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MOS管及本征增益简介

中科院半导体所 来源:学习那些事 2025-01-14 14:09 次阅读

文章来源:学习那些事

原文作者:赵先生

本文主要介绍MOS管及本征增益

MOS,是金属-氧化物-半导体场效应晶体管英文名称的缩写,是一种独特的半导体器件,它通过电场效应来控制输出回路的电流,这一特性使其得名。该器件主要依赖半导体中的多数载流子进行导电,因此也被归类为单极型晶体管。在场效应晶体管(FET)的广泛分类中,除了MOS管,还有诸如结型场效应晶体管(JFET)、金属-半导体场效应晶体管(MESFET)、无结场效应晶体管(JLFET)以及量子阱场效应晶体管(QWFET)等多种类型。在这些类型中,MOS管因其诸多优点,如高输入电阻、低功耗、低噪声以及易于集成等,成为了最为常用的选择,广泛应用于模拟电路与数字电路中,并在市场上占据了绝对的主导地位,远超双极型晶体管(BJT)。

MOS管进一步细分为NMOS(N沟道型)和PMOS(P沟道型)两种,它们都属于绝缘栅场效应管。当NMOS和PMOS被巧妙地组合在一起时,就构成了我们常说的CMOS(互补金属氧化物半导体)器件。NMOS的结构设计精巧,包含了三个关键的电极:源极(Source, S)、栅极(Gate, G)和漏极(Drain, D),如下图所示,这三个电极的功能可以分别与双极型晶体管的发射极、基极和集电极相对应。

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NMOS结构示意图

如下图所示,在NMOS的工作过程中,如果栅极没有施加电压,那么源区和漏区之间就会因为缺乏导电沟道而无法形成电流。然而,当栅极被施加一个足够大的正电压时,这个电压就会像磁石一样吸引P型衬底中的少数载流子——电子,使它们聚集在栅极和衬底的交界处。随着电子的聚集,衬底表面就会形成一个布满电子的反型层,这个反型层实际上是将原来的P型区域反转成了N型区域,从而为电流提供了一个畅通的通道,使得源区的电子能够顺利地流向漏区,形成电流。这个过程展示了MOS管作为电压控制器件的本质,即通过栅电压来精确地调控源极和漏极之间的电流。这个反型层构建了一个高效的电子传输路径,使得源区的电子能够持续不断地流向漏区,进而形成电流。因此,MOS管实质上是一种电压控制器件,其核心在于通过栅电压来精确调控源极与漏极之间的电流大小。我们将开启场效应管所必需的最小栅极电压定义为阈值电压。栅极在此扮演了一个开关的角色:当栅极电压低于阈值电压或栅极电压被移除时,它处于关闭状态,阻止了源漏间电流的通过;而当栅极电压高于阈值电压时,它则打开通道,允许源漏间的电流自由流通。

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NMOS的电学性能

接下来,我们概述一套典型的NMOS管制备工艺流程。首先,通过外延生长在硅衬底上形成一层外延层,这一步骤旨在获取低氧含量的硅单晶,它构成了MOS管中的半导体部分(S)然后利用氧化、光刻及刻蚀技术制备场氧化物,其作用是隔离不同的MOS管,防止它们之间的电气干扰。接下来通过氧化工艺生成栅氧化物层,这是MOS管中的氧化物部分(O)。下一步是沉积多晶硅材料,并通过光刻和刻蚀工艺形成多晶硅栅极,尽管多晶硅并非传统意义上的金属,但经过掺杂后其导电性能良好,且适合集成电路工艺,因此取代了早期的金属铝材料。随后进入源区和漏区的制作阶段,先通过光刻工艺开窗,再进行磷离子的注入,并进行退火处理以巩固结构。紧接着沉积一层磷硅酸盐玻璃(PSG)作为介质层,通过沉积和回流工艺使其表面平整,为后续的光刻步骤打下良好基础。而后,对PSG进行光刻和刻蚀处理,以形成所需的图案。接着,沉积铝硅合金作为金属连线材料,并通过光刻和刻蚀工艺制备出金属连线。最后,沉积一层氮化硅作为钝化保护层,为整个器件提供额外的保护和稳定性。

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MOS管的本征增益

在共源极放大器配置下,晶体管所能展现的最大低频小信号增益,被定义为MOS管的本征增益,本征增益可表示为

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详细推导过程此处略去不述。根据该式,MOS管的本征增益与过驱动电压及沟长调制系数λ成反比关系。由于λ与MOS管的沟道长度L成反比,因此,本征增益会随着L的增大而提升。理论上,减小过驱动电压和增大L均可提升MOS管的本征增益。然而,这两个操作都会减缓MOS管的工作速度。因此,在实际电路设计中,我们需要在增益与速度之间做出权衡。这种增益与速度的平衡考量,始终是模拟集成电路设计领域的核心议题。值得注意的是,由下面的式子可知

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MOS管的本征增益在设计跨导效率时,对过驱动电压的选择原则与本征增益相似,但本征增益还额外受到沟道长度的影响。随着MOS器件特征尺寸的持续缩减,其本征增益呈现下降趋势,这对我们的设计构成了日益严峻的挑战。

此外,我们还需警惕,过低的过驱动电压可能使MOS管进入亚阈值区域,该区域内MOS管的工作特性与饱和区大相径庭,很多相关公式和理论将不再适用。

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