《MOS场效应管的特性课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《MOS场效应管的特性课件（67页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、MOS 场效应管的特性,5.1 MOS场效应管 5.2 MOS管的阈值电压 5.3 体效应 5.4 MOSFET的温度特性 5.5 MOSFET的噪声 5.6 MOSFET尺寸按比例缩小 5.7 MOS器件的二阶效应,1,5.1 MOS场效应管5.1.1 MOS管伏安特性的推导,两个PN结： 1）N型漏极与P型衬底； 2）N型源极与P型衬底。 同双极型晶体管中的PN 结 一样， 在结周围由于载流 子的扩散、漂移达到动态平 衡，而产生了耗尽层。 一个电容器结构 栅极与栅极下面区域形成一个电容器，是MOS管的核心。,2,MOSFET的三个基本几何参数,栅长:L 栅宽:W 氧化层厚度: tox,3,
2、MOSFET的三个基本几何参数,Lmin、 Wmin和 tox 由工艺确定 Lmin： MOS工艺的特征尺寸(feature size) 决定MOSFET的速度和功耗等众多特性 L和W由设计者选定 通常选取L= Lmin，由此，设计者只需选取W W影响MOSFET的速度，决定电路驱动能力和功耗,4,MOSFET的伏安特性:电容结构,当栅极不加电压或加负电压时，栅极下面的区域保持P型导电类型，漏和源之间等效于一对背靠背的二极管，当漏源电极之间加上电压时，除了PN结的漏电流之外，不会有更多电流形成。 当栅极上的正电压不断升高时，P型区内的空穴被不断地排斥到衬底方向。当栅极上的电压超过阈值电压VT，
3、在栅极下的P型区域内就形成电子分布，建立起反型层，即N型层，把同为N型的源、漏扩散区连成一体，形成从漏极到源极的导电沟道。这时，栅极电压所感应的电荷Q为， Q=CVge 式中Vge是栅极有效控制电压。,5,非饱和时（沟道未夹断），在漏源电压Vds作用下，这些电荷Q将在时间内通过沟道，因此有,6,为载流子速度，Eds= Vds/L为漏到源方向电场强度，Vds为漏到源电压。 为载流子迁移率： n = 650 cm2/(V.s) 电子迁移率(NMOS) p = 240 cm2/(V.s) 空穴迁移率(PMOS),电荷在沟道中的渡越时间,MOSFET的伏安特性方程,非饱和情况下，通过MOS管漏源间的电
4、流Ids为：,7,= .0 栅极-沟道间氧化层介电常数, = 4.5, 0 = 0.88541851.10-11 C.V-1.m-1,Vge：栅级对衬底的有效控制电压,8,当Vgs-VT=Vds时，满足: Ids达到最大值Idsmax，其值为 Vgs-VT=Vds，意味着近漏端的栅极有效控制电压Vge=Vgs-VT-Vds=Vgs-Vds-VT = Vgd-VT =0 感应电荷为0，沟道夹断，电流不会再增大，因而，这个 Idsmax 就是饱和电流。,MOSFET饱和特性,MOSFET特性曲线,在非饱和区 饱和区 (Ids 与 Vds无关) . MOSFET是平方律器件!,9,5.1.2 MOS
5、FET电容的组成,MOS电容是一个相当复杂的电容，有多层介质： 在栅极电极下面有一层SiO2介质。SiO2下面是P型衬底，最后是衬底电极，同衬底之间是欧姆接触。 MOS电容与外加电压有关。 1）当Vgs0时，栅极上的负电荷吸引了P型衬底中的多数载流子空穴，使它们聚集在Si表面上。这些正电荷在数量上与栅极上的负电荷相等，于是在Si表面和栅极之间，形成了平板电容器，其容量为， 通常，ox=3.98.85410-4 F/cm2；A是面积，单位是cm2；tox是厚度，单位是cm。,10,MOS电容SiO2和耗尽层介质电容,2）当Vgs0时，栅极上的正电荷排斥了Si中的空穴，在栅极下面的Si表面上，形成
6、了一个耗尽区。 耗尽区中没有可以自由活动的载流子，只有空穴被赶走后剩下的固定的负电荷。这些束缚电荷是分布在厚度为Xp的整个耗尽区内，而栅极上的正电荷则集中在栅极表面。这说明了MOS电容器可以看成两个电容器的串联。 以SiO2为介质的电容器Cox 以耗尽层为介质的电容器CSi 总电容C为: 比原来的Cox要小些。,11,MOS电容束缚电荷层厚度,耗尽层电容的计算方法同PN结的耗尽层电容的计算方法相同，利用泊松公式 式中NA是P型衬底中的掺杂浓度，将上式积分得耗尽区上的电位差 ： 从而得出束缚电荷层厚度,12,MOS电容 耗尽层电容,是一个非线性电容，随电位差的增大而减小。,13,在耗尽层中束缚电
7、荷的总量为,是耗尽层两侧电位差的函数，耗尽层电容为,MOS电容耗尽层电容特性,随着Vgs的增大，排斥掉更多的空穴，耗尽层厚度Xp增大，耗尽层上的电压降就增大，因而耗尽层电容CSi就减小。耗尽层上的电压降的增大，实际上就意味着Si表面电位势垒的下降，意味着Si表面能级的下降。 一旦Si表面能级下降到P型衬底的费米能级，Si表面的半导体呈中性。这时，在Si表面，电子浓度与空穴浓度相等，成为本征半导体。,14,MOS电容耗尽层电容特性(续),3）若Vgs再增大，排斥掉更多的空穴，吸引了更多的电子，使得Si表面电位下降，能级下降，达到低于P型衬底的费米能级。这时，Si表面的电子浓度超过了空穴的浓度，半
8、导体呈N型，这就是反型层。不过，它只是一种弱反型层。因为这时电子的浓度还低于原来空穴的浓度。 随着反型层的形成，来自栅极正电荷发出的电力线，已部分地落在这些电子上，耗尽层厚度的增加就减慢了，相应的MOS电容CSi的减小也减慢了。,15,16,4） 当Vgs增加，达到VT值，Si表面电位的下降，能级下降已达到P型衬底的费米能级与本征半导体能级差的二倍。它不仅抵消了空穴，成为本征半导体，而且在形成的反型层中，电子浓度已达到原先的空穴浓度这样的反型层就是强反型层。显然，耗尽层厚度不再增加，CSi也不再减小。这样， 就达到最小值Cmin。 最小的CSi是由最大的耗尽层厚度Xpmax计算出来的。,MOS
9、电容耗尽层电容特性(续),MOS电容凹谷特性,5）当Vgs继续增大，反型层中电子的浓度增加，来自栅极正电荷的电力线，部分落在这些电子上，落在耗尽层束缚电子上的电力线数目就有所减少。耗尽层电容将增大。两个电容串联后，C将增加。当Vgs足够大时，反型层中的电子浓度已大到能起到屏蔽作用，全部的电力线落在电子上。这时，反型层中的电子将成为一种镜面反射，感应全部负电荷，于是，C = Cox 。电容曲线出现了凹谷形，如图6.2 。 必须指出，上述讨论未考虑到反型层中的电子是哪里来的。若该MOS电容是一个孤立的电容，这些电子只能依靠共价键的分解来提供，它是一个慢过程，ms级。,17,MOS电容凹谷特性测量,
10、若测量电容的方法是逐点测量法一种慢进程，那么将测量到这种凹谷曲线。,18,MOS电容凹谷特性测量,若测量电容采用高频方法，譬如，扫频方法，电压变化很快。共价键就来不及瓦解，反型层就无法及时形成，于是，电容曲线就回到Cox值。 然而，在大部分场合，MOS电容与n+区接在一起，有大量的电子来源，反型层可以很快形成，故不论测量频率多高，电压变化多快，电容曲线都呈凹谷形。,19,5.1.3 MOS电容的计算,MOS电容C仅仅是栅极对衬底的电容，不是外电路中可以观察的电容Cg， Cs 和Cd。MOS电容C对Cg，Cd有所贡献。在源极和衬底之间有结电容Csb，在漏极和衬底之间也有结电容Cdb。 另外，源极
11、耗尽区、漏极 耗尽区都渗进到栅极下面的 区域。栅极与漏极扩散区，栅极与源极扩散区都存在着某些交迭，故客观上存在着Cgs和Cgd。当然，引出线之间还有杂散电容，可以计入Cgs和Cgd。,20,MOS电容的计算,Cg、Cd的值还与所加的电压有关: 1）若VgsVT，沟道建立，MOS管导通。MOS电容是变化的，呈凹谷状，从Cox下降到最低点，又回到Cox。这时，MOS电容C对Cg，Cd都有贡献，它们的分配取决于MOS管的工作状态。,21,MOS电容的计算,若处于非饱和状态，则按1/3与2/3分配，即 Cg = Cgs + 2/3C Cd = Cdb +1/3C 因为在非饱和状态下，与栅极电荷成比例的
12、沟道电流为 由Vgs和Vds的系数可知栅极电压Vgs对栅极电荷的影响力，与漏极电压Vds对栅极电荷的影响力为2:1的关系，故贡献将分别为 2/3与1/3 。,22,MOS电容的计算(续),23,若处于饱和状态，则,表明沟道电荷已与Vds无关，沟道已夹断。那么，,在饱和状态下，沟道长度受到Vds的调制，有效沟道长度L-L变小,MOS电容的计算(续),当Vds增加时，漏端夹断区耗尽层长度L增大，Ids增加，那是因为载流子速度增加了，它与C的分配无关。然而，L的增大使得漏极耗尽层宽度有所增加，增大了结电容。故， Cg = Cgs + 2/3C Cd = Cdb + 0 + Cdb,24,25,Cap
13、.N+Act.P+Act.PolyM1M2M3Units Area (sub.)5269378325108aF/um2 Area (poly)541811aF/um2 Area (M1)46 17aF/um2 Area (M2)49aF/um2 Area (N+act.)3599aF/um2 Area (P+act.)3415aF/um2 Fringe (sub.)249261aF/um,深亚微米CMOS IC工艺的寄生电容(数据),26,Cross view of parasitic capacitor of TSMC_0.35um CMOS technology,深亚微米CMOS IC工艺
14、的寄生电容,5.2 MOSFET的阈值电压VT,阈值电压是MOS器件的一个重要参数。按MOS沟道随栅压正向和负向增加而形成或消失的机理，存在着两种类型的MOS器件： 耗尽型(Depletion)：沟道在Vgs=0时已经存在。当Vgs“负”到一定程度时截止。一般情况，这类器件用作负载。 增强型(Enhancement)：在正常情况下它是截止的，只有当Vgs“正”到一定程度，才会导通，故用作开关。,27,28,概念上讲, VT就是将栅极下面的Si表面从P型Si变为N型Si所必要的电压。 它由两个分量组成, 即: VT= Us+ Vox Us : Si表面电位; Vox: SiO2层上的压降。,VT
15、的组成,Us 的计算,将栅极下面的Si表面从P/N型Si变为N/P型Si所必要的电压Us 与衬底浓度Na有关。 在半导体理论中，P型半导体的费米能级是靠近满带的，而N型半导体的费米能级则是靠近导带的。要想把P型变为N型，外加电压必须补偿这两个费米能级之差。,29,Vox的计算,Vox根据从金属到氧化物到Si衬底Xm处的电场分布曲线导出:,30,31,在工艺环境确定后，MOS管的阈值电压VT主要决定 1. 衬底的掺杂浓度Na。 2. Cox,VT的理想计算公式,5.3 MOSFET的体效应,前面的推导都假设源极和衬底都接地，认为Vgs是加在栅极与衬底之间的。实际上，在许多场合，源极与衬底并不连接
16、在一起。通常，衬底是接地的，但源极未必接地, 源极不接地时对VT值的影响称为体效应(Body Effect)。,32,阈值电压随源极-衬底电压的变化,33,某一CMOS工艺条件下，NMOS阈值电压随源极-衬底电压的变化曲线,34,MOSFET的温度特性主要来源于沟道中载流子的迁移率 和阈值电压VT随温度的变化。载流子的迁移率随温度变化的基本特征是： T 由于 所以，T gm 阈值电压VT的绝对值同样是随温度的升高而减小： T VTVT(T) (2 4) mV/C VT的变化还与衬底的杂质浓度Ni和氧化层的厚 度tox有关： (Ni , tox) VT(T) ,5.4 MOSFET的温度特性,35,MOSFET的噪声来源主要由两部分： 热噪声(thermal noise) 闪烁噪声(flicker noise，1/f-noise),5.5 MOSFET的噪声,36,热噪声,是由沟道内载流子的无规则热运动造成 的，通过沟道电阻生成热噪声电压
