4-4MOS场效应晶体管

MOS场效应晶体管,,MOS Field Effect Transistor,Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor,4.1 MOS管的结构、工作原理和输出特性4.1.1 MOS场效应晶体管的结构4.1.2 基本工作原理和输出特性4.1.3 MOS场效应晶体管的分类4.2 MOS场效应晶体管的阈值电压4.2.1 MOS管阈值电压的定义4.2.2 MOS管阈值电压的表示式4.2.3 非理想条件下的阈值电压4.2.4 影响阈值电压的其他因素4.2.5 阈值电压的调整技术4.3 MOS管的直流电流-电压特性4.3.1 MOS管线性区的电流-电压特性4.3.2 MOS管饱和区的电流-电压特性4.3.3 亚阈值区的电流-电压特性4.3.4 MOS管击穿区特性及击穿电压4.4 MOS电容及MOS管瞬态电路模型4.4.1 理想MOS结构的电容-电压特性4.4.2 MOS管瞬态电路模型-SPICE模型,4.5 MOS管的交流小信号参数和频率特性4.5.1 MOS场效应管的交流小信号参数4.5.2 MOS场效应晶体管的频率特性4.6 MOS场效应晶体管的开关特性4.6.1 MOS场效应晶体管瞬态开关过程4.6.2 开关时间的计算4.7 MOS场效应晶体管的二级效应4.7.1 非常数表面迁移率效应4.7.2 体电荷效应对电流-电压特性的影响4.7.3 MOS场效应晶体管的短沟道效应4.7.4 MOS场效应晶体管的窄沟道效应4.8 MOS场效应晶体管温度特性4.8.1 热电子效应4.8.2 迁移率随温度的变化4.8.3 阈值电压与温度关系4.8.4 MOS管几个主要参数的温度关系,场效应管：利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流 的三极管;一种载流子参与导电，又称单极型 (Unipolar)晶体管。

原理：利用改变垂直于导电沟道的电场强度来控制沟道 的导电能力而实现放大作用;,第四章 MOS场效应晶体管,双极晶体管：参加工作的不仅有少数载流子，也有多数载流子，故统称为双极晶体管,,,特 点,,单极型器件(靠多数载流子导电)；,输入电阻高：可达1010(有资料介绍可达1014） 以上、抗辐射能力强 ；,制作工艺简单、易集成、热稳定性好、功耗小、 体积小、成本低OUTLINE,4.1 MOS场效应晶体管结构、工作原理和输出特性,MOS管结构,两边扩散两个高浓度的N区,形成两个PN结,以P型半导体作衬底,通常， MOS管以金属Al (Metal) SiO2 (Oxide) Si (Semicond -uctor)作为代表结构,基质：硅、锗、砷化镓和磷化铟等,栅材：二氧化硅、氮化硅、和三氧化二铝等,制备工艺：MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它 是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然 后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区 引出电极。

结构：环形结构、条状结构和梳状结构,MOS管工作原理,栅压从零增加，表面将由耗尽逐步进入反型状态，产生电子积累当栅压增加到使表面积累的电子浓度等于或超过衬底内部的空穴平衡浓度时，表面达到强反型，此时所对应的栅压称为阈值电压UT 正常工作时的偏置,强反型时，表面附近出现的与体内极性相反的电子导电层称为反型层——沟道，以电子导电的反型层称做N沟道感应表面电荷,,一种典型的电压控制型器件,电流通路——从漏极经过沟道到源极,,UGS=0, UDS≠0，漏端PN结反偏，反偏电流很小——器件截止,UGS≠0, UDS≠0，表面形成沟道，漏区与源区连通，电流明显； ——器件导通,zero applied bias,源极和漏极之间始终有一个PN结反偏，IDS = 0,分析：,漏-源输出特性,下面分区讨论各区的特点,曲线与虚线的交点为“夹断点”,（1）截止区特性（UGS

但耗尽层电阻很大，流过漏—源端的电流很小，也只是PN结反向饱和电流，这种工作状态称为截止状态Operation Modes,（2）线性区特性（UGS ≥UT）——曲线OA段,当UGS  UT后，表面形成强反型导电沟道，若加上偏置电压UDS ，载流子就通过反型层导电沟道，从源端向漏端漂移，由漏极收集形成漏-源电流IDSUGS增大，反型层厚度亦增厚，因而漏-源电流线性增加表面形成反型层时，反型层与衬底间同样形成PN结，这种结是由表面电场引起的; ——场感应结,UDS不太大时，导电沟道在两个N区间是均匀的;,（3）沟道夹断——曲线A点,表面强反型形成导电沟道时，沟道呈现电阻特性，漏-源电流通过沟道电阻时，将在其上产生电压降栅绝缘层上的有效电压降从源到漏端逐渐减小，UDS很大时，降落在栅下各处绝缘层上的电压不相等，反型层厚度不相等，因而导电沟道中各处的电子浓度不相同；,UDS较大时，靠近D区的导电沟道变窄当电压继续增加到漏端栅绝缘层上的有效电压降低于表面强反型所需的阈值电压UT 时，漏端表面的反型层厚度减小到零，即漏端处沟道消失，只剩下耗尽区，这就是：沟道夹断。

使漏端沟道夹断所需加的漏-源电压UDS称为饱和漏-源电压(UDsat)，对应的电流 I 称为饱和漏-源电流(IDsat)沟道夹断条件,UDS =UGS UT,UDS +UT =UGS,（4）饱和区特性——曲线AB段,继续增加UDS比UDsat大得多时, (UDS UDsat )将降落在漏端附近的夹断区上,夹断区将随UDS的增大而展宽, 夹断点将随UDS的增大而逐渐向源端移动,导电沟道的有效厚度基本不再改变，栅下面表面被分成反型导电沟道区和夹断区两部分沟道中的载流子不断地由源端向漏端漂移，当到达夹断点时，立即被夹断区的强电场扫入漏区，形成漏极电流漏源电流基本上不随UDS的增大而上升5）击穿特性——曲线BC段,当UDS 达到或超过漏端PN结反向击穿电压时，漏端PN结发生反向击穿；,转移特性(输入电压-输出电流),当UGS  UT 时，随着UGS的增加，沟道中导电载流子数量增多，沟道电阻减小，在一定的UDS的作用下，漏极电流上升UGS  UT 后，进入亚阈值区工作，漏极电流很小MOS晶体管的转移特性：漏源极电流IDS随栅源电压UGS变化的曲线，反映控制作用的强弱,平方律关系,管子工作于放大区时函数表达式,UTN ，开启电压,,截止，夹断区,4.1.3 MOSFET的分类,根据导电沟道的起因和沟道载流子的类别可分成4种 ;,1、N沟道和P沟道MOS场效应晶体管,加上漏-源偏压后，输运电流的电子从源端流向漏端。

N沟道MOS场效应晶体管,P沟道MOS场效应晶体管,增强型和耗尽型,按零栅压时(UGS＝0 ), 是否存在导电沟道来划分；,UGS = 0时，不存在导电沟道，漏源间被背靠背的PN结二极管隔离，即使加上漏源电压，也不存在电流，器件处于“正常截止状态”；,增强型器件,当衬底杂质浓度低, 而SiO2层中的表面态电荷密度又较大，在零栅压时，表面就会形成反型导电沟道，器件处于导通状态;,要使沟道消失，必须施加一定的反向栅压，称为阈值电压(夹断电压)；,二者的差别：在于耗尽型管的二氧化硅绝缘层中掺有大量的碱金属正离子(如Na++或K++)，会感应出大量的电子耗尽型器件,电路中的电学符号——教材有误,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,4.2 决定阈值电压的因素,4.2.1 阈值电压的定义,①阈值电压——在漏-源之间半导体表面处感应出导电沟道所需加在栅电极上的电压UGS ②表示MOS管是否导通的临界栅-源电压③工作在饱和区时，将栅压与沟道电流关系曲线外推到零时所对应的栅电压；,④ 使半导体表面势US =2 , 为衬底半导体材料的费米势，US的大小相当于为使表面强反型所需加的栅电压。

外推,UDS≠0,4.2.2 阈值电压的相关因素,阈值电压——表面出现强反型时所加的栅-源电压； 强反型——表面积累的少子浓度等于甚至超过衬底 多子浓度的状态；,P型衬底,N沟强反型时能带图,金属栅板上的面电荷密度,表面态电荷密度,导电电子电荷面密度,表面耗尽层空间电荷面密度,衬底掺杂浓度NB,EF,+,-,电荷分布,Charge Distribution,Strong Inversion,band bending,surface potential,Inversion region,Depletion region,Neutrals region,Band diagram,(p-type substrate),Ideal MOS Curves,Oxide,Semiconductor surface,P-type silicon,表面强反型时，表面耗尽层(surface depletion-layer)宽度达到最大,电荷密度也达到最大值,电中性条件要求,,反型层(inversion layer)电子只存在于极表面的一层，简化为,理想条件下的阈值电压,忽略氧化层中的表面态电荷密度,理想情况下，表面势完全产生于外加栅极电压,外加栅压,栅氧化层上的电压降,(向衬底方向的厚度),栅氧化层的单位面积电容,达到强反型的条件US = 2F,可得 理想阈值电压为,实际阈值电压,栅压为零时，表面能带已经发生弯曲,,平带电压,表面态电荷影响的栅源电压,栅电压为,Flat band condition,阈值电压为,N沟的平衡状态时的阈值电压,衬底掺杂浓度越高，阈值电压也越高;,金属—半导体功函数差越大，阈值电压越高;,N沟，P型衬底中Ei  EF ，因而F为正;,漏-源电压UDS = 0时，表面反型层中的费米能级和体内费米能级处在同一水平，,NMOS管,4.2.3 非理想条件下的阈值电压,在MOS结构中，当半导体表面形成反型层时，反型层与衬底半导体间同样形成PN结，这种结是由半导体表面的电场引起的，称为感应结 。

当漏-源电压UDS = 0时，感应PN结处于平衡状态，表面反型层和体内费米能级处于同一水平UBS = 0，UDS  0时非平衡状态下的阈值电压,,反型沟道,U(y),UBS = 0，UDS  0时沟道压降直接加到反型层与衬底所构成的场感应结上，使场感应结处于非平衡状态沟道反型层中少子的费米能级EFn与体内费米能级EFP将不再处于同一水平；,Non-equilibrium Condition,结两边的费米能级之差,EFP  EFn = qU(y),表面势则增大,US = 2F +U(y),表面耗尽层宽度也随着外加电压的增大而展宽,耗尽层的最大电荷密度,非平衡状态下的阈值电压,NMOS管,UBS = 0,,UBS  0时的阈值电压,假定外加UGS已使表面反型，加在衬-源之间的UBS使场感应结承受反偏，系统进入非平衡状态，引起以下两种变化：① 场感应结过渡区两种载流子的准费米能级不重合② 表面耗尽层的厚度及电荷面密度随UBS的改变而变化对照其他PN结反偏电压，假定：,① 衬底多子的准费米能级不随体内到表面的距离变化，保持为常数② 场感应结过渡区少子准费米能级与衬底多子准费米能级隔开一段距离，在P型衬底中是,。