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MOSFET圖文詳解-從器件物理層面看MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)-KIA MOS管

信息來(lái)源:本站 日期:2020-10-13 

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MOSFET圖文詳解-從器件物理層面看MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)-KIA MOS管


從器件物理層面看MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu):MOSFET是Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor的縮寫,即金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管,是集成電路的基礎(chǔ)。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?fù)诫s的n+區(qū),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(lái):金屬-氧化物-半導(dǎo)體(Metal-Oxide-Semiconductor)。但是由于多晶硅做柵極的諸多優(yōu)點(diǎn),后來(lái)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(zhǎng)度稱作柵的長(zhǎng)L,垂直方向稱為柵的寬W,需要注意的是,在數(shù)量上W比L要大;MOSFET的一個(gè)特點(diǎn)是其源和漏是完全對(duì)稱的,也就是說(shuō)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(jù)這一定義來(lái)區(qū)分:NMOS中導(dǎo)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(dǎo)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(dāng)然,一般人們不會(huì)這樣說(shuō),而是用另一種方式去表達(dá):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(nèi)部結(jié)構(gòu)


MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu):圖中的Leff及Ldrawn是到導(dǎo)電溝道的長(zhǎng)度,其中Leff稱為有效溝道長(zhǎng)度,Ldrawn稱為溝道總長(zhǎng)度,并且有如下關(guān)系:Leff=Ldrawn-2LD, LD代表橫向擴(kuò)散長(zhǎng)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(gè)極:源(S)、漏(D)和柵(G),但其實(shí)MOSFET是個(gè)四端器件,因?yàn)檫€有襯底(B)沒有引出管腳來(lái)。下圖中將襯底引出管腳來(lái):


MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)


簡(jiǎn)單的說(shuō),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(duì)器件的性能有很大影響。MOSFET中的導(dǎo)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(dǎo)通,而是形成平行板電容器,加電壓時(shí)柵與襯底之間形成電場(chǎng),在該電場(chǎng)的影響下襯底中形成導(dǎo)電溝道,MOS管就開始導(dǎo)通,因此叫場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Field Effect Transistor)。


NMOS中襯底是p型摻雜,工藝上一般用一塊重?fù)诫s的p區(qū)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(huì)存在體效應(yīng),引起閾值電壓的偏移。


集成電路中大規(guī)模應(yīng)用的CMOS技術(shù),要求在一塊硅片上同時(shí)做多個(gè)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(gè)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(shù)是:NMOS直接做在p襯底上,而在需要做PMOS的區(qū)域做一塊摻雜的n區(qū),稱為n阱(well),PMOS就做在這個(gè)阱中。


MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)


因此在CMOS電路中,NMOS共用同一個(gè)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(gè)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(yīng)而PMOS不用考慮的原因。


功率MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣符號(hào)如圖所示;其導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子(多子)參與導(dǎo)電,是單極型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率mos管相同,但 結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別,小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?,功率MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu),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(nèi)部結(jié)構(gòu)




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