微電子器件與IC設(shè)計(jì) 第6章MOSFET1精選課件ppt2精選課件ppt主要內(nèi)容MOS結(jié)構(gòu)與特性MOSFET結(jié)構(gòu)與特性MOSFET工作原理I-V特性交流特性3精選課件ppt引言MOSFET4精選課件ppt

引言特點(diǎn)單極器件、多子器件電壓控制器件噪聲低制作工序少，隔離容易MOSFETWBIneIncIrIpeICBOIEICIB5精選課件ppt6.1MOS結(jié)構(gòu)及其特性EFEF功函數(shù)假設(shè)：金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)差為零氧化層里面沒有電荷而且氧化層完全不導(dǎo)電氧化層和半導(dǎo)體界面不存在任何界面態(tài)

6精選課件ppt柵極上加負(fù)電壓，空穴聚集P型半導(dǎo)體氧化絕緣層金屬空穴7精選課件ppt柵極上加正電壓，耗盡P型半導(dǎo)體氧化絕緣層金屬電子耗盡層8精選課件ppt柵極正電壓增大，表面反型P型半導(dǎo)體氧化絕緣層金屬電子反型層耗盡層9精選課件ppt6.1MOS結(jié)構(gòu)及其特性MOS電容

氧化層電容表面層電容

總電容10精選課件ppt6.2MOSFET的結(jié)構(gòu)及其特性1MOSFET的基本結(jié)構(gòu)構(gòu)成：半導(dǎo)體襯底、氧化層、金屬柵極、源／漏擴(kuò)散區(qū)。11精選課件ppt6.2MOSFET的結(jié)構(gòu)及其特性MOSFET的基本結(jié)構(gòu)主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)：L,W,tox,NA.12精選課件ppt6.2MOSFET的結(jié)構(gòu)及其特性2、MOSFET的類型溝道中導(dǎo)電的載流子類型N溝道（P型襯底）P溝道（N型襯底）強(qiáng)反型時(shí)，導(dǎo)電溝道中的電子漂移運(yùn)動(dòng)形成電流強(qiáng)反型時(shí)，導(dǎo)電溝道中的空穴漂移運(yùn)動(dòng)形成電流VG＝0時(shí)，是否有導(dǎo)電溝道增強(qiáng)型耗盡型VG＝0時(shí)，無導(dǎo)電溝道VG＝0時(shí)，有導(dǎo)電溝道（1）共有四種類型（2）增強(qiáng)型MOSFET多為P溝道型，耗盡型多為N溝道型13精選課件ppt6.2MOSFET的結(jié)構(gòu)及其特性2、MOSFET的類型GDSBGDSBGDSBGDSB類型N溝道MOSFETP溝道MOSFET耗盡型增強(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型襯底P型N型S、D區(qū)n＋p＋溝道載流子電子空穴VDS>0<0IDS方向D

SS

DVT<0>0>0<0

電路符號(hào)

14精選課件ppt6.2MOSFET的基本結(jié)構(gòu)及工作原理3、MOSFET的基本工作原理VG＝0：S、D之間只有微小的pn結(jié)反向電流。VG>0：出現(xiàn)從柵極指向半導(dǎo)體的電場，表面出現(xiàn)耗盡層；VG增加，半導(dǎo)體表面出現(xiàn)反型層。當(dāng)VDS≠0，形成漏源電流IDS。VT：VGS使半導(dǎo)體表面達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)電壓。VGS＞VT，表面出現(xiàn)導(dǎo)電通道。VDS一定，VGS越大，溝道越厚，導(dǎo)電電子越多，溝道電流越大。15精選課件ppt6.2MOSFET的基本結(jié)構(gòu)及工作原理6.2.2、

MOSFET的基本工作原理

耗盡層:

表面少子濃度<表面多子濃度

反型層:表面少子濃度>表面多子濃度強(qiáng)反型:表面少子濃度≥體內(nèi)多子濃度導(dǎo)電溝道:強(qiáng)反型時(shí)漏源之間形成的導(dǎo)電通道閾值電壓VT：使半導(dǎo)體表面達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)(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)16精選課件ppt6.2MOSFET的基本結(jié)構(gòu)及工作原理6.2.2、

MOSFET的基本工作原理VDS為常數(shù)，IDS～VGSVGS＝0，IDS＝0VGS>＝VT（閾值電壓）：VGS：P型－耗盡層－N反型層VGS>>0：17精選課件ppt6.3MOSFET的閾值電壓6.3.2強(qiáng)反型ECEVEFEipEisqVsqφF18精選課件ppt6.3MOSFET的閾值電壓6.3.2強(qiáng)反型半導(dǎo)體表面積累的少子濃度等于甚至超過體內(nèi)多子濃度的狀態(tài)費(fèi)米勢：強(qiáng)反型條件：ECEVEFEipEisqVsqφF19精選課件ppt6.3MOSFET的閾值電壓6.3.3強(qiáng)反型時(shí)的電荷分布

QG：金屬柵上的面電荷密度QOX：柵絕緣層中的面電荷密度Qn：反型層中電子電荷面密度QB：半導(dǎo)體表面耗盡層中空間電荷面密度柵電極柵氧化層P型半導(dǎo)體QnQGQOXQB20精選課件ppt6.3MOSFET的閾值電壓6.3.4理想狀態(tài)MOSFET的閾值電壓1.理想狀態(tài)：Qox＝0，Vms＝02.溝道形成時(shí)的臨界狀態(tài)：Qn＝03.出現(xiàn)強(qiáng)反型后：xdxdmax

21精選課件ppt6.3MOSFET的閾值電壓6.3.4理想狀態(tài)MOSFET的閾值電壓理想假設(shè)條件下不考慮剛達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)Qn分布在表面很薄的一層內(nèi)Qn<<QB柵電極柵氧化層P型半導(dǎo)體QnQGQOXQB單位面積柵電容22精選課件ppt6.3MOSFET的閾值電壓6.3.4理想狀態(tài)MOSFET的閾值電壓空間電荷區(qū)寬度(強(qiáng)反型時(shí)可視為n＋p)柵電極柵氧化層P型半導(dǎo)體QnQGQOXQB23精選課件ppt6.3MOSFET的閾值電壓6.3.4理想狀態(tài)MOSFET的閾值電壓柵電極柵氧化層P型半導(dǎo)體QnQGQOXQB單位面積柵電容柵氧化層厚度24精選課件ppt6.3MOSFET的閾值電壓6.3.4理想狀態(tài)MOSFET的閾值電壓25精選課件ppt6.3MOSFET的閾值電壓6.3.5實(shí)際MOSFET的閾值電壓（1）實(shí)際MOS結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)26精選課件ppt6.3MOSFET的閾值電壓6.3.5實(shí)際MOSFET的閾值電壓（2）NMOS：PMOS：27精選課件ppt6.3MOSFET的閾值電壓6.3.5實(shí)際MOSFET的閾值電壓（3）非平衡下之VTVDS>028精選課件ppt6.3MOSFET的閾值電壓6.3.5實(shí)際MOSFET的閾值電壓（4）襯偏電壓VBS≠029精選課件ppt6.3MOSFET的閾值電壓6.3.6影響閾值電壓的因素

（1）柵電容Cox （2）接觸電勢 （3）襯底雜質(zhì)濃度的影響 （4）氧化層電荷密度的影響30精選課件ppt6.3MOSFET的閾值電壓6.3.6影響閾值電壓的因素

（1）柵電容Cox選用較大介電系數(shù)的材料作柵介質(zhì)膜減小氧化層厚度31精選課件ppt6.3MOSFET的閾值電壓6.3.6影響閾值電壓的因素

（2）接觸電勢盡量使得Vms=0用硅柵工藝（用多晶硅作柵極）修正（由于金半之間有一層氧化層）P－SiN－Si00.30.60.9NBC101010141018Al（n-Si)Al（p-Si)NMOS32精選課件ppt6.3MOSFET的閾值電壓6.3.6影響閾值電壓的因素

（3）襯底雜質(zhì)濃度的影響費(fèi)米勢：耗盡層電荷：Vms

10131017cm-310510.01tox=100nmVTNMOSPMOS33精選課件ppt6.3MOSFET的閾值電壓6.3.6影響閾值電壓的因素

（4）氧化層電荷密度的影響NMOS：1）NA一定時(shí)，QoxVT（+0－）2）當(dāng)時(shí)，NA在1015cm-3仍是VTn<0，為DMOS3）比較低，可通過NA高低控制NA>1015cm-3，才形成EMOS所以，NMOS易形成耗盡型VT630-3-61011101410171011101234精選課件ppt6.3MOSFET的閾值電壓6.3.6影響閾值電壓的因素

（4）氧化層電荷密度的影響PMOS：VTp始終小于0，為EMOS欲PMOS成為DPMOS，可預(yù)制一層P型預(yù)反型層或利用Al2O3膜的負(fù)電荷效應(yīng)，制作Al2O3/SiO2復(fù)合柵35精選課件ppt6.4MOSFET的電流－電壓特性6.4.1理想模型（以ENMOS為例）一維近似，只考慮電流在y方向的流動(dòng)；強(qiáng)反型近似：漸變溝道近似：只考慮漂移電流，忽略擴(kuò)散電流；忽略溝道和襯底間的反向漏電流；忽略源極、漏極、溝道之間的接觸電阻；考慮溝道雜質(zhì)濃度均勻分布。36精選課件ppt6.4MOSFET的電流－電壓特性--------------------------SGD--------------------------xyzLWN+N+P襯底tOXVDVG37精選課件ppt6.4MOSFET的電流－電壓特性6.4.2溝道電荷密度Qn設(shè)溝道中某一點(diǎn)y的電荷密度為Qn(y)：溝道中某一點(diǎn)電位為V(y)則：38精選課件ppt6.4MOSFET的電流－電壓特性6.4.3漂移電流IDSqn(x,y)：溝道中某點(diǎn)的電荷密度，μn：遷移率39精選課件ppt6.4MOSFET的電流－電壓特性6.4.3漂移電流IDS1、線性區(qū)：

VDS<<VGS－VT

V(y)可忽略2、可變電阻區(qū)：VDS較大，V(y)不能忽略3、飽和區(qū)：VDS繼續(xù)增大到VDS＝VGS-VT溝道夾斷N＋N＋PSGD夾斷點(diǎn)IDSVDS實(shí)際040精選課件ppt6.4MOSFET的電流－電壓特性6.4.4

影響電流－電壓特性的因素耗盡層電容的影響高場遷移率的影響柵電場的影響（Ex）橫向電場(Ey)的影響41精選課件ppt6.4MOSFET的電流－電壓特性6.4.4

影響電流－電壓特性的因素（1）耗盡層電容的影響隨VDS變化42精選課件ppt6.4MOSFET的電流－電壓特性6.4.4

影響電流－電壓特性的因素（2）高場遷移率的影響柵電場的影響（Ex）時(shí)，43精選課件ppt6.4MOSFET的電流－電壓特性6.4.4

影響電流－電壓特性的因素（2）高場遷移率的影響橫向電場(Ey)的影響飽和漂移速度的臨界場44精選課件ppt6.4MOSFET的電流－電壓特性6.4.5MOSFET直流參數(shù)1、2、最大飽和漏源電流IDSS3、截止漏電流4、柵源直流輸入阻抗RGS5、導(dǎo)通電阻Ron45精選課件ppt6.5MOS的交流小信號(hào)參數(shù)6.5.1跨導(dǎo)gm表示柵源電壓對(duì)漏源電流的控制能力。影響因素:VGSVDS提高gm飽和區(qū)：46精選課件ppt6.5MOS的交流小信號(hào)參數(shù)6.5.2漏導(dǎo)gd反映漏源電壓對(duì)漏源電流的控制能力。

表達(dá)式 1）非飽和區(qū) 2）線性區(qū) 3）飽和區(qū)（理想）

gds不為0的原因 1）溝長調(diào)制效應(yīng) 2）漏區(qū)電場靜電反饋效應(yīng)47精選課件ppt6.5MOSFET交流小信號(hào)等效電路及頻率特性交流小信號(hào)下MOSFET的工作特點(diǎn)48精選課件ppt6.5MOSFET交流小信號(hào)等效電路及頻率特性6.5.3柵源電容Cgs及柵漏電容Cgd1.Cgs：49精選課件ppt6.5MOSFET交流小信號(hào)等效電路及頻率特性6.5.3柵源電容Cgs及柵漏電容CgdCgs：

1）當(dāng)VDS很小，可忽略不計(jì)時(shí)（線性區(qū)）：

2）當(dāng)飽和區(qū)50精選課件ppt6.5MOSFET交流小信號(hào)等效電路及頻率特性6.5.3柵源電容Cgs及柵漏電容Cgd2.Cgd： 線性區(qū)：

飽和區(qū)：51精選課件ppt6.5MOSFET交流小信號(hào)等效電路及頻率特性6.5.4MOSFET交流小信號(hào)等效電路（1）電流方程 輸入端： 輸出端：DGSRLVDSVGS52精選課件ppt6.5MOSFET交流小信號(hào)等效電路及頻率特性6.5.4