原创 MIS器件

　　以SiO2为栅介质时，叫MOS器件，这是最常使用的器件形式。历史上也出现过以Al2O3为栅介质的MAS器件和以Si3N4为栅介质的MNS器件，以及以SiO2+Si3N4为栅介质的MNOS器件，统称为金属-绝缘栅-半导体器件--MIS器件。

　　以Al为栅电极时，称铝栅器件。以重掺杂多晶硅(Poly-Si)为栅电极时，称硅栅器件。它是当前MOS器件的主流器件。硅栅工艺是利用重掺杂的多晶硅来代替铝做为MOS管的栅电极，使MOS电路特性得到很大改善，它使VTP下降1.1V，也容易获得合适的VTN值并能提高开关速度和集成度。

　　硅栅工艺具有自对准作用，这是由于硅具有耐高温的性质。栅电极，更确切的说是在栅电极下面的介质层，是限定源、漏扩散区边界的扩散掩膜，使栅区与源、漏交迭的密勒电容大大减小，也使其它寄生电容减小，使器件的频率特性得到提高。另外，在源、漏扩散之前进行栅氧化，也意味着可得到浅结。 selfalignedpoly-siliconprocess自对准多晶硅工艺

　　铝栅工艺为了保证栅金属与漏极铝引线之间有一定的间隔，要求漏扩散区面积要大些。而在硅栅工艺中覆盖源漏极的铝引线可重迭到栅区，这是因为有一绝缘层将栅区与源漏电极引线隔开，从而可使结面积减少30%~40%。

　　硅栅工艺还可提高集成度，这不仅是因为扩散自对准作用可使单元面积大为缩小，而且因为硅栅工艺可以使用“二层半布线”即一层铝布线，一层重掺杂多晶硅布线，一层重掺杂的扩散层布线。由于在制作扩散层时，多晶硅要起掩膜作用，所以扩散层不能与多晶硅层交叉，故称为两层半布线．铝栅工艺只有两层布线：一层铝布线，一层扩散层布线。硅栅工艺由于有两层半布线，既可使芯片面积比铝栅缩小50%又可增加布线灵活性。

　　当然，硅栅工艺较之铝栅工艺复杂得多，需增加多晶硅淀积、等离子刻蚀工序，而且由于表面层次多，台阶比较高，表面断铝，增加了光刻的困难，所以又发展了以Si3N4作掩膜的局部氧化LOCOS--Localoxidationonsilicon (又称为MOSIC的局部氧化隔离工艺LocalOxidationIsolationforMOSIC)，或称等平面硅栅工艺。

　　扩散条连线由于其电容较大，漏电流也较大，所以尽量少用，一般是将相应管子的源或漏区加以延伸而成。扩散条也用于短连线，注意扩散条不能跨越多晶硅层，有时把这层连线称为“半层布线”。因硼扩散薄层电阻为30～120Ω/□，比磷扩散的R□大得多，所以硼扩散连线引入的分布电阻更为可观，扩散连线的寄生电阻将影响输出电平是否合乎规范值，同时也因加大了充放电的串联电阻而使工作速度下降。因此，在CMOS电路中，当使用硼扩散条做连线用时要考虑到这一点。

　　当在NMOS的栅上施加相对于源的正电压VGS时，栅上的正电荷在P型衬底上感应出等量的负电荷，随着VGS的增加，衬底中接近硅-二氧化硅界面的表面处的负电荷也越多。其变化过程如下：当VGS比较小时，栅上的正电荷还不能使硅-二氧化硅界面处积累可运动的电子电荷，这是因为衬底是P型的半导体材料，其中的多数载流子是正电荷空穴，栅上的正电荷首先是驱赶表面的空穴，使表面正电荷耗尽，形成带固定负电荷的耗尽层。

　　这时，虽然有VDS的存在，但因为没有可运动的电子，所以，并没有明显的源漏电流出现。增加VGS，耗尽层向衬底下部延伸，并有少量的电子被吸引到表面，形成可运动的电子电荷，随着VGS的增加，表面积累的可运动电子数量越来越多。这时的衬底负电荷由两部分组成：表面的电子电荷与耗尽层中的固定负电荷。如果不考虑二氧化硅层中的电荷影响，这两部分负电荷的数量之和等于栅上的正电荷的数量。当电子积累达到一定水平时，表面处的半导体中的多数载流子变成了电子，即相对于原来的P型半导体，具有了N型半导体的导电性质，这种情况称为表面反型。

　　根据晶体管理论，当NMOS晶体管表面达到强反型时所对应的VGS值，称为NMOS晶体管的阈值电压VTN(ThresholdvoltageforN-channeltransistor)。这时，器件的结构发生了变化，自左向右，从原先的n+-p-n+结构，变成了n+-n-n+结构，表面反型的区域被称为沟道区。在VDS的作用下，N型源区的电子经过沟道区到达漏区，形成由漏流向源的漏源电流。显然，VGS的数值越大，表面处的电子密度越大，相对的沟道电阻越小，在同样的VDS的作用下，漏源电流越大。

　　当VGS大于VTN，且一定时，随着VDS的增加，NMOS的沟道区的形状将逐渐的发生变化。在VDS较小时，沟道区基本上是一个平行于表面的矩形，当VDS增大后，相对于源端的电压VGS和VDS在漏端的差值VGD逐渐减小，并且因此导致漏端的沟道区变薄，当达到VDS=VGS-VTN时，在漏端形成了VGD=VGS-VDS=VTN的临界状态，这一点被称为沟道夹断点，器件的沟道区变成了楔形，最薄的点位于漏端，而源端仍维持原先的沟道厚度。器件处于VDS=VGS-VTN的工作点被称为临界饱和点。

　　在逐渐接近临界状态时，随着VDS的增加，电流的变化偏离线性，NMOS晶体管的电流-电压特性发生弯曲。在临界饱和点之前的工作区域称为非饱和区，显然，线性区是非饱和区中VDS很小时的一段。继续在一定的VGS条件下增加VDS(VDS>VGS-VTN)，在漏端的导电沟道消失，只留下耗尽层，沟道夹断点向源端趋近。由于耗尽层电阻远大于沟道电阻，所以这种向源端的趋近实际上位移值?L很小，漏源电压中大于VGS-VTN的部分落在很小的一段由耗尽层构成的区域上，有效沟道区内的电阻基本上维持临界时的数值。因此，再增加源漏电压VDS，电流几乎不增加，而是趋于饱和。

　　这时的工作区称为饱和区，左图显示了器件处于这种状态时的沟道情况，右图是完整的NMOS晶体管电流—电压特性曲线。图中的虚线是非饱和区和饱和区的分界线，VGS<VTN的区域为截止区。

　　事实上，由于?L的存在，实际的沟道长度L将变短，对于L比较大的器件，?L/L比较小，对器件的性能影响不大，但是，对于短沟道器件，这个比值将变大，对器件的特性产生影响。器件的电流-电压特性在饱和区将不再是水平直线的性状，而是向上倾斜，也就是说，工作在饱和区的NMOS器件的电流将随着VDS的增加而增加。这种在VDS作用下沟道长度的变化引起饱和区输出电流变化的效应，被称为沟道长度调制效应。衡量沟道长度调制的大小可以用厄莱(Early)电压VA表示，它反映了饱和区输出电流曲线上翘的程度。受到沟道长度调制效应影响的NMOS伏-安特性曲线如图所示。

　　双极性晶体管的输出特性曲线形状与MOS器件的输出特性曲线相似，但线性区与饱和区恰好相反。MOS器件的输出特性曲线的参变量是VGS，双极性晶体管的输出特性曲线的参变量是基极电流IB。

　　衡量沟道长度调制的大小可以用厄莱(Early)电压VA表示，它反映了饱和区输出电流曲线上翘的程度。