MOSFET场效应晶体管设计基础

基本结构（0和1的定义）

MOSFET是金属氧化物半导体场效应晶体管（Metallic Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）的简称，有时候我们也会简写成MOS。下面是一个典型的MOSFET结构。

所有MOSFET都有4个端口，栅极（Gate）、漏极（Drain）、源极（Source）以及衬底（Substrate）。一般来说衬底与源极可以连在一起，或接近于一个电势，所以画图时，我们有时候会省去衬底。

以上晶体管的剖面图，MOS晶体管的源和漏从结构上是对称的，由所接的电压决定是源还是漏。栅下面源和漏之间的地方称为沟道，源和漏之间的距离为沟道的长度（L，channel length），而与长度对应的另一边则称为沟道的宽度（W，channel width）。假设NMOS晶体管的源接地，漏接高电平，当栅电压在某个值(VT)以下，源和漏之间的沟道没有电流，晶体管不导通。当栅电压在某个值(VT)以上，源和漏之间的沟道反型，源区的电子被漏极的正电吸引产生电流，晶体管导通，电流从漏极流向源极。某个值（VT）则被称为阈值电压（Threshould Voltage）。

从MOS晶体管的工作原理看，通过控制栅极电压，可以打开或关闭漏极与源极之间的电流通道，这就是MOS管的开关特性。而数字电路的逻辑0与逻辑1的转换，也就可以利用这个开关特性来实现了。

一般来说我们将分别将接在栅极（Gate）、漏极（Drain）和源极（Source）的电压称为VG、VD以及VS。漏极与源极的电压差叫做VDS，栅极与源极的电压差叫做VGS。

NMOS与PMOS

根据注入掺杂不同，可以分为NMOS和PMOS。如果掺杂后为n+的器件，导通后主要以电子流动产生电流沟道，所以被称为n-channel mosfet，简称NMOS。如果掺杂后为p+的器件，导通后主要以空穴流动产生电流沟道，所以被称为p-channel mosfet，简称PMOS。

在画电路时，有很多种表示方式，都没有错。

增强型MOSFET和耗尽型MOSFET

MOSFET实际上还可以分成增强型和耗尽型。

NMOS 晶体管增强型VT>0，而耗尽型VT<0。同样，PMOS 晶体管增强型VT<0，而耗尽型VT>0。

对于数字电路设计工程师来说，基本上都是使用增强型MOSFET，耗尽型的MOSFET在早期的NMOS电路结构有用到，现在在CMOS数字集成电路设计中基本不会用了。所以本文中提到的MOSFET，只要不强调，就都是增强型MOSFET。

MOSFET的基本特性：输出特性曲线

与双极性（Bipolar）器件（如TTL）的电流控制电压不同，MOSFET的特点是利用电压控制电流，这也是数字电路设计中比较容易把握的因素之一，如果定义高电平为逻辑1，地电平为逻辑0，那么就可以利用MOSFET的特性，来管理电路中各节点的逻辑转换了。

但如果我们只知道MOSFET的开关特性，那么实际设计电路时，就不会很好的理解功耗、面积和性能（PPA）之间的关系。所以作为一个数字电路设计工程师，最好还是了解一下MOSFET的输出特性曲线图，也就是电压控制电流的基本原理。

这里先看NMOS的输出特性曲线图，横轴是漏极与源极之间的压差VDS，纵轴是漏极流向源极的电流ID，不同的曲线表示不同VGS（栅极与源极的压差）的输出特性曲线。可以看到，MOSFET的工作区域可以分为截止区（off region）、非饱和区或线性区（un-satuation or linear region）、饱和区（satuation region）以及击穿区（Breakdown region）。

无论VDS是多少，只要VGS

当VGS>=VT时，沟道产生，如果此时VDS

当VGS>=VT时，沟道产生，同时VDS>=VGS-VT，那么随着VDS的增加，沟道内的电流ID，基本不会再随之增加，处于饱和状态，所以这个区域被称之为饱和区。

当VDS大于源漏的击穿电压时，器件发生击穿，则进入击穿区。

PMOS与NMOS的传输特性曲线类似，但正好落在第三象限，也就是电压及电流的的方向刚好相反：

以上曲线满足的公式如下，其中因为PMOS的电流和电压刚好为负数，其实只要取绝对值就可以了：

公式中：

ε0表示真空介质电容率，8.85e-14f/cm

εi表示栅介质相对介电常数

τ表示栅介质厚度

由这三个参数组成的Cox表示为单位面积栅氧化层电容，对于同一工艺来说，是基本不变的。

W表示MOSFET的沟道宽度，L表示MOSFET的沟道长度。所以要提高驱动电流，无论是饱和还是不饱和状态下，一个较大的宽长比是非常重要的。这就像过马路，假设每个人（电子/空穴）过马路的速度一样，那么马路两边的距离（channel length）越短单位时间内能过马路的人就越多。同样的，如果马路越宽（channel width），同时过马路的人越多，单位时间内能够通过马路的人也就越多了越多。

罗马字母μ，表示电子或空穴迁移率（mobility）。需要注意的是，NMOS是电子的迁移率，而PMOS是空穴的迁移率，一般来说在同一个工艺下，NMOS的电子迁移率是PMOS的空穴迁移率的2~3倍，这个数据比较重要，将直接影响后续门电路的设计。

MOSFET的电阻特性

电阻特性可以看成输入电压与电流之间的比值变化，因此对于一个MOSFET来说，输入电压即为VGS，如果将VS看成0V，则VG为输入电压，电阻特性可以看作VG与电流的关系，比方说如下电路为VGS=VDS，则，所以VG与ID之间的曲线关系画在电路边上：

也因此MOSFET可以被看成是一个Active Resistance（动态电阻）。

道法自然，追求平衡

数字电路设计工程师，基本上掌握MOSFET的输出特性传输曲线及其公式中各参数的比例，就可以了，不是一定要非常了解其原理。

因为电流的大小，决定了电容充电的速度，也就是逻辑电平翻转的速度，当然也就决定了电路工作频率的高低。同时电流越大，则电路运行过程中产生的功耗越大。所以如果希望通过增加宽长比来获得更高的工作频率和性能，势必增加功耗与面积。

另一个方面，从公式看来，对电容充放电时，MOSFET基本处于饱和区，供电电压的降低，是减少功耗非常有效的方法，但由于VT大体不变，所以电流的降低又会进一步影响工作频率。

由此可见，在芯片设计中我们会有一个定律，那就是当功能不变的情况下，成本、性能和功耗（PPA）会相互制约，此消彼长。所以一个好的数字集成电路工程师，不会追求极致，而是根据应用需要，选择往三角形的那一边偏移，寻求一个平衡点。这与道是一致的。

摩尔定律带来了什么？

摩尔定律直接的表现，就是工艺尺寸的优化，从0.18um，到0.13um，到90nm，到65（后来又shrink到55nm），再往后，一直到当前的3nm（实际沟道长度据说还是5nm）。

首先由工艺尺寸优化带来的最明显的变化，就是当功能不变时，MOS尺寸减小，面积减少，成本得到优化，单位面积上晶体管数量也就可以增加了：

一般来说，每一个世代（generation）的最小线条尺寸，都是上一个世代的70%，比如0.18um是0.25um的70%，65nm是90nm的70%，这样做从面积上说，刚好是上一个世代的50%，也就是缩小一半。这就是代工厂每18个月要更新一个世代的原因，为了满足摩尔定律。

回到尺寸减小带来的面积减小。由于线条尺寸越来越小，沟道长度（channel length）也越来越小，氧化层厚度降低，由此带来一个问题，那就是击穿电压也降低了，为此只能降低供电电压（VDS和VGS降低）。虽然VT也随着降低，但仍然是影响工作频率的主要因素。当然动态功耗得到优化。

其次，氧化层厚度减小，会带来越来越大的漏电电流，为了控制漏电电流，还是需要调整器件结构，提高VT。降低供电，提高VT，再次降低的工作频率，只得通过增加宽长比，用面积换取一定的性能。

不可否认，半导体制造工艺尺寸的降低，跟摩尔定律说的差不多，会带来面积的减少，性能的提高，但并不是线性的。随着线条越来越小，摩尔定律也逐步不听使唤，就算减少线条尺寸，但带来的收益并不是很高，同时还增加了大量的制造成本。所以业界逐步以应用更新替代摩尔定律，号称more than moore或者advanced moore，且一次又一次的被重新定义。

本文的限制

本文中的公式和大部分介绍，都是基于尺寸较大的工艺制程，且使用简单模型。实际设计中，还有很多需要考虑的问题，只是大方向不变。

随着工艺制程的进化，22nm以下，从16nm开始，MOSFET结构就从平面结构转向纵向结构了，本文只是通过传统的平面结构MOS管，做科普，这对于初入设计的前端工程师来说，已经可以用了。

FinFET

FinFET全称Fin Field-Effect Transistor，中文名叫鳍式场效应晶体管，是一种新的互补式金氧半导体晶体管。FinFET命名根据晶体管的形状与鱼鳍的相似性。

FinFET从16nm工艺开始出现，是一种纵向结构器件，与平面器件不同的是，栅极在两边夹住晶体管，使得沟道长度不变的情况下，沟道宽度增加了一倍，且从生产工艺上，更容易控制尺寸，规避了平面结构制造工艺上的缺陷。

GAAFET

GAAFET是（Gate-all-around FETs）采用的是纳米线沟道设计，沟道整个外轮廓都被栅极完全包裹，代表栅极对沟道的控制性更好。相比之下，传统的FinFET 沟道仅3 面被栅极包围。GAAFET 架构的晶体管提供比FinFET 更好的静电特性，可满足某些栅极宽度的需求。这主要表现在同等尺寸结构下，GAA 的沟道控制能力强化，尺寸可以进一步微缩。

现在主要在3nm工艺下使用。

实际上GAAFET 有两种结构，一种是使用纳米线（Nanowire）作为电子晶体管鳍片的常见 GAAFET；另一种则是以纳米片（Nanosheet）形式出现的较厚鳍片的多桥通道场效应管 MBCFET，这两种方式都差不多。

其中 MBCFET 相比纳米线技术拥有更大的栅极接触面积，从而在性能、功耗控制上会更加出色。传统的 GAAFET 工艺采用三层纳米线来构造晶体管，栅极比较薄，而MBCFET工艺使用纳米片构造晶体管，可以提供更低的工作电压、更高的电流效率（即驱动电流能力）和高度的设计灵活性。虽然MBCFET易于生产，且能承载更大电流，但栅控能力不够纳米线强。

现在国内在立体结构器件制造工艺上与国外还有较大的差距，而从16nm到3nm还有4个世代，如果按照摩尔定律来算，理想状态下，我们想达到国外的3nm工艺量产，还要6年。这6年，国外的技术又会发展到哪里？