第二章MOS晶体管2.1引言MOS晶体管的介绍MOS晶体管的符号表示NMOS增强型晶体管和耗尽型晶体管漏极电流与栅极电压的关系曲线2.2MOS晶体管工作原理增强型NMOS晶体管导电机理增强型NMOS晶体管的电流方程MOS晶体管典型的输出特性曲线电流方程中的参数：参数μn是电子的表面迁移率，它的定义是：一个典型的NMOS晶体管参数是μ0=1250cm2/V·sε=4ε0=4×8.85×10-14F/cmtox=1000Å所以它的导电系数为：参数μn、ε、tox是与工艺，材料有关的量。当制造工艺确定后，是不能随意改变的。MOS晶体管沟道宽度W与长度L是MOS晶体管设计时一对重要的几何参数，是设计者能够控制改变的唯一一组参数。在半导体器件物理中，阈值电压VT是一个十分重要的参数，一般情况下可认为是一个常数。其实它随工作条件变化也会发生改变，较精确一些的计算公式是：式中，q是一个电子的电荷量；εox和εSi分别是氧化硅和硅衬底的介电常数；N是衬底掺杂浓度。沟道长度调制效应沟道长度调制效应沟道的有效长度可以用以下近似公式计算：MOS晶体管的输出特性曲线：在计入沟道长度调制效应后，有源导通区电流表达式可以改写为：NMOS增强型晶体管的转移特性曲线耗尽型NMOS晶体管在制造耗尽型管子时，对漏源之间的沟道区进行离子注入，产生一个n型薄层，形成导电沟道。因而在栅源电压VGS为零时导电沟道就已经存在．只要加上适当的漏源电压就可产生漏源电流。VGS和VDS对ID的控制作用原理和增强型管相似。当栅源间施以负电压时，沟道区反型层变薄，沟道电阻增大，漏极电流ID减小。当负栅压增加到一定值时，薄反型层中载流子耗尽，沟道消失，晶体管截止，漏极电流为零。耗尽型NMOS晶体管特性曲线PMOS晶体管PMOS晶体管基本结构根据PMOS晶体管与NMOS晶体管的对偶特性，只要改变电压与电流的符号，前述NMOS晶体管的电流方程和特性曲线也适用于PMOS晶体管。但相应公式中的电子迁移率μn则应以空穴迁移率μp代替在半导体硅材料中，一般室温下的空穴迁移率大约是500cm2／V·s，而电子迁移串大约是1300cm2／V·s。在相同几何形状和相同工作条件下，PMOS晶体管的导通电阻比NMOS晶体管的导通电阻大两倍多。所以，在相同条件下NMOS器件可以做得比PMOS器件小些。换言之，NMOS器件比PMOS器件有较高的工作速度和封装密度。这就是NMOS器件用得极为广泛的重要原因。NMOS、PMOS不同工作区的端电压条件MOS晶体管的电路模型NMOS晶体管基本结构NMOS晶体管的电路模型2.3MOS集成电路工艺技术第一种基本工艺步骤--氧化通常氧化层厚度，薄的可小于500Å(栅氧化层)，厚的可大于10000Å(场氧化层)。氧化的温度范围为700-1100℃，氧化层厚度与其生长时的温度及生长时间成比例。氧化层的作用有三：绝缘层的作用；保护层的作用；电介质层的作用。第二种工艺步骤--扩散根据扩散时半导体表面杂质浓度变化的情况来区分，扩散有两类。第一种类型是无限源扩散。第二种类型是有限源扩散。无限源扩散和有限源扩散分别用于预淀积和再扩散．预淀积的目的是在靠近材料表面的地方形成一高浓度的杂质区．可扩散到硅中的最大杂质浓度随杂质元素而异。再扩散是在预淀积之后进行，其目的是将杂质推入半导体内部．扩散前的衬底杂质浓度和扩散进入衬底的相反类型的杂质浓度相等的地方就是半导体的“结”．这个结位于p型和n型材料之间，故称为“pn结”．第三种工艺步骤是离子注入在施行离子注入后将半导体温度升高到800℃退火，使离子处于可动状态并嵌入到半导体晶格中去，可使晶格结构得以恢复完整。离子注入可以替代扩散，因为这两种工艺的目的都是将杂质掺入半导体材料中。离子注入和扩散相比，有许多优点。第三是它可以穿透一个薄层注入，因此被注入的材料不必暴露在污染的环境中．最后一点是离子注入可以控制被注入杂质的分布状况．第四种工艺---淀积溅射技术是用正离子去轰击涂有需要淀积材料的阴极(靶)．由于动量的直接转化，作为靶的材料被撞出并淀积到放在阳极的硅片上．溅射通常也在真空中进行，但气压的范围是25-75×10-3Torr．化学汽相淀积是利用在硅片附近发生汽相的化学反应或高温分解而在硅片上淀积一层薄膜的过程．这种淀积工艺一般用于淀积多晶硅、二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)．化学汽相淀积通常在大气压(760Torr)下形成，也可在低压0.3—1Torr下形成．最后一个生产工艺是刻蚀(即腐蚀)需要腐蚀的材料有多晶硅、二氧化硅、氮化硅和金属．光刻工艺光刻的基本要素是光刻胶和掩模版．掩模版使部分的光刻胶暴露在紫外光(UV)下，而把另一部分遮档起来．集成电路由许多层不同的材料组成，借以形成不同