Lecture Electrical Engineering: Lecture 27 - Dr. Nasim Zafar

COMSATS Institute of Information Technology
Virtual campus
Islamabad

Dr. Nasim Zafar
Electronics 1 ­ EEE 231
 Fall Semester – 2012


MOS Field­Effect Transistors 
MOSFETs

Lecture No. 
27
Ø
Contents:
Nasim Zafar.

2


Lecture No. 27
MOS Field­Effect Transistors 
MOSFETs
Reference:
Chapter­4.1
Microelectronic Circuits
        Adel S. Sedra and Kenneth C. Smith. 

Nasim Zafar.

3


Different Types of FETs

Ø

Junction FET (JFET)

Ø

Metal­Oxide­Semiconductor FET (MOSFET)

Ø

Metal­Semiconductor FET (MESFET)

Nasim Zafar.

4


Different Types of FETs
v

Junction FET (JFET)

The gate­channel insulator is the DEPLETION REGION, 
and is the same material as the  channel. 
Nasim Zafar.

5


Different Types of FETs

v

Metal­Oxide­Semiconductor FET (MOSFET)

The gate­channel insulator is made out of dielectric;SiO2 
Nasim Zafar.

6


Different Types of FETs
v

Metal­Semiconductor FET (MESFET)

The gate is formed by Schottky  barrier to the semiconductor layer. 
The gate­channel insulator  consists of the DEPLETION 
REGION, i.e. the same  material as the channel. Very similar to the 
JFET  
Nasim Zafar.

7

MOS (Metal­Oxide­Semiconductor)

Assume work function of metal and semiconductor are same.

Nasim Zafar.

8


Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors

MOSFET

Nasim Zafar.

9


Circuit Symbol (NMOS)
Enhancement­Type
D
ID= IS

G

B  (IB=0, should be reverse biased)

IG= 0
IS

S

Nasim Zafar.

G­Gate
D­Drain
S­Source
B­Substrate or Body

10


MOSFET 

Voltage Controlled Current Device

MOS: 
Physical 

v

Nasim Zafar.

11


Introduction
Ø

Ø

Silicon is the main choice of semiconductor used. Some 
other more common semiconductors such as GaAs are 
not useful in MOSFETs because they do not form good 
gate oxides.
In most modern MOSFETs, the gate material is heavily 
doped polycrystalline silicon, sometimes referred to as 
“polysilicon” or “poly­Si”.
–

Note that the gate is usually doped the same type as 
the source/drain, i.e. the gate and the substrate are of 
opposite types.
Nasim Zafar.

Ø

12


MOSFET­Structure 

Ø

N­Channel MOSFET
The  physical structure of the n­channel enhancement­type 
MOSFET is shown Slide 16. 

Ø

The transistor is fabricated on a p­type substance, which is a 
single­crystal silicon wafer that provides physical support for 
the device.

Ø

Two heavily doped n­type regions, are created in the substrate, 
indicated in the figure as: 
•

n+ Source (‘S’) 

•

n+ Drain (‘D’) 
Nasim Zafar.

13


MOSFET­Structure 

Enhancement Type­NMOSFET

Body
B

(bulk or 
substrate)

Gate: metal or heavily doped poly­Si
   G
IG=0 Drain
D

Source
S

y

ID=IS

IS

Metal
n+

oxide

p

n+

x
W

L
Nasim Zafar.

14

MOSFET­Physical Structure 

Figure 4.1: Cross­Section. Typically L = 0.1 to 3 µm, W = 0.2 to 100 
µm, and the thickness of the oxide layer (tox) is in the range of 2 to 50 
nm.
Nasim Zafar.

15


MOSFET­Structure (contd.) 
Ø

Ø

Ø

Ø

Ø

A thin layer of silicon dioxide (SiO2) of thickness 
tox(typically 2­50 nm) is grown on the surface of the 
substrate, covering the area between the source and drain 
regions.
Metal is deposited on top of the oxide layer to form the gate 
electrode.
Metal contacts are also made to the source region, the drain 

region, and the substrate, also known as the body.
Thus four terminals are brought out: the gate terminal (G), the 
source terminal (S), the drain terminal (D), and the substrate or 
body terminal (B). 
Nasim Zafar.
16
To minimize current flow between the substrate (or “body”) 


n­Channel MOSFET –p Channel MOSFET

Ø

Ø

Ø

In an n­channel MOSFET, the channel is made of n­type 
semiconductor, so the charges free to move along the channel are 
negatively charged (electrons). 
In a p­channel device the free charges which move from end­to­
end are positively charged (holes). 
N­channel and P­channel MOSFETs operate in a complimentary 
manner.
–

CMOS = Complementary MOS
Nasim Zafar.

17

MOSFET­Operation

Nasim Zafar.

18


N­Channel MOSFET Operation
Source Gate

n+
p­Si

Drain

Gate Oxide

L
Gate Length

Bulk (Substrate)
v Current flowing through the Channel,  between Source and 
Drain is controlled by the Gate Voltage.
Nasim Zafar.

19

Principle of Operation

Ø

Ø

To understand the different modes of operation for an NMOS, 
we consider 3 different gate bias voltages.
v

 (1) below the flatband voltage, VFB

v

(2) between the flatband and the threshold voltage, VT, 

v

(3) larger than the threshold voltage. 

These bias regimes are called the accumulation, and depletion 
mode of operation. 
Nasim Zafar.

20


MOSFET­Operation

Ø

Ø

Ø

Ø

The applied positive gate voltage controls the current 
flow between source and drain. 
This current will flow in the longitudinal direction from 
drain to source in the “n­channel region.”
Note that this region has a length L and a width W. 
Typically, L is in the range of 0.1 μm to 3 μm, and W is in 
the range of 0.2 μm to 100 μm.
MOSFET is a symmetrical device; thus its source and 
drain can be interchanged with no change in the device 
characteristics.
Nasim Zafar.

21


N­Channel MOSFET Operation

S

n+
p­Si

G

v VGS applied (positive) 
Gate Oxide v Both VGS and VDS applied 

D

L
Gate Length

 (Substrate)

v

The applied positive gate voltage controls the current flow between 
source and drain. 
Nasim Zafar.

22


MOSFET­Operation

Operation with No Gate Voltage:

v

v

v

(1) VGS = 0, and  VS = VD =0 
With no voltage applied to the gate, two back­to­back 
diodes exist in series between drain and source.
No current flows even  if vDS is applied. These back­to­
back diodes prevent current conduction from drain to 
source. 
Nasim Zafar.

v

23


MOSFET­Operation

Operation with Applied Gate Voltage:

v

Formation of  n­
Channel for Current 
Flow:
Nasim Zafar.

24


MOSFET­Operation (contd.)

Operation with Applied Gate Voltage:

v

v

(2) VGS > 0, and  VS = VD =0 
First, the holes are repelled by the 
positive gate voltage, leaving 
behind negative acceptor ions and 
forming a depletion region (slide 
25
26­b).   Nasim Zafar.