一
、 曆史：

 

真(zhen)空(kong)管(guan)的(de)發(fa)明(ming)開(kai)創(chuang)了(le)電(dian)子(zi)工(gong)業(ye)。這(zhe)些(xie)裝(zhuang)置(zhi)將(jiang)控(kong)製(zhi)真(zhen)空(kong)中(zhong)電(dian)子(zi)的(de)流(liu)動(dong)。但(dan)是(shi)
，在(zai)第(di)二(er)次(ci)世(shi)界(jie)大(da)戰(zhan)之(zhi)後(hou)，人(ren)們(men)發(fa)現(xian)由(you)於(yu)大(da)量(liang)的(de)分(fen)立(li)元(yuan)件(jian)，這(zhe)些(xie)器(qi)件(jian)的(de)複(fu)雜(za)性(xing)和(he)功(gong)耗(hao)都(dou)在(zai)顯(xian)著(zhu)增(zeng)加(jia)。結(jie)果(guo)，這(zhe)些(xie)設(she)備(bei)的(de)性(xing)能(neng)會(hui)持(chi)續(xu)下(xia)降(jiang)。其(qi)中(zhong)一(yi)個(ge)例(li)子(zi)是(shi)波(bo)音(yin)B-29，在戰爭期間
，它將由300-1000個真空管組成。每增加一個部件都會降低可靠性並增加故障排除時間。

 

1947年
，貝爾實驗室的約翰·巴登、威廉·肖克利和沃特·布拉坦公布了第一台工作正常的點接觸鍺晶體管
，這是一項重大突破。1950年
，肖克利發明了第一個雙極結晶體管（BJT）。與真空管相比，晶體管更可靠、更省電、體(ti)積(ji)更(geng)小(xiao)。晶(jing)體(ti)管(guan)是(shi)一(yi)個(ge)三(san)端(duan)器(qi)件(jian)，可(ke)以(yi)看(kan)作(zuo)是(shi)一(yi)個(ge)電(dian)控(kong)開(kai)關(guan)。其(qi)中(zhong)一(yi)個(ge)終(zhong)端(duan)充(chong)當(dang)控(kong)製(zhi)終(zhong)端(duan)。理(li)想(xiang)情(qing)況(kuang)下(xia)，如(ru)果(guo)電(dian)流(liu)被(bei)施(shi)加(jia)到(dao)控(kong)製(zhi)終(zhong)端(duan)上(shang)，則(ze)該(gai)設(she)備(bei)將(jiang)充(chong)當(dang)兩(liang)個(ge)終(zhong)端(duan)之(zhi)間(jian)的(de)閉(bi)合(he)開(kai)關(guan)，而(er)這(zhe)兩(liang)個(ge)終(zhong)端(duan)則(ze)表(biao)現(xian)為(wei)一(yi)個(ge)開(kai)路(lu)開(kai)關(guan)。1958年，德克薩斯儀器公司的傑克·基爾比製造了第一個集成電路
，由兩個雙極晶體管連接在一塊矽上
，由此開創了“矽時代”。早期的集成電路使用雙極結晶體管。BJT的de一yi個ge缺que點dian是shi由you於yu較jiao大da的de靜jing態tai功gong耗hao。這zhe意yi味wei著zhe即ji使shi在zai電dian路lu沒mei有you開kai的de情qing況kuang下xia，電dian能neng也ye會hui被bei消xiao耗hao掉diao。這zhe限xian製zhi了le可ke以yi集ji成cheng到dao單dan個ge矽gui芯xin片pian中zhong的de晶jing體ti管guan的de最zui大da數shu量liang。

 

1963年
，Fairchild的frankwanlass和C.T.Sah公布了第一個邏輯門，其中n溝道和p溝道晶體管被用在互補對稱電路結構中。這就是今天所說的CMOS。它的靜態功耗幾乎為零。

 

早期的集成電路使用NMOS技術，因為NMOS工藝相當簡單
，成本較低
，而且與CMOS技術相比
，可以將更多的器件封裝到單個芯片中。第一個微處理器是由英特爾公司在1971年宣布的。

 

由於NMOS晶體管的靜態功耗要比CMOS大得多，上世紀80年代，成千上萬的晶體管被集成到一個芯片上，集成電路的功耗成為一個嚴重的問題。由於低功耗、性能可靠
、速度快等特點
，CMOS技術將在幾乎所有的數字應用中采用並取代NMOS和雙極技術。

 

在接下來的幾年裏
，隨著芯片封裝密度和微電子產品的性能成本比的進一步提高，CMOS的規模化和工藝技術的改進使電路速度不斷提高。

 

在這裏
，我們討論體矽CMOS技ji術shu，縮suo放fang的de必bi要yao性xing和he重zhong要yao性xing
，他ta們men的de各ge種zhong影ying響xiang和he相xiang關guan的de解jie決jue方fang案an。我wo們men還hai討tao論lun了le晶jing體ti管guan材cai料liao和he任ren何he先xian進jin技ji術shu節jie點dian中zhong使shi用yong的de新xin材cai料liao的de物wu理li縮suo放fang限xian製zhi。如ru今jin，由you於yu在zai32nm以下的技術節點遇到了各種限製，業界正在從使用規劃器晶體管技術開始。我們討論了新的器件結構：SOI和FinFET取代了planner體晶體管。

 

二 MOSFET器件概述：

 

在這裏，我們首先討論CMOS核心單元MOSFET或簡單MOS的基本結構
、工作原理和重要術語。第一個成功的MOS晶體管將使用金屬作為柵極材料
，SiO2（氧化物）用作絕緣體，半導體用作襯底。因此，這種器件被命名為MOS晶體管。場效應晶體管（FET）這個名字是指當一個電場通過柵極氧化物時，由晶體管打開和關閉柵極。

 

MOS結構：

 

根據導電溝道的類型，可以看出兩種MOS結構：n溝道MOS和p溝道MOS。在這裏
，我們將隻概述NMOS晶體管
，因為這兩個晶體管本質上是互補的。

 

MOS晶體管是一種具有終端漏極、源極
、柵極和襯底的四端器件。圖1顯示了NMOS的三維結構。NMOS晶體管形成在p型矽襯底（也稱為主體）上。在裝置的頂部中心部分，形成一個低阻電極，該電極通過絕緣體與主體分離。通常采用n型或p型重摻雜的多晶矽作為柵極材料。在這裏，二氧化矽（二氧化矽或簡單的氧化物）被用作絕緣體。通過將施主雜質注入襯底的兩側，形成源和漏。在圖1中，這些區域用n+表示
，表示施主雜質的重摻雜。這種重摻雜導致這些區域的低電阻率。

 

如果兩個n+區在不同的電位下偏壓，低電位的n+區將作為源區
，而另一個區將作為漏區。因此，漏極和源極可以根據施加在它們上的電位互換。源極和漏極之間的區域被稱為寬度為W，長度為L的溝道，它在決定MOS晶體管的特性方麵起著重要的作用。

 

 

MOS工作原理：

 

對於MOS晶體管，柵極電壓決定漏極和源極之間的電流是否會流動。讓我們進一步看。當一個足夠正的Vgs電壓施加到nmo的柵極上時，正電荷被放置在柵極上
，如圖3所示。這些正電荷將排斥p型襯底的多數載流子

，即襯底上的空穴，留下負電荷受體離子，形成耗盡區。如果我們進一步增加Vgs，在某個電位水平上，它甚至會使表麵吸引電子。因此，大量的電子被吸引到表麵。這種情況被稱為反型，因為p型襯底的表麵通常有大量的空穴，而溝道中有大量的電子。

 

漏極到襯底和源極到襯底保持反向偏壓。在圖2中，源到體保持零偏差。由於漏極電位比源極電位更為正，因此與源側相比
，漏體間的反向偏壓更大
，導致漏極區下的耗盡層更深。

 

當正電位通過漏極施加到源極時，電子從源極流過導電通道，並從漏極形成電流流出。因此，正電流Id從漏極流向源。

 

圖2 NMOS晶體管的反型層

 

 

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