11.3節(jié)內容MOS結構電流電壓關系——概念電流電壓關系——推導跨導襯底偏置效應MOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第1頁11.3MOSFET原理

MOSFET結構N溝道增強型MOS場效應管結構示意圖BPGN+N+氮氮SDSiO2Ltox1.結構SGDB2.符號3.基本參數(shù)溝道長度L(跟工藝水平相關)溝道寬度W柵氧化層厚度toxMOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第2頁11.3MOSFET原理

MOSFET分類(1)n溝道MOSFETp型襯底，n型溝道，電子導電VDS>0，使電子從源流到漏p溝道MOSFETn型襯底，p型溝道，空穴導電VDS<0，使空穴從源流到漏按照導電類型不一樣可分為：MOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第3頁11.3MOSFET原理

MOSFET分類(2)n溝道增強型MOSFET零柵壓時不存在反型溝道，VTN>0n溝道耗盡型MOSFET零柵壓時已存在反型溝道，VTN<0按照零柵壓時有沒有導電溝道可分為：MOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第4頁11.3MOSFET原理

MOSFET分類(3)p溝道增強型MOSFET零柵壓時不存在反型溝道，VTP<0p溝道耗盡型MOSFET零柵壓時已存在反型溝道，VTP>0MOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第5頁增強型：柵壓為0時不導通N溝（正電壓開啟“1”導通）P溝（負電壓開啟“0”導通）耗盡型：柵壓為0時已經(jīng)導通N溝（很負才關閉）P溝（很正才關閉）MOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第6頁11.3.2N溝道增強型MOS場效應管工作原理1.VGS對半導體表面空間電荷區(qū)狀態(tài)影響(1)

VGS

=0漏源之間相當于兩個背靠背PN結，不論漏源之間加何種極性電壓，總是不導電。SBD當VGS

逐步增大時，柵氧化層下方半導體表面會發(fā)生什么改變？BPGSiO2SDN+N+MOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第7頁(2)VGS

>0逐步增大柵氧化層中場強越來越大，它們排斥P型襯底靠近SiO2

一側空穴，形成由負離子組成耗盡層。增大VGS

耗盡層變寬。當VGS繼續(xù)升高時,溝道加厚，溝道電阻降低，在相同VDS作用下，ID將深入增加。BPGSiO2SDN+N+++--++--++++VGS--------反型層iD因為吸引了足夠多P型襯底電子，會在耗盡層和SiO2

之間形成可移動表面電荷層——反型層、N型導電溝道。這時，在VDS作用下就會形成ID。(3)VGS

繼續(xù)增大弱反型強反型VDSMOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第8頁閾值電壓：使半導體表面到達強反型時所需加柵源電壓。用VT表示。閾值電壓MOS場效應管利用VGS來控制半導體表面“感應電荷”多少，來改變溝道電阻，從而控制漏極電流ID。

MOSFET是一個電壓控制型器件。

MOSFET能夠工作關鍵是半導體表面必須有導電溝道，而只有表面到達強反型時才會有溝道形成。MOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第9頁2.VDS對導電溝道影響(VGS>VT)c.VDS=VGS–VT，即VGD=VT：靠近漏極溝道到達臨界開啟程度，出現(xiàn)預夾斷。VDS=VDSatb.0<VDS<VGS–VT，即VGD=VGS–VDS>VT:導電溝道展現(xiàn)一個楔形。靠近漏端導電溝道減薄。VDS>0，但值較小時：VDS對溝道影響可忽略，溝道厚度均勻VDSVGSBPGN+N+SDd.VDS>VGS–VT，即VGD<VT：夾斷區(qū)發(fā)生擴展，夾斷點向源端移動VGD=VGS–VDSVGSEL

MOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第10頁3.N溝道增強型MOS場效應管特征曲線1）輸出特征曲線(假設VGS=5V)

輸出特征曲線非飽和區(qū)飽和區(qū)擊穿區(qū)BVDSID/mAVDS/VOVGS=5VVGS=4VVGS=3V預夾斷軌跡VDSat過渡區(qū)線性區(qū)(d)VDS:VGD<VTBPN+N+VDSVGSGSDL<<L

VTVGSVGD(b)VDS:

VGD>VTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVGD(c)VDS:VGD=VTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVT(a)VDS很小VGSBPGN+N+SDVDSVGSVGD≈VGS

ID=IDSatMOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第11頁VT

VGS/VID/mAO2）轉移特征曲線(假設VDS=5V)

a.VGS<VT

器件內不存在導電溝道，器件處于截止狀態(tài)，沒有輸出電流。

b.VGS>VT

器件內存在導電溝道，器件處于導通狀態(tài)，有輸出電流。且VGS越大，溝道導電能力越強，輸出電流越大轉移特征曲線MOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第12頁4.N溝道耗盡型MOS場效應管BPGN+N+SDSiO2

++++++1）N溝道耗盡型MOS場效應管結構1、結構2、符號SGDBMOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第13頁ID/mAVGS/VOVP(b)轉移特征IDSS(a)輸出特征ID/mAVDS/VO+1VVGS=0-3V-1V-2V432151015202）基本工作原理a.當VGS=0時，VDS加正向電壓，產(chǎn)生漏極電流ID,此時漏極電流稱為漏極飽和電流，用IDSS表示b.當VGS＞0時，ID深入增加。c.當VGS＜0時，伴隨VGS減小漏極電流逐步減小。直至ID=0。對應ID=0VGS稱為夾斷電壓，用符號VP表示。MOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第14頁種類符號轉移特征曲線輸出特征曲線

NMOS增強型耗盡型PMOS增強型耗盡型IDSGDBSGDBIDSGDBIDSGDBIDVGSIDOVTIDVGSVPIDSSOVDSID_VGS=0+__OIDVGSVTOIDVGSVPIDSSO_IDVGS=VTVDS_o_+VDSID+++OVGS=VTIDVGS=0V+_VDSo+MOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第15頁小結按照導電類型分MOS管分為NMOS和PMOS。按照零柵壓時有沒有溝道又分為增強型和耗盡型兩種形式。

NMOS和PMOS結構十分相同，只是二者襯底及源漏區(qū)摻雜類型剛好相反。特征曲線：輸出特征曲線(非飽和區(qū)、飽和區(qū)、擊穿區(qū))

轉移特征曲線(表征了VGS對ID控制能力)工作原理：VGS：耗盡弱反型強反型

VDS：減薄夾斷擴展耗盡型器件形成原因，其基本特征與增強型器件之間不一樣點。定性分析MOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第16頁11.3MOSFET原理

I-V特征:基本假設溝道中電流是由漂移而非擴散產(chǎn)生（長溝器件）柵氧化層中無電流緩變溝道近似，即垂直于溝道方向上電場改變遠大于平行于溝道方向上電場改變氧化層中全部電荷均可等效為Si-SiO2界面處有效電荷密度耗盡層厚度沿溝道方向上是一個常數(shù)溝道中載流子遷移率與空間坐標無關襯底與源極之間電壓為零MOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第17頁電流密度:(漂移電流密度為)11.3MOSFET原理

I-V特征:溝道電流X方向電流強度：反型層中平行于溝道方向電場：MOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第18頁11.3MOSFET原理I-V特征:電中性條件MOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第19頁高斯定理相互抵消E5=E6=0，即使有也相互抵消E3＝0表面所在材料介電常數(shù)某閉合表面沿閉合表面向外法線方向電場強度該閉合表面所包圍區(qū)域總電荷量11.3MOSFET原理

I-V特征:表面電荷dxW243156MOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第20頁11.3MOSFET原理I-V特征:氧化層電勢MOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第21頁11.3MOSFET原理I-V特征:反型層電荷與電場氧化層電勢半導體表面空間電荷區(qū)單位面積電荷氧化層中垂直于溝道方向電場由上三式可得反型層單位面積電荷不應是x或Vx函數(shù)（電流連續(xù)性定律）MOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第22頁11.3MOSFET原理

I-V特征:線性區(qū)與飽和區(qū)MOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第23頁11.3MOSFET原理μ和VT測試提取方法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MOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第24頁11.3MOSFET原理p溝增強型MOSFETI-V特征注：Vds=-VsdVgs=-Vsg,等MOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第25頁11.3MOSFET原理跨導(晶體管增益):模型跨導用來表征MOSFET放大能力：令材料參數(shù)設計參數(shù)工藝參數(shù)影響跨導原因：MOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第26頁小節(jié)內容電流電壓關系——推導跨導器件結構遷移率閾值電壓WL(p350第二段有誤：L增加，跨導降低)toxMOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第27頁作業(yè)：

試分析VGS,VDS對增強型PMOS及耗盡型PMOS導電溝道及輸出電流影響，并推導其電流電壓方程。MOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第28頁11.3MOSFET原理襯底偏置效應(1)≥0必須反偏或零偏Vsb=Vs-Vb>0,即Vb更負（這么才反偏）在溝道源端感應出來電子全跑掉了MOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第29頁11.3MOSFET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一樣襯偏電壓條件下能帶圖：MOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第30頁11.3MOSFET原理襯底偏置效應(3)現(xiàn)象反型層電子勢能比源端電子勢能高→電子更輕易從反型層流到源區(qū)→到達反型所需電子濃度需更高柵壓；反型層-襯底之間電勢差更大→表面耗盡層更寬、電荷更多→一樣柵壓下反型層電荷更少；表面費米能級更低→要到達強反型條件需要更大表面勢；MOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第31頁11.3MOSFET原理襯底偏置效應(4)閾值電壓負耗盡層電荷更多需更大正柵壓才能反型，且VSB越大，VT越大體效應系數(shù)MOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第32頁小節(jié)內容襯底偏置效應P阱更負，n管閾值上升N襯底更正，p管閾值更負此種類型偏置經(jīng)常做模擬用途。例11.10：T=300K，Na=3×1016cm-3，tox=500埃，VSB=1V△VT=0.66VMOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第33頁11.4頻率限制特征交流小信號參數(shù)源極串聯(lián)電阻柵源交疊電容漏極串聯(lián)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(shù)本征參數(shù)MOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第34頁11.4頻率限制特征完整小信號等效電路共源n溝MOSFET小信號等效電路總柵源電容總柵漏電容與ID-VDS曲線斜率相關MOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第35頁11.4頻率限制特征簡化小信號等效電路低頻條件下只計入rs只計入本征參數(shù)低頻條件下只計入rdsMOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第36頁11.4頻率限制特征MOSFET頻率限制原因限制原因2：對柵電容充電需要時間限制原因1：溝道載流子從源到漏運動需要時間溝道渡越時間通常不是主要頻率限制原因對SiMOSFET，飽和漂移速度MOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第37頁11.4頻率限制特征電流-頻率關系負載電阻輸入電流輸出電流對柵電容充電需要時間消去電壓變量VDMOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第38頁11.4頻率限制特征密勒電容等效只計入本征參數(shù)器件飽和時，Cgd=0，寄生電容成為影響輸入阻抗主要原因。MOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第39頁11.4頻率限制特截止頻率推導截止頻率：電流增益為1時頻率。提升頻率特征：提升遷移率（100方向，工藝優(yōu)質）；縮短L；減小寄生電容；增大跨導；MOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第40頁11.5CMOS技術什么是CMOS？n溝MOSFETp溝MOSFETCMOS（ComplentaryMOS，互補CMOS）使n溝MOSFET與p溝MOSFET取長補短實現(xiàn)低功耗、全電平擺幅數(shù)字邏輯電路首選工藝場氧（用作管間、互連-襯底間隔離）柵氧（用作MOS電容介質）通常接電路最低電位通常接電路最高電位MOSFET基礎MOSFET工作原理頻率CMOS第41頁11.6小結