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1、,Physics of Semiconductor Devices,MOS场效应晶体管,半导体器件物理,6.6、6.8、6.9,1、等效电路 2、频率响应 3、MOSFET的类型 4、影响阈值电压的其他因素 （1）掺杂浓度 （2）氧化层厚度 （3）衬底偏置,Outline,MOSFET的小信号特性是指在一定工作点上，输出端电流的微小变化与输入端电压的微小变化之间有定量关系。这是一种线性变化关系，可以用线性方程组描述小信号特性，其中不随信号电流和信号电压变化的常数即小信号参数。,一 等效电路小信号参数,定义：,1. 线性导纳,在线性区的电阻称为开态电阻或导通电阻，可表示为：,在UDS较小时， g
2、dl与UDS无关。随着UDS的增大，但还未到饱和区， gdl将会减小。此时有：,不可忽略,2. 跨导,线性区：,饱和区：,饱和区的跨导与线性区的导纳相等,3. 饱和区的漏极电阻,理想情况下，对于任何超过夹断条件的漏极电压，漏极电流为常数（电流与电压无关）。即对于VDVDsat时的情况，漏极电阻为无限大。饱和区漏极电阻定义为：,饱和区电导gds,在理想情况，若不考虑沟道长度调制效应， IDS与UDS 无关。饱和工作区的gds应为零，即输出电阻为无穷大。,gds 0,对于实际MOSFET，饱和区输出特性曲线总有一定的倾斜，使输出电导不等于零，即输出电阻不为无穷大。,4. 串联电阻对电导gd和跨导g
3、m的影响, 对跨导的影响,由于MOSFET源区的体电阻、欧姆接触及电极引线等附加电阻的存在，使源区和地之间有一个外接串联电阻RS：,如果RSgm很大：,串联电阻（起负反馈作用）不能忽略时：, 对输出电导的影响,若漏区的外接串联电阻为RD ，在线性工作区受RS 及RD 影响的有效输出电导：,1、RS 和RD会使跨导和输出电导变小； 2、在设计和制造OSFET时应尽量减少漏极和栅极串联电阻。,说明：,二 频率特性,截止频率f0定义为MOSFET的输入电流和输出电流相等时的频率，即器件输出短路时，器件不能够放大输入信号时的频率。,总的栅电容,MOSFET的小信号等效电路,输入电容Cin,输出电容,M
4、OSFET中的电容包括MOS电容，以及MOSFET的极间电容CGS、 CGD 、 CGB 、 CBD 、 CBS 等。,MOS瞬态电路模型（SPICE模型）,电路模型是由栅源电容CGS、栅漏电容CGD栅衬电容CGB 、栅源覆盖电容CGS 、栅漏覆盖电容CGD、MOS管中衬源和衬漏两个寄生PN结电容CBS和CBD 、源极半导体材料串联电阻rS 、漏极半导体材料串联电阻rd ，沟道电流IDS 、衬源和衬漏两个寄生PN结二极管电流IBS和IBD 、衬源和衬漏两个寄生PN结电压UBS和UBD等构成。覆盖电容是指栅区与源、漏区相应覆盖区域之间的电容。,1、电路模型,2、模型参数,（1）电流参数：衬底漏二
5、极管电流IBD和衬底源结二极管 电流IBS ； （2）势垒电容：衬底漏CBD和衬底源结势垒电容CBS； （3）栅沟电容：栅源覆盖电容CGS 、栅漏覆盖电容CGD 、 栅衬底覆盖电容CGB,3、工作区域,（1）截止区：沟道尚未形成；栅沟电容CGC等于栅衬底的 电容CGB ； （2）线性区：沟道已经形成；栅沟电容CGC分解为栅源电 容CGS和栅漏电容CGD ；CGC CGS + CGD （3）饱和区：沟道载流子电荷不随电极电压改变而改变。栅 漏电容为零： CGD 0 ；在临界饱和时，沟道开始夹断： VDS VGS VT 。,1、对于N沟道MOSFET，在VGS=0时，不存在沟道，只有当VGSVT时
6、，栅极下才感应导电沟道，这种MOSFET通常称为N沟道增强型（常闭型）。 2、在VGS=0时，表面已形成反型导电沟道，器件处于导通状态，称为N沟道耗尽型（常开型）。要使N沟道耗尽，必须在栅极上施加一定的负电压。,三 MOSFET的类型,常闭型,常闭型,常开型,常开型,三 影响阈值电压的其他因素,根据：,可见：阈值电压与衬底的掺杂浓度和氧化层的厚度有关。,1. 衬底掺杂浓度和氧化层厚度的影响,阈值电压与衬底掺杂浓度、氧化层厚度的关系,控制阈值电压的方法：,离子注入法调整阈值电压,（1）离子注入法；由于用离子注入掺杂含量可以非常精确，所以能精确的控制阈值电压。,（2）改变氧化层的厚度。这种方法广泛应用于MOSFET之间的隔离。这时，氧化层厚度比源漏区之外的氧化层（场区氧化层）薄得多。于是场区氧比层VTH比栅氧化层的VTH大得多。若将适当栅偏压同时加在硼氧化层和场氧化比层栅，栅下形成了反型沟道，而场氧化层下面的半导体表面仍保侍耗尽状态。,2. 衬底偏置的影响,当有一反向偏压加在衬底和源之间(对于N沟道，加在P衬底上的电压VSB相对于源为负)时，耗尽层将加宽，使得空间电荷层中负的固定电荷QB增加,增加固定电荷的QB：,为达到强反型，外加栅电压必须增强来补偿QB ，则有：,
