會(huì)計(jì)學(xué)1MOSFET基礎(chǔ)MOSFET工作原理頻率11.3MOSFET原理

MOSFET分類(1)n溝道MOSFETp型襯底，n型溝道，電子導(dǎo)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(dǎo)電VDS<0，使空穴從源流到漏按照導(dǎo)電類型的不同可分為：2第1頁(yè)/共43頁(yè)11.3MOSFET原理

MOSFET分類(2)n溝道增強(qiáng)型MOSFET零柵壓時(shí)不存在反型溝道，VTN>0n溝道耗盡型MOSFET零柵壓時(shí)已存在反型溝道，VTN<0按照零柵壓時(shí)有無(wú)導(dǎo)電溝道可分為：3第2頁(yè)/共43頁(yè)11.3MOSFET原理

MOSFET分類(3)p溝道增強(qiáng)型MOSFET零柵壓時(shí)不存在反型溝道，VTP<0p溝道耗盡型MOSFET零柵壓時(shí)已存在反型溝道，VTP>04第3頁(yè)/共43頁(yè)增強(qiáng)型：柵壓為0時(shí)不導(dǎo)通N溝（正電壓開(kāi)啟“1”導(dǎo)通）P溝（負(fù)電壓開(kāi)啟“0”導(dǎo)通）耗盡型：柵壓為0時(shí)已經(jīng)導(dǎo)通N溝（很負(fù)才關(guān)閉）P溝（很正才關(guān)閉）5第4頁(yè)/共43頁(yè)11.3.2N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管工作原理1.VGS對(duì)半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)狀態(tài)的影響(1)

VGS

=0漏源之間相當(dāng)于兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，無(wú)論漏源之間加何種極性電壓，總是不導(dǎo)電。SBD當(dāng)VGS

逐漸增大時(shí)，柵氧化層下方的半導(dǎo)體表面會(huì)發(fā)生什么變化？BPGSiO2SDN+N+6第5頁(yè)/共43頁(yè)(2)VGS

>0逐漸增大柵氧化層中的場(chǎng)強(qiáng)越來(lái)越大，它們排斥P型襯底靠近SiO2

一側(cè)的空穴，形成由負(fù)離子組成的耗盡層。增大VGS

耗盡層變寬。當(dāng)VGS繼續(xù)升高時(shí),溝道加厚，溝道電阻減少，在相同VDS的作用下，ID將進(jìn)一步增加。BPGSiO2SDN+N+++--++--++++VGS--------反型層iD由于吸引了足夠多P型襯底的電子，會(huì)在耗盡層和SiO2

之間形成可移動(dòng)的表面電荷層——反型層、N型導(dǎo)電溝道。這時(shí)，在VDS的作用下就會(huì)形成ID。(3)VGS

繼續(xù)增大弱反型強(qiáng)反型VDS7第6頁(yè)/共43頁(yè)閾值電壓：使半導(dǎo)體表面達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)所需加的柵源電壓。用VT表示。閾值電壓MOS場(chǎng)效應(yīng)管利用VGS來(lái)控制半導(dǎo)體表面“感應(yīng)電荷”的多少，來(lái)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。

MOSFET能夠工作的關(guān)鍵是半導(dǎo)體表面必須有導(dǎo)電溝道，而只有表面達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)才會(huì)有溝道形成。8第7頁(yè)/共43頁(yè)2.VDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響(VGS>VT)c.VDS=VGS–VT，即VGD=VT：靠近漏極溝道達(dá)到臨界開(kāi)啟程度，出現(xiàn)預(yù)夾斷。VDS=VDSatb.0<VDS<VGS–VT，即VGD=VGS–VDS>VT:導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)一個(gè)楔形?？拷┒说膶?dǎo)電溝道減薄。VDS>0，但值較小時(shí)：VDS對(duì)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(kuò)展，夾斷點(diǎn)向源端移動(dòng)VGD=VGS–VDSVGSEL

9第8頁(yè)/共43頁(yè)3.N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線1）輸出特性曲線(假設(shè)VGS=5V)

輸出特性曲線非飽和區(qū)飽和區(qū)擊穿區(qū)BVDSID/mAVDS/VOVGS=5VVGS=4VVGS=3V預(yù)夾斷軌跡VDSat過(guò)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=IDSat10第9頁(yè)/共43頁(yè)VT

VGS/VID/mAO2）轉(zhuǎn)移特性曲線(假設(shè)VDS=5V)

a.VGS<VT

器件內(nèi)不存在導(dǎo)電溝道，器件處于截止?fàn)顟B(tài)，沒(méi)有輸出電流。

b.VGS>VT

器件內(nèi)存在導(dǎo)電溝道，器件處于導(dǎo)通狀態(tài)，有輸出電流。且VGS越大，溝道導(dǎo)電能力越強(qiáng)，輸出電流越大轉(zhuǎn)移特性曲線11第10頁(yè)/共43頁(yè)4.N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管BPGN+N+SDSiO2

++++++1）N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2、符號(hào)SGDB12第11頁(yè)/共43頁(yè)ID/mAVGS/VOVP(b)轉(zhuǎn)移特性IDSS(a)輸出特性ID/mAVDS/VO+1VVGS=0-3V-1V-2V432151015202）基本工作原理a.當(dāng)VGS=0時(shí)，VDS加正向電壓，產(chǎn)生漏極電流ID,此時(shí)的漏極電流稱為漏極飽和電流，用IDSS表示b.當(dāng)VGS＞0時(shí)，ID進(jìn)一步增加。c.當(dāng)VGS＜0時(shí)，隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小。直至ID=0。對(duì)應(yīng)ID=0的VGS稱為夾斷電壓，用符號(hào)VP表示。13第12頁(yè)/共43頁(yè)種類符號(hào)轉(zhuǎn)移特性曲線輸出特性曲線

NMOS增強(qiáng)型耗盡型PMOS增強(qiáng)型耗盡型IDSGDBSGDBIDSGDBIDSGDBIDVGSIDOVTIDVGSVPIDSSOVDSID_VGS=0+__OIDVGSVTOIDVGSVPIDSSO_IDVGS=VTVDS_o_+VDSID+++OVGS=VTIDVGS=0V+_VDSo+14第13頁(yè)/共43頁(yè)15第14頁(yè)/共43頁(yè)11.3MOSFET原理

I-V特性:基本假設(shè)溝道中的電流是由漂移而非擴(kuò)散產(chǎn)生的（長(zhǎng)溝器件）柵氧化層中無(wú)電流緩變溝道近似，即垂直于溝道方向上的電場(chǎng)變化遠(yuǎn)大于平行于溝道方向上的電場(chǎng)變化(近似認(rèn)為ｘ方向Ｅ為常數(shù))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耗盡層厚度沿溝道方向上是一個(gè)常數(shù)溝道中的載流子遷移率與空間坐標(biāo)無(wú)關(guān)襯底與源極之間的電壓為零16第15頁(yè)/共43頁(yè)電流密度:(漂移電流密度為)11.3MOSFET原理

I-V特性:溝道電流X方向的電流強(qiáng)度：反型層中平行于溝道方向的電場(chǎng)：17第16頁(yè)/共43頁(yè)11.3MOSFET原理I-V特性:電中性條件18第17頁(yè)/共43頁(yè)高斯定理相互抵消E5=E6=0，即使有也相互抵消E3＝0表面所在材料的介電常數(shù)某閉合表面沿閉合表面向外法線方向的電場(chǎng)強(qiáng)度該閉合表面所包圍區(qū)域的總電荷量11.3MOSFET原理

I-V特性:表面電荷dxW24315619第18頁(yè)/共43頁(yè)11.3MOSFET原理I-V特性:氧化層電勢(shì)20第19頁(yè)/共43頁(yè)11.3MOSFET原理I-V特性:反型層電荷與電場(chǎng)氧化層電勢(shì)半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)的單位面積電荷氧化層中垂直于溝道方向的電場(chǎng)由上三式可得反型層單位面積的電荷不應(yīng)是x或Vx的函數(shù)（電流連續(xù)性定律）21第20頁(yè)/共43頁(yè)11.3MOSFET原理

I-V特性:線性區(qū)與飽和區(qū)22第21頁(yè)/共43頁(yè)11.3MOSFET原理μ和VT的測(cè)試提取方法高場(chǎng)下遷移率隨電場(chǎng)上升而下降存在亞閾值電流n溝耗盡型n溝增強(qiáng)型23第22頁(yè)/共43頁(yè)11.3MOSFET原理p溝增強(qiáng)型MOSFET的I-V特性注：Vds=-VsdVgs=-Vsg,等24第23頁(yè)/共43頁(yè)11.3MOSFET原理跨導(dǎo)(晶體管增益):模型跨導(dǎo)用來(lái)表征MOSFET的放大能力：令材料參數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)工藝參數(shù)影響跨導(dǎo)的因素：25第24頁(yè)/共43頁(yè)小節(jié)內(nèi)容電流電壓關(guān)系——推導(dǎo)跨導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)遷移率閾值電壓WL(p350第二段有誤：L增加，跨導(dǎo)降低)tox26第25頁(yè)/共43頁(yè)思考題：

試分析VGS,VDS對(duì)增強(qiáng)型PMOS及耗盡型PMOS導(dǎo)電溝道及輸出電流的影響，并推導(dǎo)其電流電壓方程。27第26頁(yè)/共43頁(yè)11.3MOSFET原理襯底偏置效應(yīng)(1)≥0必須反偏或零偏Vsb=Vs-Vb>0,即Vb更負(fù)（這樣才反偏）在溝道源端感應(yīng)出來(lái)的電子全跑掉了28第27頁(yè)/共43頁(yè)11.3MOSFET原理襯底偏置效應(yīng)(2)能帶圖襯底偏壓表面準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)反型條件耗盡層電荷不同襯偏電壓條件下的能帶圖：29第28頁(yè)/共43頁(yè)11.3MOSFET原理襯底偏置效應(yīng)(3)現(xiàn)象反型層電子勢(shì)能比源端電子勢(shì)能高→電子更容易從反型層流到源區(qū)→達(dá)到反型所需的電子濃度需更高的柵壓；反型層-襯底之間的電勢(shì)差更大→表面耗盡層更寬、電荷更多→同樣?xùn)艍合路葱蛯与姾筛伲槐砻尜M(fèi)米能級(jí)更低→要達(dá)到強(qiáng)反型條件需要更大的表面勢(shì)；30第29頁(yè)/共43頁(yè)11.3MOSFET原理襯底偏置效應(yīng)(4)閾值電壓負(fù)的耗盡層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(yīng)系數(shù)31第30頁(yè)/共43頁(yè)小節(jié)內(nèi)容襯底偏置效應(yīng)P阱更負(fù)，n管閾值上升N襯底更正，p管閾值更負(fù)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=0.66V32第31頁(yè)/共43頁(yè)11.4頻率限制特性交流小信號(hào)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(jié)電容柵源電容柵漏電容跨導(dǎo)寄生參數(shù)本征參數(shù)33第32頁(yè)/共43頁(yè)11.4頻率限制特性完整的小信號(hào)等效電路共源n溝MOSFET小信號(hào)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(guān)34第33頁(yè)/共43頁(yè)11.4頻率限制特性簡(jiǎn)化的小信號(hào)等效電路低頻條件下只計(jì)入rs只計(jì)入本征參數(shù)低頻條件下只計(jì)入rds35第34頁(yè)/共43頁(yè)11.4頻率限制特性MOSFET頻率限制因素限制因素2：對(duì)柵電極或電容充電需要時(shí)間限制因素1：溝道載流子從源到漏運(yùn)動(dòng)需要時(shí)間溝道渡越時(shí)間通常不是主要頻率限制因素對(duì)SiMOSFET，飽和漂移速度36第35頁(yè)/共43頁(yè)11.4頻率限制特性電流-頻率關(guān)系負(fù)載電阻輸入電流輸出電流對(duì)柵電容充電需要時(shí)間消去電壓變量VD37第36頁(yè)/共43頁(yè)11.4頻率限制特性密勒電容等效只計(jì)入本征參數(shù)器件飽和時(shí)，Cgd=0，寄生電容成為影響輸入阻抗的重要因素。38第37頁(yè)/共43頁(yè)11.4頻率限制特截止頻率推導(dǎo)截止頻率：電流增益為1時(shí)的頻率。提高頻率特性：提高遷移率（100方向，工藝優(yōu)質(zhì)）；縮短L；減小寄生電容；增大跨導(dǎo)；39第38頁(yè)/共43頁(yè)11.5CMOS技術(shù)什么是CMOS？n溝MOSFETp溝MOSFETCMOS（ComplentaryMOS，互補(bǔ)CMOS）使n溝MOSFET與p溝MOSFET取長(zhǎng)補(bǔ)短實(shí)現(xiàn)低功耗、全電平擺幅數(shù)字邏輯電路的首選工藝場(chǎng)氧（用作管間、互連-襯底間隔離）柵氧（用作MOS電容的介質(zhì)）通常接電路最低電位通常接電路最高電位40第39頁(yè)/共43頁(yè)11.6小結(jié)

1MOS電容是MOSFET的核心。隨表面勢(shì)的不同，半導(dǎo)體表面可以處于堆積、平帶、耗盡、本征、弱反型、強(qiáng)反型等狀態(tài)。MOSFET導(dǎo)通時(shí)工作在強(qiáng)反型狀態(tài)柵壓、功函數(shù)差、氧化層電荷都