1、說明n這樣我就可以光明正大的水經驗了，哈哈，我得意地笑，我得意地笑 第十章第十章 金屬金屬-氧化物氧化物-半導體場效應晶體管半導體場效應晶體管基礎基礎MOSFET：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor（金屬氧化物半導體場效應管）（金屬氧化物半導體場效應管）n+n+P型硅基板型硅基板柵極（金屬）柵極（金屬）絕緣層（絕緣層（SiO2） 場場 效效 應應 管管場效應管：場效應管：一種電壓控制器件，它是利用電場效一種電壓控制器件，它是利用電場效應來控制其電流的大小，從而實現放大。工作時，應來控制其電流的大小，從而實現放大。工作時，內部參與導

2、電的只有多子一種載流子，因此又稱內部參與導電的只有多子一種載流子，因此又稱為單極性器件。為單極性器件。原理：原理：利用改變垂直于導電溝道的電場強度來控制利用改變垂直于導電溝道的電場強度來控制溝道的導電能力而實現放大作用溝道的導電能力而實現放大作用; ; 輸入阻抗高：輸入阻抗高：柵和其他端點之間不存在直流通道。柵和其他端點之間不存在直流通道。 噪聲系數小。多子輸運電流，不存在散粒噪聲和配分噪聲。噪聲系數小。多子輸運電流，不存在散粒噪聲和配分噪聲。 功耗小，可用于制造高密度的半導體集成電路。功耗小，可用于制造高密度的半導體集成電路。輸入功率很低輸入功率很低而有較高的輸出能力。而有較高的輸出能力。

3、溫度穩定性好。多子器件，電學參數不易隨溫度而變化（溫度穩定性好。多子器件，電學參數不易隨溫度而變化（n與與 ）。一種載流子參與導電。一種載流子參與導電。 抗輻射能力強：雙極型晶體管的抗輻射能力強：雙極型晶體管的 下降（非平衡少子的壽命降下降（非平衡少子的壽命降低），而場效應管的特性變化?。ㄅc載流子壽命關系不大）。低），而場效應管的特性變化小（與載流子壽命關系不大）。 其它：工藝衛生要求較高，速度較低。其它：工藝衛生要求較高，速度較低。特點特點n+n+P型硅基板型硅基板柵極（金屬）柵極（金屬）絕緣層（絕緣層（SiO2）半半導導體體基基板板漏極漏極源極源極源極源極(S)漏極漏極(D)柵極柵極(G)

4、MOSFET的類型的類型溝道中導電的溝道中導電的載流子類型載流子類型N溝道溝道（電子型）（電子型）P溝道溝道（空穴型）（空穴型）強反型時，導電溝道中的電子漂移運動形成電流強反型時，導電溝道中的空穴漂移運動形成電流VG0時，是時，是否有導電溝道否有導電溝道增強型增強型耗盡型耗盡型VG0時，無導電溝道VG0時，有導電溝道比較常用的是比較常用的是NMOS管，原因是導通電阻小，且容易制造。管，原因是導通電阻小，且容易制造。n兩個兩個PN結結： 1）N型漏極與型漏極與P型襯底；型襯底； 2）N型源極與型源極與P型襯底。型襯底。一個電容器結構一個電容器結構： 柵極與柵極下面的區域形成一個電容器，是柵極與柵

5、極下面的區域形成一個電容器，是MOS管的核心。管的核心。10.1 MOS電容結構氧化層厚度氧化層介電常數Al或高摻雜的多晶Sin型Si或p型SiSiO2MOS電容的組成電容的組成MOS電容是一個相當復雜的電容，有電容是一個相當復雜的電容，有多層介質：多層介質：在柵極電極下面有一層在柵極電極下面有一層SiO2介質。介質。SiO2下面是下面是P型襯底，襯底是比較厚型襯底，襯底是比較厚的。最后，是一個襯底電極，它同的。最后，是一個襯底電極，它同襯底之間必須是歐姆接觸。襯底之間必須是歐姆接觸。MOS電容還與外加電壓有關。電容還與外加電壓有關。 MOS電容的特性與柵極上所加的電電容的特性與柵極上所加的電

6、壓緊密相關，壓緊密相關， 這是因為半導體的表這是因為半導體的表面狀態隨柵極電壓的變化可處于積面狀態隨柵極電壓的變化可處于積累層、累層、 耗盡層、耗盡層、 反型層三種狀態。反型層三種狀態。 SiO2V（a）MOS結構 p-SiMCoxCsd（b）MOS結構等效電路MOS+ V -a. MOS結構結構b. 電場效應電場效應雙端雙端MOSMOS場效應場效應n當柵源之間加上正向電壓，則柵極當柵源之間加上正向電壓，則柵極和和p型硅片之間構成了以二氧化硅為型硅片之間構成了以二氧化硅為介質的平板電容器，在正的柵源電介質的平板電容器，在正的柵源電壓作用下，介質中便產生了一個垂壓作用下，介質中便產生了一個垂直于

7、半導體表面的由柵極指向直于半導體表面的由柵極指向p型襯型襯底的電場（由于絕緣層很薄，即使底的電場（由于絕緣層很薄，即使只有幾伏的柵源電壓只有幾伏的柵源電壓VGS ，也可產，也可產生高達生高達105106V/cm數量級的強數量級的強電場）。電場）。n這個電場排斥空穴而吸引電子，這個電場排斥空穴而吸引電子，因此，使柵極附近的因此，使柵極附近的p型襯底中的型襯底中的空穴被排斥，留下不能移動的受主空穴被排斥，留下不能移動的受主離子（負離子），形成耗盡層，離子（負離子），形成耗盡層，同同時時p型襯底中的少子（電子）被吸型襯底中的少子（電子）被吸引到襯底表面。引到襯底表面。10.1 表面能帶圖:p型襯底負

8、柵壓情形負柵壓情形導帶底能級禁帶中心能級費米能級價帶頂能級空穴積累：空穴積累：表面的多子濃度表面的多子濃度大于體內的多子濃度。大于體內的多子濃度。表面表面）（vFEE)(表面)(vFSEE)exp(kTEENpvFv表面電場電場電勢電勢電子能量電子能量以半導體體內為零電勢10.1 表面能帶圖:p型襯底小的正柵壓情形小的正柵壓情形(耗盡層)空穴耗盡：空穴耗盡：表面的多子濃度表面的多子濃度遠小于體內的多子濃度。遠小于體內的多子濃度。表面表面）遠離（vFEE )(表面)(vFSEE)exp(kTEENpvFv表面10.1 表面能帶圖:p型襯底表面空穴濃度 =表面電子濃度表面表面)()(FiFEE表面

9、表面nnkTEEnpiFFii)exp(正柵壓增大正柵壓增大 10.1 表面能帶圖:p型襯底(反型層+耗盡層)dTX弱反型現象弱反型現象表面表面)()(FiFEE表面表面pnkTEEnniFiFi)exp(正柵壓繼續增大正柵壓繼續增大 10.1 表面能帶圖:p型襯底強反型閾值反型點閾值反型點: 表面電子濃度 = 體內空穴濃度 體表面)()(FFiFiFEEEE表面表面)exp(kTEEnnFiFi體體)exp(kTEEnpFFii體表面pn大的正柵壓大的正柵壓漏源之間形成的導電通道漏源之間形成的導電通道BPGSiO2SDN+N+ +-+-+VGS- - - - - -反型層反型層iDVDS10

10、.1 表面能帶圖:n型襯底(1)正柵壓情形正柵壓情形FScFSCEEEE10.1 表面能帶圖:n型襯底(2)小的負柵壓情形小的負柵壓情形大的負柵壓情形大的負柵壓情形(耗盡層)n型(反型層+耗盡層)n型FScFSFiEEEEFScFSFiEEEE10.1 空間電荷區厚度:表面耗盡情形費米勢費米勢表面勢表面勢表面空間電表面空間電荷區厚度荷區厚度s半導體表面電勢與半導體表面電勢與體內電勢之差體內電勢之差半導體體內費米能半導體體內費米能級與禁帶中心能級級與禁帶中心能級之差的電勢表示之差的電勢表示采用單邊突變結的采用單邊突變結的耗盡層近似耗盡層近似P型襯底型襯底 22sdxxdE xdxdx aeNx)

11、(saseNxdxxdE)()(單邊突變結單邊突變結n+pdxx 0 x00PNdxdxE邊界條件：邊界條件：x= xd 時，時，E=0dsaxeNC1)()(dsaxxeNxE1)()(CxeNdxeNdxxxEsasas根據：根據：假定假定x= xd 處的電勢為處的電勢為0dxxdxE)()(22)2()()()()(CxxxeNxdxxxeNdxxExdsadsa222dsaxeNC)0(,)(2)(2ddsaxxxxeNx)0(,)(2)(2ddsaxxxxeNx22dsasxeN)0(,)1 ()(2ddsxxxxxassdeNx2sasdaBeNxeNQ2max10.1 空間電荷區

12、厚度:表面反型情形閾值反型點閾值反型點條件：表面處的電子濃度條件：表面處的電子濃度=體內的空穴濃度體內的空穴濃度表面空間電荷表面空間電荷區厚度區厚度表面電子濃度：表面電子濃度：exp()FFiiEEnnkTexp()sfpieenkT體內空穴濃度：體內空穴濃度：exp()FiFiEEpnkTexp()fpienkT2sfpP型襯底型襯底柵電壓柵電壓=閾值電壓閾值電壓表面空間電荷區厚度達到最大表面空間電荷區厚度達到最大值值:表面導電性增加，屏蔽外加電場表面導電性增加，屏蔽外加電場10.1 空間電荷區厚度:與摻雜濃度的關系實際器件參數區間10.1 電子反型電荷濃度P型襯型襯底底exp)2(exp)

13、2(expexp)2(expexpexpkTenkTenkTekTenkTeeenkTeenkTEEnnsstfpsstfpsfpifpsfpifpsiFiFifpss2電子反型電荷濃度：電子反型電荷濃度：其中10.1 表面反型層電子密度與表面勢的關系kTeNnnsaisexp2316316cm101V695. 02V347. 0K300cm103sfpsfpanTN反型實例：P型襯底型襯底10.1 功函數差:MOS接觸前的能帶圖金屬的功函數金屬的費米能級二氧化硅的禁帶寬度二氧化硅的電子親和能硅的電子親和能02gsFsfpEWEEee)2(fpgmsmmseEeWW（電勢表示）差金屬與半導體的

14、功函數0mFmmWEEe金屬的功函數半導體的功函數絕緣體不允許電荷在金屬和半導體之間進行交換，要達到熱平衡，需要導線連接金屬和半導體！10.1 功函數差:MOS結構的能帶圖條件：零柵壓，條件：零柵壓， 熱平衡熱平衡零柵壓下氧化物二側的電勢差修正的金屬功函數零柵壓下半導體的表面勢修正的硅的電子親和能二氧化硅的電子親和能10.1 功函數差:計算公式00 ()2()gmsmfpoxSEeV V83. 0)cm10,K300(V228. 0:SiSiOAleV11. 1:SiV25. 3:SiOSiV20. 3:SiOAlms314222afpgmNTE00bioxSVV 內建電勢差：ms功函數差10

15、.1 功函數差:計算公式00bioxSVV 內建電勢差：ms功函數差)(00SoxmsV10.1 功函數差:n摻雜多晶硅柵(P-Si)0MOSFET為增強型VG=0時未反型，加有正柵壓時才反型VTN0，使電子從源流到漏p溝道MOSFETn型襯底，p型溝道，空穴導電VDS0n溝道耗盡型MOSFET零柵壓時已存在反型溝道，VTN0按照零柵壓時有無導電溝道可分為：按照零柵壓時有無導電溝道可分為：10.3 MOSFET原理 MOSFET分類(3)p溝道增強型MOSFET零柵壓時不存在反型溝道，VTP0增強型：柵壓為增強型：柵壓為0時不導通時不導通N溝（正電壓開啟溝（正電壓開啟 “1”導導通）通）P溝（

16、負電壓開啟溝（負電壓開啟 “0”導導通）通）耗盡型：柵壓為耗盡型：柵壓為0時已經導通時已經導通N溝（很負才關閉）溝（很負才關閉）P溝（很正才關閉）溝（很正才關閉）理想理想MOS 施加偏壓后的幾種表面狀態施加偏壓后的幾種表面狀態 反型層: 表面少子濃度 表面多子濃度 強反型: 表面少子濃度 體內多子濃度 導電溝道: 強反型時漏源之間形成的導電通道 閾值電壓 VT ：使半導體表面達到強反型時(ns p0)所需的柵源電壓 漏極： 載流子流出溝道 源極： 載流子流入溝道 ( 漏源電壓總是使載流子 由源極流入溝道 由漏極流出溝道 )11.3.2 N 溝道增強型溝道增強型 MOS 場效應管工作原理場效應管

17、工作原理1. VGS對半導體表面空間電荷區狀態的影響對半導體表面空間電荷區狀態的影響( (1) ) VGS = 0 漏源之間相當于兩個背靠漏源之間相當于兩個背靠背的背的 PN 結，無論漏源之間加何結，無論漏源之間加何種極性電壓，種極性電壓，總是不導電總是不導電。SBD 當當VGS 逐漸增大時，柵逐漸增大時，柵氧化層下方的半導體表面氧化層下方的半導體表面會發生什么變化？會發生什么變化？BPGSiO2SDN+N+( (2) ) VGS 00逐漸增大逐漸增大 柵氧化層中的場強越來越大，柵氧化層中的場強越來越大，它們排斥它們排斥P型襯底靠近型襯底靠近 SiO2 一側一側的空穴，的空穴，形成由負離子組成

18、的耗形成由負離子組成的耗盡層。盡層。增大增大 VGS 耗盡層變寬。耗盡層變寬。 當當VGS繼續升高時繼續升高時, 溝道加厚，溝道電阻減少，在相同溝道加厚，溝道電阻減少，在相同VDS的作用下，的作用下，ID將進一步增加將進一步增加。BPGSiO2SDN+N+ +-+-+VGS- - - - - -反型層反型層iD由于吸引了足夠多由于吸引了足夠多P型襯底的電子，型襯底的電子，會在耗盡層和會在耗盡層和 SiO2 之間形成可移動的表面電荷層之間形成可移動的表面電荷層 反型層、反型層、N 型導型導電溝道電溝道。這時，在這時，在VDS的作用下就會形成的作用下就會形成ID。( (3) ) VGS 繼續增大繼

19、續增大 弱反型弱反型 強反型強反型VDS 閾值電壓：使半導體表面達到強反型時所需加的柵閾值電壓：使半導體表面達到強反型時所需加的柵源電壓。用源電壓。用VT表示。表示。閾值電壓閾值電壓MOS場效應管利用場效應管利用VGS來控制半導體表面來控制半導體表面“感應電感應電荷荷”的多少，來改變溝道電阻，從而控制漏極電流的多少，來改變溝道電阻，從而控制漏極電流 ID。 MOSFET是一種電壓控制型器件。是一種電壓控制型器件。 MOSFET能夠工作的能夠工作的關鍵關鍵是半導體是半導體 表面表面必須必須有導電溝道有導電溝道，而只有表面達到強反型時才會有溝道，而只有表面達到強反型時才會有溝道形成。形成。 2.

20、VDS對導電溝道的影響對導電溝道的影響(VGSVT)c.VDS=VGSVT，即即VGD=VT：靠近漏極溝道達到臨界開啟程度，靠近漏極溝道達到臨界開啟程度，出現預夾斷。出現預夾斷。VDS=VDSatb.0VDSVT:導電溝道呈現一個楔形。靠近導電溝道呈現一個楔形。靠近漏端的導電溝道減薄。漏端的導電溝道減薄。 VDS 0，但值較小時：，但值較小時： VDS對溝道影響可忽略，溝對溝道影響可忽略，溝道厚度均勻道厚度均勻VDSVGSBPGN+N+SDd.VDSVGSVT，即即VGDVDsat時，在P點的電壓VDsat保持固定 溝道被夾斷后，若VG不變，則當漏極電壓持續增加時，超過夾斷點電壓VDsat的那

21、部分即VDS-VDsat將降落在漏端附近的夾斷區上，因而夾斷區將隨VDS的增大而展寬，夾斷點P隨之向源端移動，但由于P點的電壓保持為VDsat不變，反型層內電場增強而同時反型載流子數減少，二者共同作用的結果是單位時間流到P點的載流子數即電流不變。一旦載流子漂移到P點，將立即被夾斷區的強電場掃入漏區，形成漏源電流，而且該電流不隨VDS的增大而變化，即達到飽和。此即為飽和區，飽和區，如圖(c)所示當然，如果VDS過大，漏端p-n結會發生反向擊傳。L溝道pnn耗盡區TGVV)(D小VDI低漏極電壓)( a點為夾斷點進入飽和區，p)( bnn耗盡區TGVVs a tDDVV)(p夾斷點nn耗盡區TGV

22、Vs a tDDVV)(pLp過飽和)( c圖5. 15 MOSFET工作方式及其輸出的I - V特性L溝道pnn耗盡區TGVV)(D小VDIL溝道pnn耗盡區TGVV)(D小VDIL溝道pnn耗盡區TGVV)(D小VDI低漏極電壓)( a點為夾斷點進入飽和區，p)( bnn耗盡區TGVVs a tDDVV)(p夾斷點nn耗盡區TGVVs a tDDVV)(p夾斷點nn耗盡區TGVVs a tDDVV)(p夾斷點nn耗盡區TGVVs a tDDVV)(pLpnn耗盡區TGVVs a tDDVV)(pLpnn耗盡區TGVVs a tDDVV)(pLp過飽和)( c圖5. 15 MOSFET工作方

23、式及其輸出的I - V特性DIDVDIDVDIDVDIDVDIDV0s a tDIs a tDVDIDV0s a tDIs a tDVDIDV0s a tDIs a tDVDIDV0s a tDIs a tDVDIDV0DIDV0DIDV0DIDV03 . N 溝道增強型溝道增強型 MOS 場效應管的特性曲線場效應管的特性曲線1 1）輸出特性曲線）輸出特性曲線( (假設假設VGS=5V) ) 輸出特性曲線輸出特性曲線非非飽飽和和區區飽和區飽和區擊擊穿穿區區BVDS ID/mAVDS /VOVGS=5VVGS=4VVGS=3V預夾斷軌跡預夾斷軌跡VDSat 過過渡渡區區線線性性區區(d)(d)V

24、DS:VGDVTBPN+N+VDSVGSGSDLVTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVGD(c)V(c)VDS:VGD=VTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVT( (a) )VDS很小很小VGSBPGN+N+SDVDSVGSVGDVGS ID=IDSatVT VGS /VID /mAO2 2）轉移特性曲線）轉移特性曲線( (假設假設VDS=5V) ) a. VGS VT 器件內存在導電溝道，器件內存在導電溝道，器件處于器件處于導通導通狀態，有輸狀態，有輸出電流。且出電流。且VGS越大，溝越大，溝道導電能力越強，輸出道導電能力越強，輸出電流越大電流越大 轉移特性曲線轉移特性曲線4. N

25、溝道耗盡型溝道耗盡型 MOS 場效應管場效應管BPGN+N+SDSiO2+ + + + + + 1） N溝道溝道耗盡型耗盡型MOS場效應管結構場效應管結構1、 結構結構2、 符號符號SGDBID/mAVGS /VOVP(b)(b)轉移特性轉移特性IDSS(a)(a)輸出輸出特性特性ID/mAVDS /VO+1VVGS=0 3 V 1 V 2 V432151015 202）基本工作原理）基本工作原理a. 當當VGS=0時，時，VDS加正向電壓，加正向電壓，產生漏極電流產生漏極電流ID,此時的漏極電流此時的漏極電流稱為稱為漏極飽和電流漏極飽和電流，用，用IDSS表示表示b. 當當VGS0時，時，I

26、D進一步增加進一步增加。c. 當當VGS0時，隨著時，隨著VGS的減小的減小漏極電流逐漸漏極電流逐漸減小減小。直至。直至ID=0。對應對應ID=0的的VGS稱為夾斷電壓，稱為夾斷電壓，用符號用符號VP表示。表示。種種 類類符號符號轉移特性曲線轉移特性曲線輸出特性曲線輸出特性曲線 NMOS增強型增強型耗盡型耗盡型PMOS增強型增強型耗盡型耗盡型IDSGDBSGDBIDSGDBIDSGDBIDVGSIDOVTIDVGSVPIDSSOVDSID_VGS=0+_OIDVGSVTOIDVGSVPIDSSO_ _IDVGS=VTVDS_ _o o_ _+VDSID+OVGS=VTIDVGS= 0V _ _

27、VDSo o 小小 結結 按照導電類型分按照導電類型分MOSMOS管分為管分為NMOSNMOS和和PMOSPMOS。按照零柵壓時有無溝道又分為按照零柵壓時有無溝道又分為增強型和耗盡型增強型和耗盡型兩種形式。兩種形式。 NMOSNMOS和和PMOSPMOS結構十分相似，只是兩者的結構十分相似，只是兩者的襯底及源漏區摻雜類襯底及源漏區摻雜類型剛好相反型剛好相反。 特性曲線：輸出特性曲線特性曲線：輸出特性曲線(非飽和區、飽和區、擊穿區非飽和區、飽和區、擊穿區) 轉移特性曲線轉移特性曲線(表征了表征了VGS對對ID的的控制控制能力能力) 工作原理：工作原理：VGS ：耗盡耗盡 弱反型弱反型 強反型強反

28、型 VDS ：減薄減薄 夾斷夾斷 擴展擴展 耗盡型器件形成的原因，其基本特性與增強型器件之間的不耗盡型器件形成的原因，其基本特性與增強型器件之間的不同點。同點。定性分析定性分析11.3 MOSFET原理 I-V特性:基本假設xEyExyn溝道中的電流是由漂移而非擴散產生的（長溝器件）n柵氧化層中無電流n緩變溝道近似，即垂直于溝道方向上 的電場變化遠大于平行于溝道方向上 的電場變化n氧化層中的所有電荷均可等效為 Si-SiO2界面處的有效電荷密度n耗盡層厚度沿溝道方向上是一 個常數n溝道中的載流子遷移率與空間 坐標無關n襯底與源極之間的電壓為零xxE)(EnxyenJ電流密度電流密度:(漂移電流

29、漂移電流密度為密度為)11.3 MOSFET原理 I-V特性:溝道電流X方向的電流強度：方向的電流強度：x0000( )EccWxWxxxnIJ dydzen ydydz 0( )cxnQen y dy WWdz0 xEnnWQ反型層中平行于溝道方向的電場：反型層中平行于溝道方向的電場：dxdVxxExxnndVIWQdx 11.3 MOSFET原理 I-V特性:電中性條件0(max)SDnssmQQQQ高斯定理123456n112233445566EEEEEEESSSSSSSdSdSdSdSdSdSdS相互抵消E5=E6=0，即使有也相互抵消E30WdxQQQQSDnssT)(max)STQ

30、dSnE表面所在材料的介電常數某閉合表面沿閉合表面向外法線方向的電場強度該閉合表面所包圍區域的總電荷量(max)oxESDnssoxQQQ11.3 MOSFET原理 I-V特性:表面電荷444oxEEoxSdSWdx dxW243156fpe2msfpoxxGSVVV2 FpFmEE ()22gmsmfpsfpEe11.3 MOSFET原理 I-V特性:氧化層電勢()GSxe VV( ) ( )2gmoxsfpEeVe11.3 MOSFET原理 I-V特性:反型層電荷與電場ox(max)(max)EoxssnSDssnSDQQQQQQoxEoxoxVtmsfpoxxGSVVV2氧化層電勢氧化層

31、電勢(max)2oxnSDssGSxfpmsoxQQQVVt 半導體表面空間電荷半導體表面空間電荷區的單位面積電荷區的單位面積電荷氧化層中垂直于溝氧化層中垂直于溝道方向的電場道方向的電場由上三式可得由上三式可得反型層單位面反型層單位面積的電荷積的電荷oxoxoxtC/xxnndVIWQdx nOXGSTxQCVVV ()xxnoxGSTxdVIWCV-V -Vdx不應是x或Vx的函數（電流連續性定律）x00IDSLVDxI dxdV)0()(22)(2satDSDSTGSDSDSTGSoxnDVVVVVVVVLCWI，當11.3 MOSFET原理 I-V特性:線性區與飽和區，處于飽和區若無關與

32、TGSDSDSTGSoxnsatDVVVVVVLCWI2)()(2，處于線性區若TGSDSDSDSTGSoxnDVVVVVVVLCWI)(0)(satDSDSVVDSDVITGSsatDSVVV)()(222DSDSTGSoxnDVVVVLCWI11.3 MOSFET原理 和VT的測試提取方法DSTGSoxnDVVVLCWI)(特性基于線性區GSDVITnDSoxnVLVCW橫軸截距斜率特性基于飽和區SDVIGTnoxnVLCW橫軸截距斜率2)(2)(TGSoxnsatDVVLCWI高場下遷移率隨電場上升而下降存在亞閾值電流n溝耗盡型n溝增強型11.3 MOSFET原理 p溝增強型MOSFET

33、的I-V特性)(222SDSDTSGoxpDVVVVLCWI非飽和區DSTSGoxpDVVVLCWI)(線性區2()()2poxD satSGTSD satSGTWCIVVLVVV（飽和區注：注：Vds=-Vsd Vgs=-Vsg,等等11.3 MOSFET原理 跨導(晶體管增益):模型常數DSVGSDmVIg()20)2()2DSDS satnoxDGSTDSDSVVWCIVV VVL非飽和區（含線性區，()2)()2DSDS satnoxDGSTVVWCIVVL飽和區（含線性區，跨導用來表征MOSFET的放大能力：noxnoxoxWCWLL t 令材料參數材料參數設計參數設計參數工藝參數工

34、藝參數nW Loxt影響跨導的因素：DSnoxmLDSGSVWCgVLV與無關()GSTnoxmsGSTDSVVWCgVVLV與無關小節內容n電流電壓關系推導n跨導n器件結構n遷移率n閾值電壓nWnL (p350第二段有誤：L增加，跨導降低)ntox)0()(22)(2satDSDSTGSDSDSTGSoxnDVVVVVVVVLCWI，當作業：作業： 試分析試分析VGS,VDS對增強型對增強型PMOS及及耗盡型耗盡型PMOS導電溝道及輸出電流導電溝道及輸出電流的影響，并推導其電流電壓方程。的影響，并推導其電流電壓方程。11.3 MOSFET原理 襯底偏置效應(1)0必須反偏或零偏Vsb=Vs-

35、Vb0,即Vb更負（這樣才反偏）在溝道源端感應出來在溝道源端感應出來的電子全跑掉了的電子全跑掉了11.3 MOSFET原理 襯底偏置效應(2)能帶圖襯底偏壓表面準費米能級反型條件耗盡層電荷不同襯偏電壓條件下的能帶圖：不同襯偏電壓條件下的能帶圖：0SBV0SBV11.3 MOSFET原理 襯底偏置效應(3)現象n反型層電子勢能比源端電子勢能高電子更容易從反型層流到源區達到反型所需的電子濃度需更高的柵壓；n反型層-襯底之間的電勢差更大表面耗盡層更寬、電荷更多同樣柵壓下反型層電荷更少；n表面費米能級更低要達到強反型條件需要更大的表面勢；11.3 MOSFET原理 襯底偏置效應(4)閾值電壓負的耗盡層

36、電荷更多需更大的正柵壓才能反型，且VSB越大，VT越大體效應系數小節內容n襯底偏置效應nP阱更負，n管閾值上升nN襯底更正，p管閾值更負n此種類型偏置經常做模擬用途。例11.10：T=300K，Na=31016cm-3，tox=500埃，VSB=1VVT=0.66V11.4 頻率限制特性 交流小信號參數源極串聯電阻柵源交疊電容漏極串聯電阻柵漏交疊電容漏-襯底pn結電容柵源電容柵漏電容跨導寄生參數本征參數11.4 頻率限制特性 完整的小信號等效電路共源共源n溝溝MOSFET小信號等效電路小信號等效電路總的柵源電容總的柵漏電容與ID-VDS曲線的斜率有關11.4 頻率限制特性 簡化的小信號等效電路

37、低頻條件下只計入低頻條件下只計入rs只計入本征參數只計入本征參數msmmmdgsmgssmmgsmdgsgssmsgsmgsgssgrgggIVgVrggVgIVVrgrVgVVr11)1 ()(的影響低頻條件下只計入低頻條件下只計入rds11.4 頻率限制特性 MOSFET頻率限制因素限制因素限制因素2：對柵電容充電：對柵電容充電需要時間需要時間限制因素限制因素1：溝道載流子從源：溝道載流子從源到漏運動需要時間到漏運動需要時間710 cm/s; 1msatvLGHz1001ps10ttsltfvL截止頻率溝道渡越時間溝道渡越時間通常不是主要頻率限制因素對對Si MOSFET，飽和，飽和漂移速度漂移速度11.4 頻率限制特性 電流-頻率關系負載電阻)(/)(gsdTgdgsmLdddgsTgdgsTgsiVVCjVgRVIVVCjVCjI11mLigsTgdTgsLgdTg RIjCCVj R C)1 (LmTgdMRgCC密勒電容1TgdLCR通常輸入電流輸出電流對柵電容充電需要時間對柵電容充電需要時間消去電壓變量VD(1)gsTgdTmLgsjCCg RVgsTMgsjCCV11.4 頻率限制特性 密勒電容等效)1 (LmTgdMRgCC密勒電容只計入本征參數只計入