就越大。反之，当VGS减小时，N型沟道内的可动电子数将减少，ID也将随之减小。在漏源电压VDS恒定时，漏极电流ID随栅源电压VGS的变化而变化的规律，称为MOSFET的转移特性。

由此可见，MOSFET的基本工作原理，是通过改变栅源电压VGS来控制沟道的导电能力，从而控制漏极电流ID。因此，MOSFET是一种电压控制器件。 3. MOSFET的分类

如果N沟道的阈电压VT>0，则当VGS=0时，源区与漏区之间的P型半导体表面因为VGS< VT而没有形成强反型层，源极和漏极之间不导电。只有当栅、源外加超过阈电压的较大正电压时，才能产生漏极电流。这种MOSFET通常称为N沟道增强型MOSFET,或N沟道常关型MOSFET.

如果MOSFET的P型半导体的衬底杂质浓度较低，金属半导体功函数差MS较大、氧化层具有较多的正电荷，则即使VGS=0，氧化层内的正电荷等所产生的电场就足以使源区和漏区之间的半导体表面发生强反型，使漏极和源极之间导电。只有栅、源之间外加较大的负电压时，才能完全抵消氧化层中正点荷等的影响，使反型层消失。这时加上漏源电压才不会产生漏极电流。这种N沟道MOSFET的阈电压VT<0，通常称为N沟道耗尽型MOSFET,或N沟道常开型MOSFET.对于N沟道耗尽型MOSFET，当VGS<0且| VGS|>| VT|时，ID=0。 类型 P沟道增强型 P沟道耗尽型 N沟道增强型 N沟道耗尽型 二、MOSFET的基本参数

1. 阈值电压VT:主要栅氧化层厚度tox.衬底杂质浓度，栅材料（VFB）和界面电荷密度决

定。

（1）NMOS管阈值电压VT P 衬底材料 N 源、漏区 VDS <0 <0 >0 >0 ID - - + + VGS <0 VT <0 >0 >0 <0 P P N N >0 QQB2Fmsox CoxCox

其中单位面积MOS电容为Cox80oxtox，栅氧化层中Si-SiO

182的等效电荷密度

Qox=810C/cm2,多晶硅掺磷为n型的，浓度为ND多=510cm3 NMOS管的P型衬底的费米势：FKTNAln qni12NMOS管的表面耗尽层单位面积上空间电荷密度最大值为：QB(40siqNAF) NOMS管中N型多晶硅与P型Si衬底的接触电荷势：msKTND多NAln 2qniIDSCoxWL(VGSVT)VDS

IDSCoxw2L(VGSVT)2

IDSSCoxW2LVT2

RonL

CoxW(VGSVT)IDSCoxW|VDS常数(VGSVT) VGSLgmBVGSEtox

WeXjXmXejXs

120sXm[BVDS]2

qNA参数名称 夹断电压 符号 设计指标 测试条件 VP 3伏特 VDS=10伏特，IDS50微安 饱和漏源电流 IDSS 3毫安 VGS=0，VDS=10伏特

跨导 gm 1000微欧姆 VDS=10伏特，IDS=10毫安 工作平率 栅源直流输入阻抗 最大漏源耐压 最大栅源耐压 最大耗散功率 一·设计考虑 1， 材料选取

f 30兆赫 >109欧姆 RGS BVDS VGS=10伏特 VGS=VP 20伏特 50伏特 100毫瓦 BVGS PDM 为了制成N沟道消耗型器件，应选用P型硅单晶作衬底，其夹断电压VP与材料电阻率密切相关，在选定电阻率时以满足VP的要求为根据。可根据工艺的具体情况，确定实际可以控制的QSS和tox，根据算出达到VP=-3伏特所需的衬底杂质浓度。

制造MOS场效应管最好采用<100>面的晶片，因为<100>面的界面态密度较低，同时载流子载<100>面中的表面迁移率也较大。MOS器件对于材料的载流子寿命和错位密度没有特殊要求，只是由于器件的跨导和频率性能等均与迁移率有关，因而要求材料结构尽可能完整。

2·栅极二氧化硅厚度的确定

为了保证器件有足够的跨导，一般要求SiO2曾厚度要薄，但太薄时栅极容易漏电或击穿，合格率降低。在实际生产中，MOS场效应管的栅极二氧化硅厚度通常控制在1600埃左右，这对于保证BVGS和RGS的要求来说都是适宜的。

3·沟道宽度场比W/L

MOS场效应管的沟道长度以后，如何再来选定沟道宽度W呢？由前面的讨论看到，我们根据VP的要求选定了材料电阻率，根据BVGS和RGS的要求选定了tox，根据频率的要求选定了L。在重要的参数中唯有跨导的要求还没有得到保证，因此对MOS器件来说，沟道的宽度长比W/L是主要根据跨导的要求来确定的。当然，对于耗尽型器件来说，在选定宽长比W/L时还要考虑到饱和电流和漏极电流IDSS的要求。 有公式

gmoxoWtoxL(VGSVT)

为了保证gm有足够大的数值，要求宽长比W/L足够大。又有公式，

IDSSoxoW2toxLVp2

结构图形的选定

MOS场效应管的沟道多种形式，而耗尽型器件必须采用封闭的环形结构。因为在耗尽型器氧化层正电中心作用下，氧化层下面的所有半导体表面都已经反型。如果采用条状电极，一部分电流就可能绕过栅极下面的沟道，而经电极断头外面的反型蹭短路。由于这些短路电流不受栅极电压的控制，因而将干扰器件的正常工作，出现漏电和夹不断的现象。如果采用环状电极结构，则由于漏区被环状的栅极完全包围，漏极之间的电源之间的电流除了通过栅极下面的沟道之外没有其他短路的可能，因而耗尽型器件必须采用封闭式的电极结构。采用环形结构时，环的宽度就是沟道的长度L,环的周长就是沟道的宽度W.如果如果金属栅极中心线的半径r,则宽长比就是2πr/L。 结构数据和参数验算

根据所提出的参数指标，经过上面的考虑和计算，决定采用环状电极结构，并具有下列结构数值：

硅单晶材料 （100）晶面，=10~20欧·厘米 栅极SiO2厚度 tox=1600埃

沟道长度 L=15μ（如果漏源区扩散深度为1.5μ，则实际沟道长度为12μ） 源扩散区直径 170

源扩散环 内径200μ 外径330μ

栅金属环 内径160μ 外径210μ（与漏源区各交迭5μ） 漏源扩散结深 xj=1.5μ 漏源扩散薄层电阻R0<10欧姆/□

结构示意图：

验算其电参数是否满足原来的设计要求指标。

1， 夹断电压P 2， N

