半導(dǎo)體器件物理MOSFET2025/3/224、1MOSFET結(jié)構(gòu)MOS電容:外加VG,氧化層下方半導(dǎo)體表面形成強(qiáng)反型層,連接SD區(qū)

強(qiáng)反型層------MOSFET得導(dǎo)電溝道VDS在溝道上產(chǎn)生電場,載流子從源漂移到漏,被漏極收集形成ID重要參數(shù):溝道長度L:柵氧下方源漏之間半導(dǎo)體得長度、溝道寬度W:與溝長垂直得水平方向得源漏區(qū)寬度柵氧厚度tox2025/3/224、1MOSFET

MOSFET分類(1)

n溝道MOSFET:NMOSP襯,n型反型層,電子導(dǎo)電VDS>0,ID>0p溝道MOSFET:PMOSN襯,p型反型層,空穴導(dǎo)電VDS<0,ID<0按照溝道載流子得導(dǎo)電類型分:每種器件只有一種載流子參與導(dǎo)電——單極性器件2025/3/224、1MOSFET

MOSFET分類(2)0柵壓就是否存在反型溝道分:n溝耗盡型MOSFET零柵壓時已存在反型溝道,VTN<0加?xùn)艍篤GS<VTN,溝道關(guān)閉n溝增強(qiáng)型MOSFET零柵壓時不存在反型溝道,VTN>0,加?xùn)艍篤GS>VTN,溝道開啟思考:不進(jìn)行專門得N型摻雜,能否形成耗盡型NMOS？2025/3/224、1MOSFET

MOSFET分類(3)

p溝增強(qiáng)型MOSFET零柵壓時不存在反型溝道VTP<0加?xùn)艍篤GS<VTP,溝道開啟p溝耗盡型MOSFET零柵壓時存在反型溝道VTP>0加?xùn)艍篤GS>VTP,溝道關(guān)閉4、1MOSFET

MOSFET分類(4)四種類型MOS晶體管得電路符號n溝、p溝得箭頭:襯底與溝道之間可形成得場感應(yīng)pn結(jié)得正偏方向耗盡型:代表溝道區(qū)得線為實線,即VGS=0時已存在溝道增強(qiáng)型:代表溝道區(qū)得線為虛線,即VGS=0時不存在溝道4、1MOSFET

MOSFET分類(5)四種類型MOS晶體管得得偏置條件4、1MOSFET

MOSFET得閾值電壓VBS=0,即襯底接地;VGS

即為中間MOS電容兩側(cè)電勢差MOS電容VT:MOS電容半導(dǎo)體表面就是否強(qiáng)反型得臨界電壓,

強(qiáng)反型層-MOSFET得導(dǎo)電溝道VGS＜VT:半導(dǎo)體表面未形成強(qiáng)反型層,導(dǎo)電溝道未形成,器件截止VGS>VT:半導(dǎo)體表面形成強(qiáng)反型層,導(dǎo)電溝道形成,器件導(dǎo)通MOSFET得閾值電壓VT:表面剛剛產(chǎn)生溝道所需得柵源電壓溝道內(nèi)可動電荷Qn,面電荷密度Q`n=COX(VGS-VT):只有VGS大于>VT,表面才產(chǎn)生導(dǎo)電溝道,根據(jù)電容電壓電荷關(guān)系得Q`n2025/3/22n溝增強(qiáng)型4、1MOSFET

I-V定性分析偏置特點(diǎn):VBS=0,源襯短接;VGS>VT,溝道形成;

VDS≥0,形成漏極電流ID,造成溝厚不等厚:

VDS≥0→溝道中從源到漏電位不斷增大→溝道上一點(diǎn)X,VXS,X從S往D移動,VXS↑,VGX(=VGS-VXS)↓→VGX>VT,X點(diǎn)處才形成溝道,反型層可動電荷Q`n(x)=COX(VGX-VT),→X從S往D移動,Q`n(x)不斷↓,源端Q`n(0)最大,漏端Q`n(L)最小溝道面電荷密度不相等可等效為溝道截面積不相等2025/3/22n溝增強(qiáng)型大家學(xué)習(xí)辛苦了，還是要堅持繼續(xù)保持安靜2025/3/224、1MOSFETID隨VDS得變化(1)線性區(qū)VDS＜＜VDS(sat),VDS對Vox得抵消作用可忽略→反型層和耗盡層近似均勻→溝道等效電阻不變

→ID∝VDS(線性區(qū))2025/3/224、1MOSFET

ID隨VDS得變化(2)過渡區(qū)脫離線性區(qū)后,VDS↑,VDS對Vox得抵消作用不可忽略→溝道厚度不等→溝道等效電阻增加

→ID隨VDS得增長率減小(過渡區(qū))2025/3/224、1MOSFETID隨VDS得變化(3)飽和點(diǎn)飽和點(diǎn):溝道夾斷點(diǎn)X:

反型層電荷密度剛好≈0→VGX=VT,

→VGS-VXS=VT

→VXS=VGS-VT=VDS(sat)

→2025/3/224、1MOSFETID隨VDS得變化(4)飽和區(qū)原溝道區(qū):導(dǎo)電溝道區(qū)和夾斷區(qū)。電流被夾斷了嗎？導(dǎo)電溝道區(qū)可導(dǎo)電,又有電勢差,所以有電流,根據(jù)電流連續(xù)性原理,整個器件得電流仍存在,大小由導(dǎo)電溝道區(qū)決定漂移到夾斷點(diǎn)得電子在夾斷區(qū)大電場得作用下被掃向漏極,形成ID長溝MOSFET,L變化可略,導(dǎo)電區(qū)形狀和該區(qū)上壓降不變,ID保持剛夾斷時得IDS(sat)不變,即飽和區(qū)內(nèi)ID不隨VDS得增加而增加擊穿區(qū):

VDS再繼續(xù)↑→漏極和襯底之間PN結(jié)反偏電壓過大

→導(dǎo)致pn結(jié)耗盡層內(nèi)發(fā)生雪崩擊穿,ID急劇增大,進(jìn)入擊穿區(qū),→此時電壓為BVDS輸出特性曲線:VGS>VT得某常數(shù)時,ID隨VDS得變化曲線4、1MOSFETI-V特性定性分析n溝增強(qiáng)型MOSFET器件源漏ID-VDS特性曲線簇VGS不同,ID隨VDS變化物理過程與上述分析相同,曲線變化趨勢也相同VGS得影響:非飽和區(qū):VGS增大,Q`n=COX(VGS-VT)增大,所以對同一VDS,ID增大飽和點(diǎn):VDS(sat)=VGS-VT,VGS增大,VDS(sat)也增大。飽和區(qū):VGS增大,Q`n=COX(VGS-VT)增大,飽和電流也增大4、1MOSFETI-V特性定性分析4、1MOSFETI-V轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性曲線:VDS為>0得某常數(shù)時,ID隨VGS得變化曲線VGS增大,Q`n=COX(VGS-VT)增大,飽和電流也增大VGSPMOSFETNMOSFET增強(qiáng)型NMOS耗盡型NMOS增強(qiáng)型PMOS耗盡型PMOS4、1MOSFETI-V輸出特性4、1MOSFETI-V特性定量分析p型襯底、n型溝道MOSFET0溝道電流沿水平方向(X方向),柵與溝道之間電流=0溝道電流為多子漂移電流,載流子遷移率為常數(shù)緩變溝道近似(長溝器件),即垂直于溝道方向上得電場變化遠(yuǎn)大于平行于溝道方向上得電場變化,EX為常數(shù)溝道中可動面電荷密度Q`n(x)=COX(VGX-VT)沿X方向“緩變”面電荷密度另一種表示Q`n(x)=en(x)h(x)

式中h(x)為X處導(dǎo)電溝道得厚度2025/3/224、1MOSFETI-V特性:基本假設(shè)4、1MOSFETI-V特性定量分析歐姆定律:dVx=IDdR(x),根據(jù)定義Q`n(x)=en(x)h(x),根據(jù)MOS結(jié)構(gòu)Q`n(x)=COX(VGX-VT)2025/3/224、1MOSFETI-V特性:溝道電流漏源電流強(qiáng)度成立條件非飽和區(qū)IV公式2025/3/224、1MOSFETI-V特性:線性區(qū)與飽和區(qū)2025/3/224、1MOSFETI-V特性:提高器件ID驅(qū)動能力得途徑同一個IC中,不同晶體管得COX以及VT相同,控制不同MOS器件溝道得W/L可控制電流大小。L最小值取決于工藝水平、在工作電壓范圍內(nèi),適當(dāng)提高器件偏置電壓VGS材料參數(shù)設(shè)計參數(shù)工藝參數(shù)2025/3/224、1MOSFETμ和VT得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(qiáng)型2025/3/224、1MOSFET跨導(dǎo):模型跨導(dǎo):VDS一定時,漏電流隨VGS變化率:

又稱晶體管增益:表征FET放大能力得重要參數(shù),反映了VGS

對ID

得控制能力單位S(西門子),一般為幾毫西(mS)

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