一、 歷史：

 

真空管的發(fā)明開(kāi)創(chuàng)了電子工業(yè)。這些裝置將控制真空中電子的流動(dòng)。但是，在第二次世界大戰(zhàn)之后，人們發(fā)現(xiàn)由于大量的分立元件，這些器件的復(fù)雜性和功耗都在顯著增加。結(jié)果，這些設(shè)備的性能會(huì)持續(xù)下降。其中一個(gè)例子是波音B-29，在戰(zhàn)爭(zhēng)期間，它將由300-1000個(gè)真空管組成。每增加一個(gè)部件都會(huì)降低可靠性并增加故障排除時(shí)間。

 

1947年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的約翰·巴登、威廉·肖克利和沃特·布拉坦公布了第一臺(tái)工作正常的點(diǎn)接觸鍺晶體管，這是一項(xiàng)重大突破。1950年，肖克利發(fā)明了第一個(gè)雙極結(jié)晶體管（BJT）。與真空管相比，晶體管更可靠、更省電、體積更小。晶體管是一個(gè)三端器件，可以看作是一個(gè)電控開(kāi)關(guān)。其中一個(gè)終端充當(dāng)控制終端。理想情況下，如果電流被施加到控制終端上，則該設(shè)備將充當(dāng)兩個(gè)終端之間的閉合開(kāi)關(guān)，而這兩個(gè)終端則表現(xiàn)為一個(gè)開(kāi)路開(kāi)關(guān)。1958年，德克薩斯儀器公司的杰克·基爾比制造了第一個(gè)集成電路，由兩個(gè)雙極晶體管連接在一塊硅上，由此開(kāi)創(chuàng)了“硅時(shí)代”。早期的集成電路使用雙極結(jié)晶體管。BJT的一個(gè)缺點(diǎn)是由于較大的靜態(tài)功耗。這意味著即使在電路沒(méi)有開(kāi)的情況下，電能也會(huì)被消耗掉。這限制了可以集成到單個(gè)硅芯片中的晶體管的最大數(shù)量。

 

1963年，F(xiàn)airchild的frankwanlass和C.T.Sah公布了第一個(gè)邏輯門(mén)，其中n溝道和p溝道晶體管被用在互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路結(jié)構(gòu)中。這就是今天所說(shuō)的CMOS。它的靜態(tài)功耗幾乎為零。

 

早期的集成電路使用NMOS技術(shù)，因?yàn)镹MOS工藝相當(dāng)簡(jiǎn)單，成本較低，而且與CMOS技術(shù)相比，可以將更多的器件封裝到單個(gè)芯片中。第一個(gè)微處理器是由英特爾公司在1971年宣布的。

 

由于NMOS晶體管的靜態(tài)功耗要比CMOS大得多，上世紀(jì)80年代，成千上萬(wàn)的晶體管被集成到一個(gè)芯片上，集成電路的功耗成為一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。由于低功耗、性能可靠、速度快等特點(diǎn)，CMOS技術(shù)將在幾乎所有的數(shù)字應(yīng)用中采用并取代NMOS和雙極技術(shù)。

 

在接下來(lái)的幾年里，隨著芯片封裝密度和微電子產(chǎn)品的性能成本比的進(jìn)一步提高，CMOS的規(guī)?；凸に嚰夹g(shù)的改進(jìn)使電路速度不斷提高。

 

在這里，我們討論體硅CMOS技術(shù)，縮放的必要性和重要性，他們的各種影響和相關(guān)的解決方案。我們還討論了晶體管材料和任何先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)中使用的新材料的物理縮放限制。如今，由于在32nm以下的技術(shù)節(jié)點(diǎn)遇到了各種限制，業(yè)界正在從使用規(guī)劃器晶體管技術(shù)開(kāi)始。我們討論了新的器件結(jié)構(gòu)：SOI和FinFET取代了planner體晶體管。

 

二 MOSFET器件概述：

 

在這里，我們首先討論CMOS核心單元MOSFET或簡(jiǎn)單MOS的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和重要術(shù)語(yǔ)。第一個(gè)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(dǎo)體用作襯底。因此，這種器件被命名為MOS晶體管。場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）這個(gè)名字是指當(dāng)一個(gè)電場(chǎng)通過(guò)柵極氧化物時(shí)，由晶體管打開(kāi)和關(guān)閉柵極。

 

MOS結(jié)構(gòu)：

 

根據(jù)導(dǎo)電溝道的類(lèi)型，可以看出兩種MOS結(jié)構(gòu)：n溝道MOS和p溝道MOS。在這里，我們將只概述NMOS晶體管，因?yàn)檫@兩個(gè)晶體管本質(zhì)上是互補(bǔ)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(jié)構(gòu)。NMOS晶體管形成在p型硅襯底（也稱(chēng)為主體）上。在裝置的頂部中心部分，形成一個(gè)低阻電極，該電極通過(guò)絕緣體與主體分離。通常采用n型或p型重?fù)诫s的多晶硅作為柵極材料。在這里，二氧化硅（二氧化硅或簡(jiǎn)單的氧化物）被用作絕緣體。通過(guò)將施主雜質(zhì)注入襯底的兩側(cè)，形成源和漏。在圖1中，這些區(qū)域用n+表示，表示施主雜質(zhì)的重?fù)诫s。這種重?fù)诫s導(dǎo)致這些區(qū)域的低電阻率。

 

如果兩個(gè)n+區(qū)在不同的電位下偏壓，低電位的n+區(qū)將作為源區(qū)，而另一個(gè)區(qū)將作為漏區(qū)。因此，漏極和源極可以根據(jù)施加在它們上的電位互換。源極和漏極之間的區(qū)域被稱(chēng)為寬度為W，長(zhǎng)度為L(zhǎng)的溝道，它在決定MOS晶體管的特性方面起著重要的作用。

 

 

MOS工作原理：

 

對(duì)于MOS晶體管，柵極電壓決定漏極和源極之間的電流是否會(huì)流動(dòng)。讓我們進(jìn)一步看。當(dāng)一個(gè)足夠正的Vgs電壓施加到nmo的柵極上時(shí)，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(shù)載流子，即襯底上的空穴，留下負(fù)電荷受體離子，形成耗盡區(qū)。如果我們進(jìn)一步增加Vgs，在某個(gè)電位水平上，它甚至?xí)贡砻嫖娮?。因此，大量的電子被吸引到表面。這種情況被稱(chēng)為反型，因?yàn)閜型襯底的表面通常有大量的空穴，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。由于漏極電位比源極電位更為正，因此與源側(cè)相比，漏體間的反向偏壓更大，導(dǎo)致漏極區(qū)下的耗盡層更深。

 

當(dāng)正電位通過(guò)漏極施加到源極時(shí)，電子從源極流過(guò)導(dǎo)電通道，并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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