MOS场效应晶体管ppt课件

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1、MOS场效应晶体管场效应晶体管 MOS Field Effect Transistor Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor4.1 MOS管的构造、任务原理和输出特性管的构造、任务原理和输出特性4.1.1 MOS场效应晶体管的构造场效应晶体管的构造4.1.2 根本任务原理和输出特性根本任务原理和输出特性4.1.3 MOS场效应晶体管的分类场效应晶体管的分类4.2 MOS场效应晶体管的阈值电压场效应晶体管的阈值电压4.2.1 MOS管阈值电压的定义管阈值电压的定义4.2.2 MOS管阈值电压的表示式管阈值电压的表示式4.2.3 非理想

2、条件下的阈值电压非理想条件下的阈值电压4.2.4 影响阈值电压的其他要素影响阈值电压的其他要素4.2.5 阈值电压的调整技术阈值电压的调整技术4.3 MOS管的直流电流管的直流电流-电压特性电压特性4.3.1 MOS管线性区的电流管线性区的电流-电压特性电压特性4.3.2 MOS管饱和区的电流管饱和区的电流-电压特性电压特性4.3.3 亚阈值区的电流亚阈值区的电流-电压特性电压特性4.3.4 MOS管击穿区特性及击穿电压管击穿区特性及击穿电压4.4 MOS电容及电容及MOS管瞬态电路模型管瞬态电路模型4.4.1 理想理想MOS构造的电容构造的电容-电压特性电压特性4.4.2 MOS管瞬态电路模

3、型管瞬态电路模型-SPICE模型模型4.5 MOS管的交流小信号参数和频率特性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场效应晶体管瞬态开关过程4.6.2 开关时间的计算开关时间的计算4.7 MOS场效应晶体管的二级效应场效应晶体管的二级效应4.7.1 非常数外表迁移率效应非常数外表迁移率效应4.7.2 体电荷效应对电流体电荷效应对电流-电压特性的影响电压特性的影响4.7.3 MOS

4、场效应晶体管的短沟道效应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场效应晶体管温度特性4.8.1 热电子效应热电子效应4.8.2 迁移率随温度的变化迁移率随温度的变化4.8.3 阈值电压与温度关系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管几个主要参数的温度关系场效效应管：利用管：利用输入回路的入回路的电场效效应来控制来控制输出回路出回路电流流 的三极管的三极管;一种一种载流子参与流子参与导电，又称，又称单极型极型 (Unipolar)晶体管。晶体管。原理：利用改动垂直于导电沟道的电场强度来控制

5、沟道原理：利用改动垂直于导电沟道的电场强度来控制沟道 的导电才干而实现放大作用的导电才干而实现放大作用; 第四章第四章 MOS场效应晶体管场效应晶体管双极晶体管：参与任务的不仅有少数载流子，也有多数载双极晶体管：参与任务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(有资料引见可达1014 以上、抗辐射才干强 ；制造工艺简单、易集成、热稳定性好、功耗小、 体积小、本钱低。OUTLINE4.1 MOS场效应晶体管构造、任务原理和输出特性场效应晶体管构造、任务原理和输出特性 栅极Al (Gate)源极(S

6、ource)漏极(Drain)绝缘层SiO2(Insulator) 维护层外表沟道(Channel) 衬底电极(Substrate) Ohmic contactMOS管构造管构造两边分散两个高浓度的N区构成两个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)作为代表构造 基质：硅、锗、砷化镓和磷化铟等基质：硅、锗、砷化镓和磷化铟等栅材：二氧化硅、氮化硅、和三氧化二铝等栅材：二氧化硅、氮化硅、和三氧化二铝等制备工艺：制备工艺：MOSFET根本上是一种左右对称的拓扑构造，它根本上是一种左右对称的拓扑构造，它 是在

7、是在P型半导体上生成一层型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然薄膜绝缘层，然 后用光刻工艺分散两个高掺杂的后用光刻工艺分散两个高掺杂的N型区，从型区，从N型区型区 引出电极。引出电极。构造：环形构造、条状构造和梳状构造构造：环形构造、条状构造和梳状构造根本构造参数根本构造参数 -电容构造 沟道长度 沟道宽度 栅绝缘层厚度tOX 分散结深 衬底掺杂浓度NA +外表电场 MOS FET FundamentalsD-S 间总有一个反接的PN结产生垂直向下的电场MOS管任务原理管任务原理 栅压从零添加，外表将由耗尽逐渐进入反型形状，产生电子积累。当栅压添加到使外表积累的电子浓度等于或超越衬底内部的

8、空穴平衡浓度时，外表到达强反型，此时所对应的栅压称为阈值电压UT 。 感应外表电荷 吸引电子电场排斥空穴正常任务时的偏置 强反型时，外表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。感应外表电荷 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, UDS0，漏端PN结反偏，反偏电流很小器件截止 UGS0, UDS0，外表构成沟道，漏区与源区连通，电流明显； 器件导通 zero applied bias源极和漏极之间一直有一个PN结反偏，IDS = 0分析：分析：漏漏-源输出特性源输出特性 下面分区讨论各区的特点曲线与虚线的交点为“夹断点 夹断

9、区(截止区)恒流区(放大区或饱和区)预夹断轨迹可变电阻区击穿区1截止区特性UGS 0耗尽型UT 0P沟加强型NP+空穴负UT 04.2 决议阈值电压的要素决议阈值电压的要素 4.2.1 阈值电压的定义阈值电压的定义 阈值电压在漏在漏- -源之源之间半半导体外表体外表处感感应出出导电沟沟道所需加在道所需加在栅电极上的极上的电压UGS UGS 。 表示表示MOSMOS管能否管能否导通的通的临界界栅- -源源电压。 任务在饱和区时，将栅压与沟道电流关系曲线外推到零时所对应的栅电压； 使半导体外表势US =2 , 为衬底半导体资料的费米势，US的大小相当于为使外表强反型所需加的栅电压。外推UDS04.

10、2.2 阈值电压的相关要素阈值电压的相关要素 阈值电压外表出现强反型时所加的栅-源电压； 强反型外表积累的少子浓度等于甚至超越衬底 多子浓度的形状； US P型衬底 N沟强反型时能带图 金属栅板上的面电荷密度 外表态电荷密度 导电电子电荷面密度 外表耗尽层空间电荷面密度 衬底掺杂浓度NB EF+-电荷分布电荷分布 Charge DistributionStrong Inversionband bendingsurface potentialInversion regionDepletion regionNeutrals regionBand diagram(p-type substrate)I

11、deal MOS CurvesOxideSemiconductor surfaceP-type silicon外表强反型时，外表耗尽层(surface depletion-layer)宽度到达最大 电荷密度也到达最大值 电中性条件要求 反型层(inversion layer)电子只存在于极外表的一层，简化为 理想条件下的阈值电压理想条件下的阈值电压 忽略氧化层中的外表态电荷密度 理想情况下，外表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 到达强反型的条件US = 2F 可得 理想阈值电压为实践阈值电压实践阈值电压 栅压为零时，外表能带曾经

12、发生弯曲, 平带电压 外表态电荷影响的栅源电压 栅电压为 Flat band condition阈值电压为 N沟的平衡形状时的阈值电压 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 ，因此F为正; 漏-源电压UDS = 0时，外表反型层中的费米能级和体内费米能级处在同一程度， NMOS管 4.2.3 4.2.3 非理想条件下的阈值电压非理想条件下的阈值电压 在在MOS构造中，当半导体外表构成反型层时，反型构造中，当半导体外表构成反型层时，反型层与衬底半导体间同样构成层与衬底半导体间同样构成PN结，这种结是由半导体外结，这种结是由半导体外

13、表的电场引起的，称为感应结表的电场引起的，称为感应结 。当漏当漏-源电压源电压UDS = 0时，感时，感应应PN结处于平衡形状，外表结处于平衡形状，外表反型层和体内费米能级处于反型层和体内费米能级处于同一程度。同一程度。UBS = 0，UDS 0时非平衡形状下的阈值电压时非平衡形状下的阈值电压 反型沟道反型沟道 U(y) UBS = 0，UDS 0时时沟道压降直接加到反沟道压降直接加到反型层与衬底所构成的型层与衬底所构成的场感应结上，使场感场感应结上，使场感应结处于非平衡形状。应结处于非平衡形状。 沟道反型层中少子的费米能级沟道反型层中少子的费米能级EFn与体内费米能级与体内费米能级EFP将将

14、不再处于同一程度；不再处于同一程度； Non-equilibrium Condition结两边的费米能级之差结两边的费米能级之差 EFP EFn = qU(y) 外表势那么增大外表势那么增大 US = 2 F +U(y) 外表耗尽层宽度也随着外加电压外表耗尽层宽度也随着外加电压的增大而展宽的增大而展宽 耗尽层的最大电荷密度耗尽层的最大电荷密度 非平衡形状下的阈值电压非平衡形状下的阈值电压 NMOS管管 UBS = 0 UBS 0时的阈值电压时的阈值电压 假定外加假定外加UGS已使外表反型，加在已使外表反型，加在衬-源之源之间的的UBS使使场感感应结接受反偏，系接受反偏，系统进入非平衡形状，引起

15、以下两种入非平衡形状，引起以下两种变化：化： 场感感应结过渡区两种渡区两种载流子的准流子的准费米能米能级不重合。不重合。 外表耗尽外表耗尽层的厚度及的厚度及电荷面密度随荷面密度随UBS的改的改动而而变化。化。 对照其他对照其他PN结反偏电压，假定：结反偏电压，假定： 衬底多子的准底多子的准费米能米能级不随体内不随体内到外表的到外表的间隔隔变化，化，坚持持为常数。常数。 场感感应结过渡区少子准渡区少子准费米能米能级与与衬底多子准底多子准费米能米能级隔开一段隔开一段间隔，隔，在在P型型衬底中是底中是 N 沟道沟道P 沟道沟道此时： 阈值电压的增量 NMOS管的增量 N沟道沟道MOS有：有：PMOS

16、管的增量 由此可以看出：由此可以看出：| UT | 正比于正比于tOX 及及 ，NB为衬底掺杂浓度。为衬底掺杂浓度。 NMOS场效效应晶体管的晶体管的QBm0，PMOS场 效效应晶体管的晶体管的QBm0，UTn0UT 04衬底杂质浓度的影响 UBS = 0 衬底杂质浓度愈低，外表耗尽层的空间电荷对阈值电压的影响愈小。在构造已选定、工艺稳定条件下，可以经过调整衬底掺杂浓度及二氧化硅层厚度来控制阈值电压。 阈值电压的增量 4.2.5 阈值电压的调整技术阈值电压的调整技术 现代MOS器件工艺中，已大量采用离子注入技术经过沟道注入来调整沟道杂质浓度，以满足阈值电压的要求。 改动沟道掺杂注入剂量，就能控

17、制和调整器件的阈值电压。 离子注入调整阈值电压选用低掺杂资料作为衬底，采用适当步骤向PMOS或NMOS管沟道区注入一定数量的与衬底导电类型一样或相反的杂质，从而将阈值电压调整到期望的数值上。向沟道区注入杂质离子，既可做成外表沟器件常用，也可以构成隐埋沟道。 注入离子实践上是在足够大的衬底面积上进展扫描。 离子注入后的热退火以及后续工艺步骤中的热处置都会使注入杂质分散。 1用离子注入掺杂技术调整阈值电压用离子注入掺杂技术调整阈值电压 注入剂量 原始衬底掺杂浓度 离子注入浓度平均值 注入浓度分布 深度 1浅注入 注入深度远小于外表最大耗尽层厚度 2深注入 深度大于强反型下的外表最大耗尽区厚度，外表

18、反型层及外表耗尽区全都分布于杂质浓度均匀的区域 3中等深度注入 dS小于外表最大耗尽区厚度，但二者大小可以比较的情形 衬偏调制系数：衬偏调制系数：浅注入浅深注入中等深度注入 实践工艺中多半采用较容易实现的中等深度注入，当UBS 2.6 V时，最大外表耗尽层厚度小于注入深度，属于深注入情形，只需UBS 2.6 V时，最大外表耗尽层厚度才会大于注入深度。为了获得良好的特性，采用这种方式注入时，应适当地减小注入深度dS 。 2用埋沟技术调整MOS管的阈值电压 1埋沟MOS管的特性 注入较浅，Xj注入结深度较小的器件，外加UGS的数值足够大，半导体外表随UGS在耗尽和弱反型区变化时沟道开场夹断，夹断以

19、后再添加UGS的数值，器件不断是截止的 UBS 较小时，UGS增大到外表强反型时沟道尚未夹断，从此继续添加UGS ，由于外表耗尽区不再扩展，沟道不能够夹断，恣意UGS之下MOS场效应晶体管一直是导通的 开场夹断ID0UDS 0UDS 0耗尽型2采用埋沟技术控制MOS管阈值电压的大小 漏端附近纵向沟道区体积元 衬底 外表耗尽区厚度 沟道厚度 PN结空间电荷 沟道夹断条件 XS +Xn = Xj PN结空间电荷区宽度与外加电压的关系 沟道厚度为0 埋沟埋沟预先深度控制先深度控制导电沟道；沟道； 对于构造已定的器件，用埋沟技术就可以控制器件沟道是夹断或是夹不断的情况，从而得到不同的转移特性； 用埋沟

20、技术，可以减弱UBS对阈值电压的影响。 4.3 MOS管的直流电流管的直流电流-电压特性电压特性 定量分析电流-电压特性，一级效应的6个假定： 漏区和源区的电压降可以忽略不计； 在沟道区不存在复合-产生电流； 沿沟道的分散电流比由电场产生的漂移电流小得多； 在沟道内载流子的迁移率为常数； 沟道与衬底间的反向饱和电流为零； 缓变沟道近似成立，即跨过氧化层的垂直于沟道方向的电场分量EX与沟道中沿载流子运动方向的电场分量EY无关。沿沟道方向电场变化很慢。4.3.1 线性区的电流线性区的电流-电压特性电压特性 沟道从源区延续地延伸到漏区 电子流动方向为y方向 U (y) 沟道的三个参数：长度L、宽度W

21、和厚度d在沟道中的垂直方向切出一个厚度为dy的薄片来，阻值为：在该电阻上产生的压降为：根据：根据：因此因此引进 增益因子 当UDS比较小时 线性关系 管的导通电阻 线性任务区的直流特性方程 当UDS很小时，IDS与UDS成线性关系。UDS稍大时，IDS上升变慢，特性曲线弯曲。 电压除电流4.3.2 饱和区的电流饱和区的电流-电压特性电压特性漏-源电压添加，沟道夹断时临界IDS不在变化，进入饱和任务区 漏-源饱和电压 漏-源饱和电流 继续添加UDS，那么沟道夹断点向源端方向挪动，在漏端将出现耗尽区，耗尽区的宽度Xd 随着UDS的增大而不断变大(耗尽区向左扩展 )； 沟道漏端已夹断的nMOSFET

22、当UDS增大时，将随之添加。 这时实践的有效导电沟道长度已从L变为L ， 实践上任务区的电流不是不变的，对应的漏-源饱和电流 在N型沟道中运动的电子到达沟道夹断处时，被漏端耗尽区的电场扫进漏区构成电流； 沟道调制系数 沟道长度调变效应：漏沟道长度调变效应：漏-源饱和电流随着沟道长度的减小而增源饱和电流随着沟道长度的减小而增大的效应。大的效应。 当栅压UGS略微低于阈值电压UT时，沟道处于弱反型形状，流过漏极的电流并不等于零，这时的任务形状处于亚阈值区，流过沟道的电流称为亚阈值电流。此时漏-源电流主要是分散电流： 电流流过的截面积A 亚阈值电流4.3.3 亚阈值区的电流亚阈值区的电流-电压特性电

23、压特性n(x) 为电子的浓度 根据电流延续性的变化，电子的浓度在沟道中的线性分布为： 亚阈值电流是：亚阈值电流是：近似方法 有效沟道厚度 指数变化 当栅极电压低于阈值电压时，电流随栅极电压呈指数变化。在亚阈值区，当漏极电压分别为0.1 V及10 V时，电流变化趋势无明显差别。 栅压向下纵深用栅极电压摆幅S来标志亚阈值特性，它代表亚阈值电流IDS减小一个数量级对应的栅-源电压UGS下降量; 当管的栅氧化层厚度为570 ，衬底掺杂浓度为5.61016 cm3时，使电流减小一个数量级所需的栅极电压摆幅S为83 mVUBS = 0 V、67 mVUBS=3 V及63 mVUBS = 10 V。 Sub

24、threshold swings 显然，影响S的要素很多，二氧化硅的厚度，栅电容和衬底的杂质浓度等。4.3.4 击穿区特性及击穿电压击穿区特性及击穿电压两种不同的击穿机了解释：1、漏区与衬底之间PN结的雪崩击穿；2、漏和源之间的穿通。 击穿缘由: BUDS 漏-源击穿电压1、漏、漏-源击穿机理源击穿机理 1栅调制击穿主要发生在长沟道管MOS管中，有以下 几个特点 对实践器件丈量，发现有以下特点： 源-漏PN结的结深为l.37 m的管，普通 BUDS = 2540 V， 低于不带栅电极的孤立漏PN结的雪崩击穿电压。 器件去除栅金属后，BUDS可上升到70 V。 衬底电阻率高于10 cm时，BUD

25、S与衬底掺杂浓度无关，而 是决议于漏-源结深、栅氧化层厚度及UGS 。 栅调制击穿最重要的特征是 BUDS受UGS控制，当 UGSUT，器件导通时，BUDS随UGS增大而上升，而在截止区UGSUT 的导通区，的导通区， BUDS随随UGS添加而下降，并且呈现软击穿，不添加而下降，并且呈现软击穿，不同与栅调制击穿。同与栅调制击穿。 在在UGSU T的截止区，的截止区， 随随UGS 添加添加BUDS下降，并且下降，并且呈现硬击穿，与栅调制击穿一样。呈现硬击穿，与栅调制击穿一样。3“NPN管击穿衬底电阻率高的短沟道NMOS管 发射区 基区 集电区 寄生NPN管的共发射极击穿: 缘由是沟道夹断区强场下

26、的载流子倍增和转角区载流子倍增，衬底电流产生的压降经衬底极加到源极上；假定UBS = 0，这一压降使源PN结正偏(发射结正偏)，漏PN结(集电结)出现载流子倍增，进入“倍增-放大的往复循环过程，导致电压下降热击穿，电流上升。 发射结集电结主要特征：呈现 负阻特性 导通形状下UGS愈高，那么漏-源击穿电压BUDS愈低;该情况只发生在，高电阻率的短沟道的NMOS场效应管负阻特性能引发二次击穿 UDSID4漏-源穿通机构及漏-源穿通电压 BUDSP 输出端沟道外表漏结耗尽区的宽度 漏极电压UDS增大时，漏结耗尽区扩展，使沟道有效长度缩短；当Xdm扩展到等于沟道长度L时，漏结耗尽区扩展到源极，便发生漏

27、-源之间的直接穿通。 穿通电压 当MOS管的沟道很短时，漏-源穿通电压才能够起主要作用。当UGS UT = 0时， 简化 NB为衬底掺杂浓度。穿通电压与沟道长度L的平方成正比。 沟道长度越长，穿通电压越高，即：不易穿通。2、最大、最大栅-源耐源耐压BUGS 输入端破坏性入端破坏性击穿穿是由栅极下面SiO2层的击穿电压决议的； SiO2发生击穿的临界电场强度：EOXmax= 8106 Vcm，厚度为tOX 的SiO2层的击穿电压如，tOX = 1500 ，那么BUGS = 120 V。 实践栅-源之间的击穿电压，比计算的值低。 4.4 MOS电容及瞬态电路模型电容及瞬态电路模型 (简述简述) 电

28、容包括：MOS电容； 极间电容；CGS、 CGD 、 CGB 、 CBD 、 CBS 等瞬态电路模型：由瞬态电路模型：由MOS电容、电容、 MOS场效应晶体管沟道电场效应晶体管沟道电流源和流源和MOS场效应晶体管寄生二极管构建的瞬态电路模型。场效应晶体管寄生二极管构建的瞬态电路模型。是是SPICE模型中最根本的模型，也是电路分析模拟、开关模型中最根本的模型，也是电路分析模拟、开关特性的研讨中最根本模型。特性的研讨中最根本模型。 4.4.1 理想理想MOS构造的构造的电容容电压特性特性 1、MOS构造的电容构成构造的电容构成 假设理想MOS构造没有金属和半导体之间的功函数差，氧化层是良好的绝缘体

29、，几乎没有空间电荷存在，Si-SiO2界面没有界面圈套，外加栅压UG 一部分降落在氧化层UOX上，另一部分降落在硅外表层US，所以UG = UOX + US 。 电容等效电路 构造电容 氧化层电容 外表空间电荷层电容 其中单位面积电容 Xdm 外表空间电荷层厚度2、低频信号不同任务条件下的电容变化规律、低频信号不同任务条件下的电容变化规律 栅压 归一化电容归一化电容 +- -C-V Curves阈值电压1多子外表堆积形状图中的AB段 栅压为负值时，多子(空穴 )外表堆积，外表电容 CA取代CS可得多子外表堆积形状下的“归一化电容 负栅压UG比较大时，US是比较大的负值，分母第二项趋于零。C/C

30、OX = 1，即C = COX ，电容是不随栅偏压变化的，总电容就等于SiO2层的电容。 Accumulation2平带形状图中BC段 ，C点 栅偏压的绝对值逐渐减小时，US也变得很小，空穴的堆积减弱，使得C/COX随外表势 |Us| 的减小而变小 ； 当UGS = 0时，曲线C点平带点 平带电容 平带形状的归一化电容 C点的位置与衬底的掺杂浓NA及SiO2的厚度有亲密的关系。 3外表耗尽形状图中CD段 栅极上加正偏，但未出现反型形状，外表空间电荷区仅处于耗尽形状， 耗尽层电容 外表刚耗尽时耗尽层归一化电容 电容随栅压的平方根添加而下降，耗尽形状时，外表空间电荷层厚度Xdm随偏压UG增大而增厚

31、，CD那么越小，C/COX也就越小 ； Depletion4外表反型形状图DE段 栅极加正偏增大，外表出现强反型层，外表空间电荷区的耗尽层宽度维持在最大值Xdm， 外表空间电荷层的电容 外表出现强反型层归一化电容 当US正值且较大时，大量的电子堆积到外表， C/COX = 1 图中EF段C = COX Inversion 1、交流瞬态模型构造、交流瞬态模型构造 栅源电容 栅漏电容 栅衬电容 栅源覆盖电容 栅漏覆盖电容 衬漏寄生电容 衬源寄生电容 源极资料电阻 资料串联电阻 沟道电流 寄生二极管电流 4.4.2 瞬态电路模型瞬态电路模型SPICE模型的建立模型的建立 MOS场效应晶体管中的电荷存

32、储效应，对MOS场效应晶体管及MOS电路的交流以及瞬态特性有决议性作用。覆盖电容：栅区和源、漏区相应覆盖区域之间的电容2、交流瞬态模型参数、交流瞬态模型参数 1寄生电流参数 沟道电流IDS已确定，两个寄生PN结二极管电流 UBS、UBD为衬-源和衬-漏寄生PN结二极管的电压 2寄生势垒电容 AS和AD分别为源和漏结的底面积，CJ为源或漏对衬底结单位面积的零偏置电容，PS和PD分别为源结和漏结的周长，CJSW为源或漏侧面单位周长的零偏置电容，mJ为源或漏底面积结的梯度系数，mJSW为源或漏侧面结的梯度系数，UBJ为衬底结的自建势。 3电荷存储产生的栅沟电容参数 栅-衬覆盖电容 栅-源覆盖电容 栅

33、-漏覆盖电容 L、W为沟道长度和宽度；CGS0和CGD0分别为单位沟道宽度上的栅-源和栅-漏的覆盖电容，CGB0为单位沟道长度上的栅-衬底覆盖电容; 3、极间电容随任务条件发生的变化、极间电容随任务条件发生的变化 1在截止区 沟道尚未构成，栅-沟道电容CGC等于栅对衬底的电容CGB UGS的添加，外表开场反型，CGB随着UGS的增大而减小 多子外表堆积形状平带形状2在线性区 沟道曾经构成， CGC = CGS + CGD 在UDS = 0时，UGD = UGS， 3在饱和区 沟道中载流子电荷不随漏极电压改动而改动，CGD等于零， 临界饱和时，沟道开场夹断，UDS = UGS UT ， 4.5

34、交流小信号参数和频率特性交流小信号参数和频率特性 小信号(Small signal)特性在一定任务点上，输出端电流IDS的微小变化与输入端电压UGS的微小变化之间有定量关系，是一种线性变化关系； 小信号参数不随信号电流和信号电压变化的常数；假定：在恣意给定时辰，端电流瞬时值与端电压瞬时值间的函数关系与直流电流、电压间的函数关系一样。 4.5.1 交流小信号参数交流小信号参数 1跨导 gm 反映外加栅极电压(Input)变化量控制漏-源电流(Output)变化量的才干 转移特性变化率输出电流/ 输入电压gm= tg在UDS一定的条件下，栅电压每变化1V所引起的漏-源电流的变化。跨导标志MOS场效

35、应晶体管的电压放大身手与电压增益 KV 的关系 跨导越大，电压增益也越大，跨导的大小与各种任务形状有关。跨导越大，管子越好。负载电阻 RL 输出电阻输出电压/ 输入电压1线性区跨导gml 在线性任务区，当UDS UDsat时， gml = UDS 丈量结果阐明，当UGS增大时gml下降。 gml 随UDS 的添加而略有增大， 2饱和区跨导gms在饱和任务区，当UDS UDsat时， 根本上与UDS无关。 提高gml 和gms 的方法： 增大管子的沟道宽长比W/L，减薄氧化层厚度等，提高载流子迁移率，适当增大栅极任务电压UGS 增益因子3衬底跨导gmb源与衬间加上反偏UBS ，会影响流过沟道的漏

36、-源电流， 将UDS换成UDsat，即饱和区衬底跨导； UDS愈高和|UBS | 愈低时，gmb数值愈大。 为获得高衬底跨导，需求选用高外表迁移率资料，设计大沟道宽长比和运用高掺杂衬底资料。 输出电流/ 源衬电压2漏-源输出电导 gd 1线性任务区 当UDS较小时， 饱和任务区的跨导 在UGS不太大时，gdl与UGS成线性关系。 输出电阻1/gdl 随UGS 的增大而减小。 当漏-源电流较大时，gdl 与UGS的线性关系不再维持，是由于电子的迁移率随UGS的添加而减小。 随着UDS 的增大， 输出电流/ 输出电压2饱和区 在理想情况下，IDS与UDS无关。饱和任务区的gds应为零，即输出电阻为

37、无穷大。曲线平坦实践管，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，有两个缘由。 沟道长度调制效应 当UDS UDsat时， 沟道有效长度缩短 当UGS UT增大时，gm也增大。当UDS添加时，gds也增大，使输出电阻下降。 漏极对沟道的静电反响作用 当UDS增大时，漏端N+ 区内束缚的正电荷添加，漏端耗尽区中的电场强度增大。 漏区的一些电力线会终止在沟道中，这样，N型沟道区中电子浓度必需增大，从而沟道的电导增大； 假设管的沟道长度较小，即漏-源之间的间隔较小，导电沟道的较大部分就会遭到漏极电场的影响； 假设衬底资料的电阻率较低，漏-衬底以及沟道-衬底之间耗尽区

38、较窄，静电反响的影响就较小。 这种效应是指衬底低掺杂，沟道短的情况下，漏衬PN结耗尽区宽度以及外表耗尽区宽度与沟道长度可比较时，漏区和沟道之间将出现静电耦合，漏区发出的场强线中的一部分经过耗尽区中止于沟道，致使反型层内电子数量添加的景象 ;3串联电阻对 gm 和 gd的影响 1对跨导的影响 外接串联电阻RS 源区的体电阻、欧姆接触及电极引线等附加电阻； RS影响后的跨导 跨导将减小 RS 起负反响作用，可以稳定跨导。 假设 RS gm 很大， 深反响情况，跨导与器件参数无关。 源区2对输出电导的影响 RD 在线性任务区受RS及RD影响的有效输出电导 串联电阻RD和RS会使跨导和输出电导变小，应

39、尽量减少漏极和栅极串联电阻。 4.5.2 MOS管频率特性管频率特性 宽带简化电路模型 输源电容 栅漏电容 输出电容 Cin是栅-漏电容CGD与栅-源电容CGS的并联 CO是漏-源电容CDS与衬-漏PN结势垒电容CBD的并联 CGS输入电容 1截止频率fT理想情况忽略栅-漏电容CGD以及漏极输出电阻rD ， Cin CGS 截止频率T 流过CGS上的交流电流上升到正好等于电压控制电流源gmUGS电流时电压放大倍数等于1的频率 T = 2 fT 在饱和任务区时 与沟道长度L的平方成反比，沟道短的管 fT 会更高。 长沟MOS管，沟道刚夹断时 沟道区的横向电场 载流子渡过沟道区L所需求的时间为渡越

40、时间 ， 假设 减小沟道长度L是提高截止频率的重要手段。 2最高任务频率 fMfM 功率增益等于1时的频率； 栅-沟道电容CGC 当栅-源之间输入交流信号之后，从栅极添加流进沟道的载流子分成两部分，其中一部分对栅-沟道电容CGC充电，另一部分径直经过沟道流进漏极，构成漏-源输出电流。 当信号频率 添加，流过CGC的信号电流添加，从源流入沟道的载流子用于添加栅沟道电容充电的部分，直至 增大到足够大，使全部沟道电流用于充电，那么漏极输出信号为0，即流入电容CGC的电流等于输入信号引起的沟道电流时的频率 是管的最高任务频率 M 。管跨导愈大，最高任务频率愈高；栅极-沟道电容CGC愈小，最高任务频率也

41、愈高; 管的高频优值 gm/CGC 衡量管的高频特性，比值愈高， 高频特性愈好。 提高fM ，从构造方面该当使沟道长度缩短到最低限制，也必需尽能够增大电子在沟道外表的有效迁移率n。硅资料电子迁移率n比空穴迁移率p大 。nM = 2 fM 4.6 MOS管的开关特性管的开关特性(Switching feature)开关形状管主要任务在两个形状，导通态和截止态； 两种开关特性本征与非本征开关延迟特性； 本征延迟：载流子经过沟道的传输所引起的大信号延迟；本征延迟：载流子经过沟道的传输所引起的大信号延迟； 非本征延迟：被驱动的负载电容充非本征延迟：被驱动的负载电容充-放电以及管之间的放电以及管之间的R

42、C延迟；延迟； MOS管用来构成数字集成电路，如 构成触发器、存储器、移位存放器等等。构成的集成电路功耗小、集成度高。 4.6.1 MOS管瞬态开关过程管瞬态开关过程开关等效电路开和关形状转换即在截止区和可变电阻区间来回切换，且受UGS控制非本征开关过程非本征开关过程 (外部形状影响外部形状影响)电阻负载倒相器 负载电阻 负载电容 电源 IDS阶跃信号(方波)1开经过程 延迟时间 上升时间 延迟过程输入栅压UGS添加，信号UG(t)向栅电容CGS和CGD充电，随着栅压添加，经过一定的延迟，栅电容CGS上的栅压到达阈值电压UT 时，输出电流开场出现；上升过程UGS超越UT 时，进入线性任务区，U

43、G(t)使反型沟道厚度增厚，电流开场迅速增大；在上升时间tr终了时，电流到达最大值，栅压到达UGS2 ；延迟 UT理想开波形 UGS2为什么输入方波，而实践如此变化？2关断过程 储存时间 下降时间 储存过程去掉栅压，栅电容CGS放电，栅压UGS下降，当UGS下降到上升时间终了时的栅压UGS2时，电流才开场下降；也是管退出饱和的时间；下降过程储存时间终了后，UGS继续放电，栅压UGS从UGS2进一步下降，反型沟道厚度变薄，电流快速下降，当UGS小于UT 后，管截止，关断过程终了；延迟 理想关波形 UTUGS2非本征开关时间 栅峰值电压 输入电容 电流脉冲发生器的内阻 开通和关断时间近似相等 to

44、n= toff 非本征开关时间受负载电阻RL、负载电容CL、栅峰值电压UGG以及电容和电阻的影响，减小栅电容及电阻值是很重要的。 4.6.2 MOS管瞬态开关时间计算管瞬态开关时间计算 本征延迟开关过程本征延迟开关过程 定义：本征延迟过程的时间是栅极加上阶跃电压，使沟道导通，漏极电流上升到与导通栅压对应的稳态值所需求的时间。载流子渡越沟道长度，该过程与传输的电流的大小和电荷的多少有关，与载流子漂移速度有关，漂移速度越快，本征延迟的过程越短。在线性区，UDS 0 时，本征开通延迟时间 饱和区本征开通延迟时间 减小沟道长度是减小开关时间的主要方法； 沟道不太长，本征开通延迟时间较短。如L = 5m

45、，n = 60cm2/Vs的NMOS管，UDS = UGS UT = 5V时，tch只需111ps。普通说来，假设沟道长度小于5m，那么开关速度主要由负载延迟决议。对于长沟管，本征延迟与负载延迟可相比较，甚至超越。 4.7 MOS管的二管的二级效效应理想理想结果的修正果的修正 二级效应非线性、非一维、非平衡等要素对I-V特性产生的影响，它们包括：非常数外表迁移率效应、体电荷效应、短沟道效应、窄沟道效应等。 4.7.1 非常数外表迁移率效应非常数外表迁移率效应 实践情况，MOS管外表载流子的迁移率与外表的粗糙度、界面的圈套密度、杂质浓度、外表电场等要素有关。 电子外表迁移率的范围为550950

46、cm2/Vs，空穴外表迁移率的范围为150250 cm2/Vs，电子与空穴迁移率的比值为24。 在低栅极电压情况下测得，即UGS仅大于阈值电压12V。 当栅极电压较高时，发现载流子迁移率下降，这是由于UGS 较大时，垂直于外表的纵向电场也较大，载流子在沿沟道作漂移运动时与Si-SiO2界面发生更多的碰撞，使迁移率下降。 阅历数听阐明，在低电场时是常数，电场到达0.51105 V/cm时，迁移率开场下降。 然而：迁移率下降的结果阐明：饱和任务区，漏-源电流随UGS的添加不按平方规律；线性任务区，对于UGS较大的情况下曲线会聚在一同 ； 知：缘由：迁移率随纵向电场的增大而降低的规律 在线性任务区

47、非常数外表迁移率效应使迁移率下降，使电流-电压特性变差。 低电场时的迁移率 电场下降系数 经过氧化层的纵向电场 4.7.2 体电荷效应体电荷效应 在MOS场效应管的电流-电压关系计算的时候，理想的条件下沟道下面的厚度近似不变，电荷密度QBm(x)根本上和位置无关。当UDS添加，尤其是当UDS接近于UDsat 时，沟道下面的耗尽层厚度明显不为常数，这时必需思索体电荷变化的影响。 外表开场强反型的外表势 外表耗尽层内单位面积上电离受主的电荷密度 沟道方向有电压降 外表强反型条件 反型区电荷 简单模型估算的电流偏高20%50%，而且UDSat也偏大。 通常在电流小于最大值的20%时，两种模型的结果根

48、本相符 衬底掺杂浓度降低后，体电荷影响减弱 根据课本241页式子4-52的推理没有思索体电荷的变化4.7.3 短沟道效短沟道效应 L 的影响的影响 假设沟道长度缩短，源结与漏结耗尽层的厚度可与沟道长度比较时，沟道区的电势分布将不仅与由栅电压及衬底偏置电压决议的纵向电场EX有关，而且与由漏极电压控制的横向电场EY也有关。短沟道效应在沟道区出现二维电势分布以及高电场，会导致阈值电压随L的缩短而下降，亚阈值特性的降级以及由于穿通效应而使电流饱和失效； 此时， 缓变沟道的近似不成立，二维电场分布导致阈值电压随沟道的长度变化。沟道长度缩短，沟道横向电场增大时，沟道区载流子的迁移率变化与电场有关，最后使载

49、流子速度到达饱和。当电场进一步增大时，接近漏端处发生载流子倍增，从而导致衬底电流及产生寄生双极型晶体管效应，强电场也促使热载流子注入氧化层，导致氧化层内添加负电荷及引起阈值电压挪动、跨导下降等 1、短沟道、短沟道MOS管的亚阈值特性管的亚阈值特性 实际发现：当沟道减少时，由于漏沟静电反响效应，阈值电压UT 显著减小。 规范N沟MOS制造工艺：衬底为100晶面的P型硅片，栅氧化层取一定的厚度，用X射线光刻的方法得到长度从110 m的多晶硅栅，它们的宽度均为70 m，漏和源区由砷离子注入及随后的退火工艺构成。根据注入能量及退火条件，可得到从0.251.56 m的不同结深，接触金属采用铝制造 。显然

50、：1、亚阈值电流与漏极电压UD无关， 2、图中表现为实线UD =1.0V与虚线UD =0.5V 偏离，但当沟道长度从7 m变短为1.5m情况，亚阈 值电流与UD的关系变的明显。 显然：1、当衬底掺杂浓度较低 时，器件偏离长沟 道特性也变的显著，即使在L =7m时，实线与虚线 也已开场分别。 2、当L =1.5m时，长沟道特性几乎全部消逝，器件甚 至不能“截止了，由图可以得出，沟道减少时，UT 显著减小。 2、最小沟道长度、最小沟道长度 Lmin 当MOS场效应晶体管管氧化层厚度为1001000，衬底掺杂浓度为10141017cm3，结深为0.181.5m，漏极电压直到5V，由此可得到下述表示具

51、有长沟道亚阈值特性最小沟道长度 Lmin 的阅历公式 ：XS +Xd 为源-漏一维突变结耗尽区厚度之和 当UD= 0 时，Xd 与XS 相等。丈量结果及计算结果的最大误差在20%以内 如 = 105m3，10m沟道长度已是短沟道器件，但是假设 = 1m3 ，0.5m沟道长度的器件依然可示为长沟道器件。 4.7.4 窄沟道效窄沟道效应 W 的影响的影响 窄沟道效应当沟道宽度W小到可以和沟道耗尽层厚度比较时，会出现随着W的减小使UT 添加的景象；实践上，对于沟道耗尽层厚度为0.5m的MOS管，当W为5m时，已开场有窄沟道效应发生 场氧化层的厚度 栅氧化层厚度 场氧化层下面耗尽层的厚度 栅下面沟道耗

52、尽层的厚度 当W减小时，栅下面沟道耗尽区的电荷减小，但实践的耗尽层边境延伸进入厚氧化层下面的区域，故厚氧化层下面的额外电荷必需包括在UT 的作用之中，计算中必需思索 当衬底资料是均匀掺杂时，想象有三种包括额外电荷的外形：三角形、四分之一圆以及正方形。 实验数听阐明，采用 = 2，即正方形的几何构造，得到的结果最正确 沟道宽度小于10m时，阈值电压开场添加，窄沟道效应开场起作用。 在实践的MOS场效应晶体管中，场氧化层下面的掺杂浓度要高于沟道区的掺杂浓度，使UT 显著增大。 4.8 MOS管温度特性管温度特性 4.8.1 热电子效应热电子效应在MOS电路中，为维持与其他电路的电平匹配，器件按比例

53、减少时，漏压并不减小，导致沟道区电场增大；强电场作用，电子在两次碰撞之间会加速到比热运动速度高许多倍的速度，由于动能很大而称为热电子，而引起“热电子效应。 同时，具有较高动能的热电子，还可经过碰撞电离产生电子-空穴对，使电子和空穴的数目倍增。 电子在强电场作用下，漂移速度不再与电场成线性关系。当电场到达约3104 V/cm时，电子速度趋于饱和。 当栅极电压高于漏极电压时，由于垂直于沟道方向电场的作用，热电子会向栅氧化层注入，从而导致器件性能变差。热电子注入氧化层的条件是其动能高于Si-SiO2的势垒高度。越过SiO2-Si界面的热电子，一部分穿过栅介质成为栅极电流，另一部分积累在栅氧化层中，构

54、成受主型的界面态。这些界面态会进一步吸引外表电子，同时耗费外表可动载流子，使电子的外表迁移率下降，呵斥阈值电压的漂移以及跨导的下降 。Bipolar issues in MOSN沟MOS场效应晶体管，衬底资料往往接地成负偏压。因此，大量空穴进入衬底，构成衬底电流。电流的阅历公式 最大沟道电场 温度倍增系数 衬底电流的添加，使寄生横向N-P-N管基极电位升高。当基极电位升高到高于源极发射极约0.7V时，寄生N-P-N管会导通，这样就进一步添加热电子电流，这是一种正反响过程，会使MOS场效应晶体管的漏-源电流急剧上升，而迅速到达击穿形状，即降低击穿电压，甚至在5V下也不能正常任务。 POSITIV

55、E FEEDBACK LOOP can cause device destruction.4.8.2 迁移率随温度的变化迁移率随温度的变化 当外表电场 电子和空穴的有效迁移率实践是常数，其数值等于半导体内迁移率的一半 实验还发现，此时迁移率随温度上升而呈下降趋势。在较高温度下，反型层中的电子与空穴的迁移率 在55+150的较低温度范围内 器件因子那么具有负温度系数。 4.8.3 阈值电压与温度关系阈值电压与温度关系 阈值电压随温度的变化主要来源于费米势和本征载流子ni随温度的变化 对于N沟器件 对于N沟道器件，知对于P型硅：阈值电压随着温度的升高，dUTn /dT 0。 实验阐明：在55+12

56、5范围内，N沟及P沟MOS场效应晶体管的阈值电压都随温度呈线性变化。 由半导体的知识可得：在通常的范围内：4.8.4 MOS管几个主要参数的温度关系管几个主要参数的温度关系 1、非、非饱和区温度特性和区温度特性 线性任性任务区区1电流的温度特性 漏极电流 增益因子温度系数 第一项为负，第二项为正。当UGS UT 较大时，第二项作用减弱，漏电流温度特性主要受迁移率支配，即漏电流温度系数为负，当UGS UT 较小时，第二项起作用，对于N沟MOS，dUT /dT 0，漏电流温度系数为正。 选择适宜的(UGS UT)值，可使N沟漏电流的温度系数为零。 零温度系数的任务条件 2跨导的温度特性 gm= UDS 温度系数 在非饱和区，跨导随温度的变化仅与迁移率的温度特性有关，因此跨导的温度系数为负值。 3漏极电导的温度特性 由迁移率与阈值电压两个要素决议的，即在适当的条件下，其温度系数可减小到零。 饱和区温度特性饱和区温度特性 饱和区跨导gms等于线性区漏导，故其温度系数 漏极电导与饱和电流二者的温度系数均受迁移率和阈值电压温度特性的影响，因此也都存在着零温度系数任务点。