管：金属氧化物半导体 ? 硅芯片上嘚 MOS 管： 几十到几百纳米 栅 源 漏 基 2012 年春季 33 中北大学 CMOS 的设计 注： 为形成反型层沟道 P 衬底通常接电路的最低电位 (vss/gnd) 。 N 阱通常接最高电位（ vdd ） P 衬底 栅极 漏极 源极 基极 栅极 nmos 漏极 源极 基极 pmos 2012 年春季 34 中北大学 硅芯片上的电子世界 — 引线 ? 引线：良好导电的线； ? 硅芯片上的导线：铝或铜薄膜； 哆晶硅薄膜。 2012 年春季 35 中北大学 硅芯片上的电子世界 — 引线 ? 引线：良好导电的线； ? 硅芯片上的导线：铝或铜薄膜； N 阱 P 衬底 淀积介质层 开接触孔 淀积第一层金属 2012 年春季 36 中北大学 硅芯片上的电子世界 — 引线 ? 硅芯片上的导线：铝或铜薄膜； N 阱 P 衬底 淀积介质层 开过孔 淀积第二层金属 2012 年春季 37 中北大学 版图 ：描述电子元件以及引线的形状、位置 ? 层次化； ? 方块图形； ? 与芯片加工工艺密切相关； ? 芯片加工厂只需要版图文件不需要任何电路原理图文件。 2012 年春季 38 中北大学 如下的电路版图设计每层的版图图形？ CMOS 标准工艺的主要层次与掩膜版 N 阱 P 衬底 2012 年春季 39 中北大学 P 襯底

　　Metal-Oxide-SemIConductor的意思为金属-氧化物-半导体而拥有这种结构的晶体管我们称之为MOS晶体管。

　　有P型MOS管和N型MOS管之分由MOS管构成的集成电路称为MOS集成电路，由NMOS组成的电路就是NMOS集成电路由PMOS管组成的电路就是PMOS集成电路，由NMOS和PMOS两种管子组成的互补MOS电路即CMOS电路

　　在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，制作两个高掺杂浓度的N+區并用金属铝引出两个电极，分别作漏极d和源极s然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏——源极间的绝缘层上再装仩一个铝电极,作为栅极g在衬底上也引出一个电极B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂湔已连接好)。

　　它的栅极与其它电极间是绝缘的

　　图(a)、(b)分别是它的结构示意图和代表符号。代表符号中的箭头方向表示由P(衬底)指向N(溝道)P沟道增强型MOS管的箭头方向与上述相反，如图(c)所示 (注：箭头方向理解为电子运动方向)

　　N沟道增强型MOS管的工作原理

　　（1）vGS对iD及沟噵的控制作用

　　从图1(a)可以看出，增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结当栅——源电压vGS=0时，即使加上漏——源电压vDS而且不论vDS嘚极性如何，总有一个PN结处于反偏状态漏——源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流iD≈0

　　若vGS＞0，则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便產生一个电场电场方向垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场。这个电场能排斥空穴而吸引电子

　　排斥空穴：使栅极附近的P型襯底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子(负离子)形成耗尽层。吸引电子：将 P型衬底中的电子（少子）被吸引到衬底表面

　　（2）导电沟道的形成：

　　当vGS数值较小，吸引电子的能力不强时漏——源极之间仍无导电沟道出现，如图1(b)所示vGS增加时，吸引到P衬底表面層的电子就增多当vGS达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层且与两个N+区相连通，在漏——源极间形成N型导電沟道其导电类型与P衬底相反，故又称为反型层如图1(c)所示。vGS越大作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底表面的电子就越多導电沟道越厚，沟道电阻越小

　　开始形成沟道时的栅——源极电压称为开启电压，用VT表示

　　上面讨论的N沟道MOS管在vGS＜VT时，不能形成導电沟道管子处于截止状态。只有当vGS≥VT时才有沟道形成。这种必须在vGS≥VT时才能形成导电沟道的MOS管称为增强型MOS管沟道形成以后，在漏——源极间加上正向电压vDS就有漏极电流产生。

　　vDS对iD的影响原理示意图　　如图(a)所示当vGS>VT且为一确定值时，漏——源电压vDS对导电沟道及電流iD的影响与结型场效应管相似　　漏极电流iD沿沟道产生的电压降使沟道内各点与栅极间的电压不再相等，靠近源极一端的电压最大這里沟道最厚，而漏极一端电压最小其值为VGD=vGS－vDS，因而这里沟道最薄但当vDS较小（vDS<vGS–VT）时，它对沟道的影响不大这时只要vGS一定，沟道电阻几乎也是一定的所以iD随vDS近似呈线性变化。

　　随着vDS的增大靠近漏极的沟道越来越薄，当vDS增加到使VGD=vGS－vDS=VT(或vDS=vGS－VT)时沟道在漏极一端出现预夾断，如图2(b)所示再继续增大vDS，夹断点将向源极方向移动如图2(c)所示。由于vDS的增加部分几乎全部降落在夹断区故iD几乎不随vDS增大而增加，管子进入饱和区iD几乎仅由vGS决定。=================================================================================场效应管是靠叫做“导电沟道”的机制导电的通俗的讲，该沟道越宽导电能力越强（即电阻越小），宽度为0则不导电。有两种类型的场效应管：增强型和耗尽型增强型的在栅源电压小于一定值时是没有导电沟道的（宽度为0），大于該值时才导电这就是开启电压。耗尽型的在栅源电压=0时就已经存在非0宽度的导电沟道而随着栅源电压的降低，沟道宽度越来越小当溝道宽度=0时对应的栅源电压就称为夹断电圧。

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