模擬IC入門：MOS器件物理基礎(chǔ)知識

在學(xué)習(xí)MOS特性前，需要對器件物理中的一些基礎(chǔ)特性進行了解：

擴散運動 ：由熱運動引起的隨機運動，一般由高濃度向低濃度轉(zhuǎn)移，直到均勻分布。

漂移運動 ：電場作用下載流子的單向運動。

PN結(jié)概念（以硅載體為例）：

P型硅中多子為空穴，少子為電子；N型硅中多子為電子，少子為空穴；
P型硅和N型硅相互接觸形成一個結(jié)，由擴散運動（P型硅中的空穴轉(zhuǎn)移到N型硅中，這部分空穴對于N型硅而言是過量少子；同理N型硅中的電子轉(zhuǎn)移到P型硅中，這部分電子對于P型硅而言是過量少子）導(dǎo)致的過量少子會形成一個電勢差，并產(chǎn)生電場。
由于電場的存在，載流子會發(fā)生漂移運動，P型硅中的空穴被吸引到電位為負的P結(jié)處，N型硅中的電子被吸引到電位為正的N結(jié)處。這樣，當漂移電流和擴散電流大小相等，方向相反時就建立了平衡的PN結(jié)。此時的PN結(jié)電壓稱為內(nèi)建電勢差，或接觸電壓。
由于內(nèi)在電場，進入該區(qū)域的載流子必然會加速通過，所以該區(qū)域內(nèi)電子和空穴都很稀少，又稱耗盡層、勢壘區(qū)、空間電荷區(qū)、阻擋層。

MOS簡介

1、常見MOS符號

區(qū)分PMOS和NMOS：小箭頭方向表示電流方向（也是PN結(jié)方向），PMOS是電流流進器件，NMOS是電流流出器件。

2、常見MOS剖面結(jié)構(gòu)

上圖是NMOS(左)和PMOS(右)的剖面結(jié)構(gòu)，低壓的MOS一般是一個四端器件，常規(guī)的CMOS工藝都是制作在P-substrate上，且器件是對稱的，源漏可以互換。（隔離管和中高壓管結(jié)構(gòu)特殊，之后會做介紹）

對于上圖可以看出襯底B的電位對器件特性有很大影響，正常使用時，必須保證源/漏結(jié)的二極管反偏，所以NMOS的襯底必須接低電位，PMOS的襯底B必須接高電位，否則都會有對襯底的漏電。

Q&A：為什么CMOS工藝中的基底大多都是P型，而不是N型？

設(shè)計角度：（設(shè)計簡單）

在N溝道中參與導(dǎo)電的是電子，而在P溝道中參與導(dǎo)電的是空穴，在單位電場強度下電子的遷移率遠遠大于空穴的遷移率，即N溝道的導(dǎo)電性能要比P溝道的導(dǎo)電性能好。因此N溝道場效應(yīng)管的導(dǎo)通速度或工作頻率要遠遠高于P溝道場效應(yīng)管。

另外如果基底是P型，為保證源/漏結(jié)反偏，P-sub只用接到GND就可以，而如果基底是N型，N-sub必須接到系統(tǒng)的最高電位，而在SOC中常會用到不同的源，1.8V、3.3V、5V等，無法保證某些情況下最高的源被使用到，會比較麻煩。

工藝角度：（成本便宜）

P型半導(dǎo)體是在單晶硅（或鍺）中參入微量的三價元素，如：硼、銦、鎵或鋁等；N型半導(dǎo)體是在單晶硅（或鍺）中參入微量的五價元素，如：磷、銻、砷等。P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體，在材料成本方面應(yīng)該差別不是很大，但要把它做成一個電子產(chǎn)品，在生產(chǎn)工藝方面會存在很大的差異。

例如，用本征鍺材料制作PNP晶體管相對于用本征鍺材料制作NPN晶體管容易很多，因為銦與鍺比較容易結(jié)合（擴散）；同樣，用本征硅材料制作NPN晶體管，相對于用本征硅材料制作PNP管要容易很多。

MOS工藝制程

1）氧化

在硅晶圓的表面氧化生長一層SiO2 ;氧化物的厚度用tox表示; SiO2是絕緣層，起隔離保護作用；SiO2有56%生長在表面，44%生長在表面之下；