MOSFET基础(MOSFET工作原理频率CMOS)

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1、11.3 MOSFET基本工作原理nMOSFET结构n电流电压关系概念n电流电压关系推导n跨导n衬底偏置效应111.3 MOSFET原理2012-1111.3 MOSFET原理 MOSFET结构N 沟道增强型MOS 场效应管的 结构示意图BPGN+N+源漏SDSiO2Ltox1.结构SGDB2.符号3.基本参数 沟道长度 L(跟工艺水平有关)沟道宽度 W栅氧化层厚度 tox 311.3 MOSFET原理 MOSFET分类(1)n沟道MOSFETp型衬底，n型沟道，电子导电VDS0，使电子从源流到漏p沟道MOSFETn型衬底，p型沟道，空穴导电VDS0n沟道耗尽型MOSFET零栅压时已存在反型沟

2、道，VTN06增强型：栅压为0时不导通N沟（正电压开启 “1”导通）P沟（负电压开启 “0”导通）耗尽型：栅压为0时已经导通N沟（很负才关闭）P沟（很正才关闭）711.3.2 N 沟道增强型 MOS 场效应管工作原理1. VGS对半导体表面空间电荷区状态的影响(1) VGS = 0漏源之间相当于两个背靠背的 PN 结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。SBD当VGS 逐渐增大时，栅氧化层下方的半导体表面会发生什么变化？BPG SiO2SDN+N+8(2) VGS 0逐渐增大栅氧化层中的场强越来越大，它们排斥P型衬底靠近 SiO2 一 侧的空穴，形成由负离子组成的 耗尽层。增大 VGS 耗

3、尽层变宽。当VGS继续升高时, 沟道加厚，沟道电阻减少，在相同 VDS的作用下，ID将进一步增加。BPG SiO2SDN+N+ +-+-+VGS- - - - - -反型层iD由于吸引了足够多P型衬底的电子，会在耗尽层和 SiO2 之间形成可移动的表面电荷层 反型层、N 型 导电沟道。这时，在VDS的作用下就会形成ID。(3) VGS 继续增大 弱反型 强反型VDS9阈值电压：使半导体表面达到强反型时所需加的栅源电压。用VT表示。阈值电压MOS场效应管利用VGS来控制半导体表面“感应电荷”的多少，来改变沟道电阻，从而控制漏极电流 ID。 MOSFET是一种电压控制型器件。MOSFET能够工作的

4、关键是半导体表面必须有导电沟道，而只有表面达到强反型时才会有沟道形成。 102. VDS对导电沟道的影响(VGSVT)c.VDS=VGSVT，即VGD=VT： 靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预 夹断。VDS=VDSatb.0VT:导电沟道呈现一个楔形。靠近漏端的 导电沟道减薄。a. VDS 0，但值较小时： VDS对沟道影响可忽略，沟道厚度均匀VDSVGSBPGN+N+SDd.VDSVGSVT，即VGDVTBPN+N+VDS VGS GSD VGSVGD(c)VDS:VGD=VTBPN+N+VDS VGS GSD VGSVT(a)VDS很小VGSBPGN+N+SDVDSVGSVGDVGS

5、ID=IDSat12VT VGS /VID /mAO2）转移特性曲线(假设VDS=5V)a. VGS VT器件内存在导电沟道 ，器件处于导通状态，有输出电流。且VGS越大，沟 道导电能力越强，输出 电流越大。转移特性曲线134. N 沟道耗尽型 MOS 场效应管BPGN+N+SDSiO2+ + + + + + （1） N沟道耗尽型MOS场效应管结构1、 结构2、 符号SGDB14ID/mAVGS /VOVP (b)转移特性IDSS(a)输出特性ID/mAVDS /VO+1VVGS=0-3 V-1 V -2 V43215101520（2）基本工作原理a. 当VGS=0时，VDS加正向电压，产 生

6、漏极电流ID,此时的漏极电流称 为漏极饱和电流，用IDSS表示。b. 当VGS0时，ID进一步增加。c. 当VGS0时，随着VGS的减小 漏极电流逐渐减小。直至ID=0。 对应ID=0的VGS称为夹断电压，用 符号VP表示。15种 类符号转移特性曲线输出特性曲线NMOS增强型耗尽型PMOS增强型耗尽型IDSGDBSGDBIDSGDBIDSGDBIDVGSIDOVTIDVGS VPIDSSOVDSID_VGS=0+_ _OID VGSVTOIDVGSVPIDSSO_IDVGS=VTVDS_o_+ VDSID+OVGS=VTIDVGS= 0V+_VDSo+16小 结工作原理：VGS：耗尽 弱反型

7、强反型VDS ：减薄 夹断 扩展 定性分析17耗尽型器件形成的原因，其基本特性与增强型器件之间的不同点。按照导电类型分MOS管分为NMOS和PMOS。按照零栅压时有无沟道又分为增强型和耗尽型两种形式。NMOS和PMOS结构十分相似，只是两者的衬底及源漏区掺杂类型刚好相反。特性曲线：输出特性曲线(非饱和区、饱和区、击穿区)税转移特性曲线(表征了VGS对ID的控制能力)11.3 MOSFET原理 I-V特性:基本假设n沟道中的电流是由漂移而非扩散产生的（长沟器件）n栅氧化层中无电流n缓变沟道近似，即垂直于沟道方向上的电场变化远大于平行于沟道方向上的电场变化 (近似认为方向为常数)n氧化层中的所有电

8、荷均可等效为Si-SiO2界面处的有效电荷密度n耗尽层厚度沿沟道方向上是一个常数n沟道中的载流子迁移率与空间坐标无关n衬底与源极之间的电压为零18电流密度: (漂移电流 密度为)11.3 MOSFET原理 I-V特性:沟道电流X方向的电流强度：反型层中平行于沟道方向的电场：1911.3 MOSFET原理 I-V特性:电中性条件20高斯 定理相互抵消E5=E6=0，即使有也相互抵消E30表面所在材料 的介电常数某闭合表面沿闭合表面向外法线方向 的电场强度该闭合表面所包围区 域的总电荷量11.3 MOSFET原理 I-V特性:表面电荷dxW2431562111.3 MOSFET原理 I-V特性:氧

9、化层电势2211.3 MOSFET原理 I-V特性:反型层电荷与电场氧化层电势半导体表面空间电荷 区的单位面积电荷氧化层中垂直于沟 道方向的电场由上三式可得 反型层单位面 积的电荷不应是x或Vx的函数 （电流连续性定律 ）2311.3 MOSFET原理 I-V特性:线性区与饱和区2411.3 MOSFET原理 和VT的测试提取方法高场下迁移率随 电场上升而下降存在亚阈值电流n沟耗尽型n沟增强型25存在亚阈值电流存在亚阈值电流存在亚阈值电流11.3 MOSFET原理 p沟增强型MOSFET的I-V特性注：Vds=-Vsd Vgs=-Vsg,等 2611.3 MOSFET原理 跨导(晶体管增益):

10、模型跨导用来表征MOSFET的 放大能力：令材料参数设计参数工艺参数影响跨导的因素：27小节内容n电流电压关系推导n跨导n器件结构n迁移率n阈值电压nWnL (p350第二段有误：L增加，跨导降低)ntox2811.3 MOSFET原理 衬底偏置效应(1)0必须反偏或 零偏Vsb=Vs-Vb0,即Vb更负（这样才反偏）在沟道源端感应出来 的电子全跑掉了2911.3 MOSFET原理 衬底偏置效应(2)能带图衬底偏压表面准费米能级反型条件耗尽层电荷不同衬偏电压条件下的能带图 ：3011.3 MOSFET原理 衬底偏置效应(3)现象n反型层电子势能比源端电子势能高电子更容易从反型层流到 源区达到反

11、型所需的电子浓度需更高的栅压；n反型层-衬底之间的电势差更大表面耗尽层更宽、电荷更多 同样栅压下反型层电荷更少；n表面费米能级更低要达到强反型条件需要更大的表面势；3111.3 MOSFET原理 衬底偏置效应(4)阈值电压负的耗尽层 电荷更多需更大的正栅压才能反型，且VSB越大，VT越大体效应系数32小节内容n衬底偏置效应nP阱更负，n管阈值上升nN衬底更正，p管阈值更负n此种类型偏置经常做模拟用途。 例11.10：T=300K，Na=31016cm-3，tox=500埃， VSB=1VVT=0.66V3311.4频率限制特性 交流小信号参数源极串联 电阻栅源交叠 电容漏极串联 电阻栅漏交叠

12、电容漏-衬底pn 结电容栅源电容栅漏电容跨导寄生参数本征参数3411.4 频率限制特性 完整的小信号等效电路共源n沟MOSFET小信号等效电路总的栅源电容总的栅漏电容与ID-VDS曲线 的斜率有关3511.4 频率限制特性 简化的小信号等效电路低频条件下只计入rs只计入本征参数低频条件下只计入rds3611.4 频率限制特性 MOSFET频率限制因素限制因素2：对栅电极或电容充电需要时间限制因素1：沟道载流子从源到漏运动需要时间沟道渡越时间通常不 是主要频率限制因素对Si MOSFET，饱和漂移速度3711.4 频率限制特性 电流-频率关系负载电阻输入电流输出电流对栅电容充电需要时间消去电压变

13、量VD3811.4 频率限制特性 密勒电容等效只计入本征参数器件饱和时，Cgd=0，寄生电容 成为影响输入阻抗的重要因素 。3911.4 频率限制特 截止频率推导 截止频率：电流增益为1时的频率。提高频率特性：提高迁移率（ 100方向，工艺优质）；缩短L ；减小寄生电容；增大跨导；4011.5 CMOS技术 什么是CMOS？n沟MOSFETp沟MOSFETnCMOS（Complentary MOS，互补CMOS）n使n沟MOSFET与p沟MOSFET取长补短n实现低功耗、全电平摆幅n数字逻辑电路的首选工艺场氧（用作管 间、互连-衬底 间隔离）栅氧（用作 MOS电容的 介质）通常接电路最低电位通

14、常接电路最高 电位4111.6 小结 1nMOS电容是MOSFET的核心。随表面势的不同，半导体表面可以 处于堆积、平带、耗尽、本征、弱反型、强反型等状态。 MOSFET导通时工作在强反型状态n栅压、功函数差、氧化层电荷都会引起半导体表面能带的弯曲 或表面势。n表面处于平带时的栅压为平带电压，使表面处于强反型的栅压 为阈值电压。阈值电压与平带电压、半导体掺杂浓度、氧化层 电荷、氧化层厚度等有关。nC-V曲线常用于表征MOS电容的性质，氧化层电荷使C-V曲线平 移，界面陷阱使C-V曲线变缓nMOSFET根据栅压的变化可以处于导通（强反型）或者截止状态 ，故可用作开关；加在栅源上的信号电压的微小变

15、化可以引起 漏源电流的较大变化，故可用作放大。4211.6 小结 2nMOSFET可以分为n沟道、p沟道，增强型、耗尽型。对于不同类型 的MOSFET，栅源电压、漏源电压、阈值电压的极性不同。n特性曲线和特性函数是描述MOSFET电流-电压特性的主要方式。 跨导和截止频率是表征MOSFET性质的两个最重要的参数。n根据MOSFET的转移特性（ID-VGS），可分为导通区和截止区；根据 MOSFET的输出特性（ID-VDS），可分为线性区、非饱和区和饱和区 。n影响MOSFET频率特性的因素有栅电容充放电时间和载流子沟道渡 越时间，通常前者是决定MOSFET截止频率的主要限制因素。nCMOS技术使n沟MOSFET和p沟MOSFET的优势互补，但可能存在闩锁 等不良效应。4344