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1、 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui ProvinceMOSFETMOSFET特性分析特性分析Prof. Gaobin XuProf. Gaobin XuMicro Electromechanical System Research Center of Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province of Enginee
2、ring and Technology of Anhui Province of Hefei University of Technology Hefei University of Technology Hefei, Anhui 230009, ChinaHefei, Anhui 230009, China.: 05518762.: 05518762: gbxuhfut.edu: gbxuhfut.edu Chap.6 MOSFET Chap.6 MOSFET Lecture 27 Lecture 27：6.66.6、 6.7 6.7、 6.9 6.9 Micro Electromechan
3、ical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui ProvinceOutline1. 1. 等效电路和频率呼应等效电路和频率呼应2. MOSFET2. MOSFET的类型的类型3. 3. 影响阈值电压的其他要素影响阈值电压的其他要素 1 1掺杂浓度和氧化层厚度掺杂浓度和氧化层厚度 2 2衬底偏置衬底偏置 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui ProvinceMOSFETMOSFE
4、T的的小小信信号号特特性性是是指指在在一一定定任任务务点点上上，输输出出端端电电流流的的微微小小变变化化与与输输入入端端电电压压的的微微小小变变化化之之间间有有定定量量关关系系。这这是是一一种种线线性性变变化化关关系系，可可以以用用线线性性方方程程组组描描画画小小信信号号特特性性，其其中中不不随随信信号号电流和信号电压变化的常数即小信号参数。电流和信号电压变化的常数即小信号参数。一、等效一、等效电路和路和频率相率相应 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Pro
5、vince1 1线性性导纳( (漏源漏源输出出电导) )在线性区的电阻称为开态电阻或导通电阻，可表示为：在线性区的电阻称为开态电阻或导通电阻，可表示为：1.1 小信号参数可忽略可忽略 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province在在VDS较小时，较小时，gdl与与VDS无关。随着无关。随着VDS的增大，但还未的增大，但还未到饱和区，到饱和区，gdl将会减小。此时有：将会减小。此时有：不可忽略不可忽略 Micro Electromechanical Sy
6、stem Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province2 2、温温度度添添加加，斜斜率率的的减减小小，是在高温下迁移率下降呵斥的是在高温下迁移率下降呵斥的1 1、低低栅栅压压下下gdgd随随栅栅压压线线性性变变化化，高高栅栅压压下下的的不不同同特特性性主主要要是是由由于于高高外外表表载载流流子子浓浓度度时时迁移率下降呵斥的迁移率下降呵斥的 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Pr
7、ovince在不思索沟道长度调变效应时，在不思索沟道长度调变效应时，IDS与与VDS 无关。无关。饱和任务区的饱和任务区的gds为零，即输出电阻为无穷大。为零，即输出电阻为无穷大。2饱和区漏源和区漏源输出出电导 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province饱和区的漏极和区的漏极电阻阻理理想想情情况况下下，对对于于任任何何超超越越夹夹断断条条件件的的漏漏极极电电压压，漏漏极极电电流流为为常常数数电电流流与与电电压压无无关关。即即对对于于VDVDsat时时
8、的的情情况况，漏漏极电阻为无限大。饱和区漏极电阻定义为：极电阻为无限大。饱和区漏极电阻定义为：饱饱和区漏极和区漏极和区漏极和区漏极电电阻可用作阻可用作阻可用作阻可用作图图法从漏极特性中求得法从漏极特性中求得法从漏极特性中求得法从漏极特性中求得 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province对于实践对于实践MOSFET，饱和区输出特性曲线总有一定的倾斜，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。使输出电导不等于零，即输出电
9、阻不为无穷大。当当(VGS-VTH)增增大大时时，gds增增大大。当当VDS添添加加时时，gds也也增增大大，使使输输出出电电阻阻下下降。降。 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province(3) (3) 跨跨导导线线性区：性区：性区：性区：饱饱和区：和区：和区：和区：饱饱和和和和区区区区的的的的跨跨跨跨导导与与与与线线性性性性区区区区的的的的导导纳纳相相相相等等等等: : 在在在在假假假假设设QBQB为为常常常常数数数数时时才才才才成成成成立立立立 M
10、icro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province(4) (4) 栅栅极极电电容容MOSFETMOSFET的的的的栅栅栅栅极极极极电电电电容容容容为为为为：栅栅极极极极电电容称容称容称容称为为本征本征本征本征电电容容容容: : : :栅栅源源源源电电容容容容CgsCgsCgsCgs；栅栅漏漏漏漏电电容容容容CgdCgdCgdCgd栅栅极极- -源源极极、漏漏极极两两个个N+N+区区的的重重叠叠部部分分；源源极极衬衬底底；栅栅极极衬衬底底；漏漏极极、源源极极两两
11、个个PNPN结结之间的电容之间的电容CdsCds寄生寄生寄生寄生电电容：容：容：容： Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province1.2 串联电阻对电导gd和跨导gm的影响 对跨跨导的影响的影响由于由于MOSFET源区的体电阻、欧姆接触及电极引线等附加电源区的体电阻、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阻的存在，使源区和地之间有一个外接串联电阻RS：假设假设RSgm很大：很大：串联电阻起负反响作用不能忽略时：串联电阻起负
12、反响作用不能忽略时： Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province 对输对输出出出出电导电导的影响的影响的影响的影响假设漏区的外接串联电阻为假设漏区的外接串联电阻为RD ，在线性任务区受，在线性任务区受RS 及及RD 影响的有效输出电导：影响的有效输出电导：1、RS 和和RD会使跨导和输出电导变小；会使跨导和输出电导变小；2、在设计和制造、在设计和制造MOSFET时应尽量减少漏极和栅极串联电阻。时应尽量减少漏极和栅极串联电阻。阐明：阐明： Micro
13、Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province可得：可得：移项得到：移项得到：代入代入根据：根据：串联电阻的导纳变化串联电阻的导纳变化提示提示提示提示JFETJFETJFETJFET： Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province1.3 1.3 频频率特性率特性截截止止频频率率f0定定义义为为MOSFET的的输输入入电电流流
14、和和输输出出电电流流相相等等时时的的频频率，即器件输出短路时，器件不可以放大输入信号时的频率。率，即器件输出短路时，器件不可以放大输入信号时的频率。总的栅电容总的栅电容截止截止截止截止频频率：率：率：率：在在在在饱饱和区：和区：和区：和区： Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province1、对对于于N沟沟道道MOSFET，在在VGS=0时时，不不存存在在沟沟道道，只只需需当当VGSVTH时时，栅栅极极下下才才感感应应导导电电沟沟道道，这这种种MOSFET
15、通通常常称为称为N沟道加强型常闭型。沟道加强型常闭型。2、在在VGS=0时时，外外表表已已构构成成反反型型导导电电沟沟道道，器器件件处处于于导导通通形形状状，称称为为N沟沟道道耗耗尽尽型型常常开开型型。要要使使N沟沟道道耗耗尽尽，必必需需在在栅极上施加一定的负电压。栅极上施加一定的负电压。二 MOSFET的类型 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province Micro Electromechanical System Research Center o
16、f Engineering and Technology of Anhui Province三 影响阈值电压的其他要素根据：根据：阈值电压阈值电压与与与与衬衬底的底的底的底的掺杂浓掺杂浓度和氧化度和氧化度和氧化度和氧化层层的厚度有关的厚度有关的厚度有关的厚度有关 3.1. 3.1. 衬衬底底掺杂浓掺杂浓度和氧化度和氧化层层厚度的影响厚度的影响(6-9-1)(6-9-1) Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province阈值电压阈值电压与与与与衬衬底底底底掺
17、杂浓掺杂浓度、度、度、度、氧化氧化氧化氧化层层厚度的关系厚度的关系厚度的关系厚度的关系N N沟道沟道沟道沟道P P沟道沟道沟道沟道N N沟沟沟沟道道道道阈阈阈阈值值值值电电电电压压压压在在在在低低低低掺掺掺掺杂杂杂杂时时时时，为为为为负负负负值值值值; ;在高在高在高在高掺杂时为掺杂时为掺杂时为掺杂时为正正正正值值值值。P P沟道器件沟道器件沟道器件沟道器件总总总总是是是是负值负值负值负值 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province控制阈值电压的方法
18、：1 1离子注入法：由于用离子注入掺杂含量可以非常准确，离子注入法：由于用离子注入掺杂含量可以非常准确，所以能准确的控制阈值电压。所以能准确的控制阈值电压。 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province2改改动动氧氧化化层层的的厚厚度度。这这种种方方法法广广泛泛运运用用于于MOSFET之之间间的的隔隔离离。这这时时，氧氧化化层层厚厚度度比比源源漏漏区区之之外外的的氧氧化化层层场场区区氧氧化化层层薄薄得得多多。于于是是场场区区氧氧比比层层VTH比比栅栅氧
19、氧化化层层的的VTH大大得得多多。假假设设将将适适当当栅栅偏偏压压同同时时加加在在栅栅极极氧氧化化层层和和场场区区氧氧化化层层上上，栅栅下下构构成成了了反反型型沟沟道道，而而场场区区氧氧化化层层下下面面的的半半导导体体外外表表仍仍保保侍侍耗耗尽尽形状。形状。 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province3.2. 衬底偏置的影响当当有有一一反反向向偏偏压压加加在在衬衬底底和和源源之之间间(对对于于N沟沟道道，加加在在P衬衬底底上上的的电电压压VSB相相对
20、对于于源源为为负负)时时，耗耗尽尽层层将将加加宽宽，使使得得空空间间电电荷荷层层中中负的固定电荷负的固定电荷QB添加：添加：添加固定电荷的添加固定电荷的QB：(6-9-2)(6-9-3)(6-9-4) Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province为到达强反型，外加栅电压必需加强来补偿为到达强反型，外加栅电压必需加强来补偿QB ，那么有：，那么有：(6-9-5)VTH Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province
