1、1.第五章金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管、5.1金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管、5.2金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管閾值電壓、5.3體效應(yīng)、5.4金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管溫度特性、5.5金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管噪聲、5.6金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管尺寸縮小、5.7金屬氧化物半導(dǎo)體器件二階效應(yīng)、2.5.2金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管、5.1金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管伏安特性推導(dǎo)、兩個(gè)PN結(jié)：1) n型漏極和p型襯底；2) n型源極和p型襯底。像雙極晶體管中的PN結(jié)一樣，由于載流子的擴(kuò)散和漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，在結(jié)周圍產(chǎn)生耗盡層。電容器結(jié)構(gòu)：柵極和柵極下方的區(qū)域形成電容器，電容器是MOS管的核心。圖5.1，

2、3，場(chǎng)效應(yīng)晶體管的三個(gè)基本幾何參數(shù)，柵極長(zhǎng)度： L，柵極寬度： W，氧化層厚度： tox，Lmin，Wmin和tox由工藝決定。lmin:mos工藝的特征尺寸決定了MOSFET的速度和功耗，等等。l和w通常由設(shè)計(jì)師選擇。因此，設(shè)計(jì)者只需選擇鎢來(lái)影響場(chǎng)效應(yīng)管的速度，并決定電路的驅(qū)動(dòng)能力和功耗。場(chǎng)效應(yīng)晶體管的伏安特性是：電容結(jié)構(gòu)。當(dāng)沒(méi)有電壓施加到柵極或施加負(fù)電壓時(shí)，柵極下面的區(qū)域保持P型導(dǎo)電性，并且漏極和源極之間的間隙相當(dāng)于一對(duì)背對(duì)背二極管。當(dāng)在漏極和源極之間施加電壓時(shí)，除了PN結(jié)的漏電流之外，將不再形成電流。當(dāng)柵極上的正電壓持續(xù)增加時(shí)，P型區(qū)域中的空穴被持續(xù)排斥到襯底方向。當(dāng)柵極上的電壓超過(guò)閾值

3、電壓VT時(shí)，在柵極下方的P型區(qū)域中形成電子分布，并且建立反型層，即N型層，將都是N型的源極和漏極擴(kuò)散區(qū)域連接成整體，并且形成從漏極到源極的導(dǎo)電溝道。此時(shí)，由柵極電壓引起的電荷Q為，并且在Q=CVge公式中的Vge為柵極有效控制電壓。5，在漏源電壓Vds的作用下，這些電荷Q將及時(shí)通過(guò)溝道，所以溝道中的MOS伏安特性電荷的通過(guò)時(shí)間是載流子速度，Eds=Vds/L是漏源方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度，Vds是漏源電壓。載流子遷移率：n=650cm2/(v.s)電子遷移率(NMOS) p=240cm2/(v.s)空穴遷移率(PMOS)，6。場(chǎng)效應(yīng)晶體管伏安特性-方程的推導(dǎo)。在不飽和條件下，通過(guò)金屬氧化物半導(dǎo)體管的漏

4、極和源極之間的電流Ids為：=0柵極和溝道之間的氧化層的介電常數(shù)=4.5，0=0.88541851.10-11 c.v-1.m-1，vge為柵極到襯底的有效控制電壓，其值為柵極到襯底表面的電壓減去VT，7。當(dāng)vgs-VT=Vds時(shí)， Ids達(dá)到最大Idsmax，其值為Vgs-。意味著漏極端子vge附近的柵極有效控制電壓=vgs-vt-VDS=vgs-VDS-vt=vgd-vt=0，感應(yīng)電荷為0，溝道被夾斷，電流不會(huì)再次增加，因此此Idsmax為飽和電流。漏極飽和電流伏安特性、8、場(chǎng)效應(yīng)管特性曲線、非飽和區(qū)和飽和區(qū)線性工作面積(Ids與Vds無(wú)關(guān))。場(chǎng)效應(yīng)晶體管是平方律器件！9、5.1.2金屬氧

5、化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管電容器金屬氧化物半導(dǎo)體電容器是一種具有多層電介質(zhì)的相當(dāng)復(fù)雜的電容器：首先，在柵電極下面有一層二氧化硅電介質(zhì)。二氧化硅下面是一個(gè)相對(duì)較厚的p型襯底。最后，它是襯底電極，必須與襯底歐姆接觸。金屬氧化物半導(dǎo)體電容器也與外加電壓有關(guān)。1)當(dāng)Vgs0出現(xiàn)時(shí)，柵極上的正電荷排斥硅中的空穴，并且在柵極下的硅表面上形成耗盡區(qū)。耗盡區(qū)沒(méi)有自由載流子，只有空穴被趕走后留下的固定負(fù)電荷。這些束縛電荷分布在整個(gè)厚度為Xp的耗盡區(qū)，而柵極上的正電荷集中在柵極表面。這說(shuō)明MOS電容可以看作是兩個(gè)電容的串聯(lián)。以二氧化硅為介質(zhì)的電容器的總電容c為：比原來(lái)的電容小。、11、金屬氧化物半導(dǎo)體電容束縛電荷層厚

6、度，耗盡層電容的計(jì)算方法與PN結(jié)相同。使用泊松公式，NA是P型襯底中的摻雜濃度，通過(guò)積分上述公式可以得到耗盡區(qū)上的電勢(shì)差：從而可以得到束縛電荷層厚度，12，金屬氧化物半導(dǎo)體電容耗盡層電容。此時(shí)，耗盡層中束縛電荷的總量是耗盡層兩側(cè)電勢(shì)差的函數(shù)。13，MOS電容-耗盡層電容特性，隨著Vgs的增加，更多的空穴被排斥，耗盡層厚度Xp增加，耗盡層上的電壓降增加，從而耗盡層電容CSi減小。耗盡層上電壓降的增加實(shí)際上意味著硅表面勢(shì)壘的降低和硅表面能級(jí)的降低。一旦硅的表面能級(jí)下降到P型襯底的費(fèi)米能級(jí)，硅表面的半導(dǎo)體就是中性的。此時(shí)，在硅表面上，電子濃度等于空穴濃度，這成為本征半導(dǎo)體。14，金屬氧化物半導(dǎo)體電容

7、-耗盡層電容特性(續(xù))，3)如果Vgs再次增加，更多的空穴將被排斥，更多的電子將被吸引，因此硅的表面電位將下降，能級(jí)將下降，達(dá)到低于P型襯底的費(fèi)米能級(jí)。此時(shí)，硅表面上的電子濃度超過(guò)空穴濃度，并且半導(dǎo)體是N型的，這被稱為反型層。然而，它只是一個(gè)弱的反型層。因?yàn)殡娮拥臐舛鹊陀诳昭ǖ某跏紳舛?。隨著反型層的形成，來(lái)自柵極的正電荷的電線已經(jīng)部分落在這些電子上，因此耗盡層厚度的增加減緩，并且相應(yīng)的MOS電容CSi的減小也減緩。15，4)當(dāng)Vgs增加并達(dá)到VT值時(shí)，硅的表面電勢(shì)降低，能級(jí)下降到P型襯底的費(fèi)米能級(jí)和本征半導(dǎo)體能級(jí)之差的兩倍。它不僅中和空穴，成為本征半導(dǎo)體，而且在形成的反型層中，電子濃度達(dá)到了原

8、來(lái)的空穴濃度，所以反型層是一個(gè)強(qiáng)反型層。顯然，耗盡層的厚度不再增加，CSi不再減少。這樣，達(dá)到了最小值Cmin。最小CSi由最大耗盡層厚度Xpmax計(jì)算得出。MOS電容-耗盡層電容特性(續(xù))、16、MOS電容-谷特性、5)當(dāng)Vgs繼續(xù)增加時(shí)，反型層中的電子濃度增加，來(lái)自柵極正電荷的電源線部分落在這些電子上，而落在被耗盡層束縛的電子上的電源線數(shù)量減少。耗盡層電容將增加。當(dāng)兩個(gè)電容串聯(lián)時(shí)，c會(huì)增加。當(dāng)Vgs足夠大時(shí)，反型層中的電子濃度足夠大以起到屏蔽作用，并且所有的電源線都落在電子上。此時(shí)，反型層中的電子將變成鏡面反射，并感應(yīng)出所有負(fù)電荷，因此C=Cox。電容曲線呈谷形，如圖6.2所示。必須指出的

9、是，上述討論沒(méi)有考慮反型層中的電子來(lái)自哪里。如果金屬氧化物半導(dǎo)體電容器是一個(gè)隔離的電容器，這些電子只能通過(guò)共價(jià)鍵的分解來(lái)提供，這是一個(gè)慢過(guò)程，具有毫秒級(jí)。17，金屬氧化物半導(dǎo)體電容-測(cè)量，如果測(cè)量電容的方法是逐點(diǎn)測(cè)量-一個(gè)緩慢的過(guò)程，那么這個(gè)谷曲線將被測(cè)量。圖5.2，18，測(cè)量金屬氧化物半導(dǎo)體電容器的谷值特性，如果用高頻法，如掃頻法測(cè)量電容，電壓變化很快。共價(jià)鍵來(lái)不及分解，反型層不能及時(shí)形成，電容曲線回到考克斯值。然而，在大多數(shù)情況下，MOS電容與N區(qū)相連，有大量的電子源，可以快速形成反型層。因此，無(wú)論測(cè)量頻率有多高，電壓變化有多快，電容曲線都是谷形的。19、5.1.3金屬氧化物半導(dǎo)體電容的計(jì)

10、算，金屬氧化物半導(dǎo)體電容C只是柵極到襯底的電容，而不是外部電路中可觀察到的電容Cg、Cs和Cd。金屬氧化物半導(dǎo)體電容CG和Cd的值也與外加電壓有關(guān)。1)如果為VgsVT，則建立通道，并開(kāi)啟金屬氧化物半導(dǎo)體管。金屬氧化物半導(dǎo)體電容呈谷形變化，從考克斯降到最低點(diǎn)，又回到考克斯。此時(shí)，金屬氧化物半導(dǎo)體電容器c對(duì)Cg和Cd有貢獻(xiàn)，它們的分布取決于金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的工作狀態(tài)。計(jì)算金屬氧化物半導(dǎo)體電容，21，計(jì)算金屬氧化物半導(dǎo)體電容，如果處于不飽和狀態(tài)，除以1/3和2/3，即Cg=Cgs 2/3C Cd=Cdb 1/3C。這是因?yàn)樵诓伙柡蜖顟B(tài)下，與柵極電荷成比例的溝道電流是由Vgs和Vds的系數(shù)得出

11、的柵極電壓Vgs對(duì)柵極電荷的影響，并且漏極電壓Vds對(duì)柵極電荷的影響是233。22，計(jì)算MOS電容(續(xù))，如果處于飽和狀態(tài)，則表明溝道電荷與Vds無(wú)關(guān)，溝道已被夾斷。然后，Cg=Cgs 2/3C，Cd=Cdb 0。在飽和狀態(tài)下，通道長(zhǎng)度由Vds調(diào)制，l變小，為23。mos電容的計(jì)算(續(xù))。當(dāng)Vds增加時(shí)，l增加，Ids增加，這是因?yàn)檩d流子速度增加，這與C的分布無(wú)關(guān).然而，隨著L的增加，漏極耗盡層的寬度增加，結(jié)電容增加。因此，CG=cgs 2/3cd=CDB 0 CDB，24，深亞微米CMOS集成電路工藝的寄生電容(數(shù)據(jù))，Cap。法案。警察法。保利M1 M2 M3單位區(qū)。526 937 83

12、25 10 8 aF/um2區(qū)域(poly) 54 18 11 aF/um2區(qū)域(M1) 46 17 aF/um2區(qū)域(M2) 49 aF/Um2區(qū)域(nact。3599af/um2區(qū)域(pact。3415af/um2法蘭(接頭。)249 261af/um，25，深亞微米互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體集成電路工藝寄生電容(如圖所示)，TSMC寄生電容橫切面_ 0.35 um互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝，閾值電壓VT為26，5.2金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，閾值電壓是金屬氧化物半導(dǎo)體器件的重要參數(shù)。根據(jù)金屬氧化物半導(dǎo)體溝道隨著柵極電壓的正負(fù)增加而形成或消失的機(jī)理，有兩種類型的金屬氧化物半導(dǎo)體器件：耗盡型：當(dāng)

13、Vgs=0時(shí)溝道已經(jīng)存在。當(dāng)Vgs在一定程度上為“負(fù)”時(shí)關(guān)閉。通常，這種裝置用作負(fù)載。增強(qiáng)：它通常是關(guān)閉的，只有當(dāng)Vgs在一定程度上為“正”時(shí)，它才會(huì)被打開(kāi)，所以它被用作開(kāi)關(guān)。在概念上，VT是將柵極下的硅表面從p型硅改變?yōu)閚型硅所必需的電壓。它由兩部分組成，即：伏表面電位；氧化硅層上的電壓降。根據(jù)圖5.5、28、1的計(jì)算。將柵極下的硅表面從磷/氮型硅改變?yōu)榈?磷型硅所需的電壓Us與襯底濃度Na有關(guān)。在半導(dǎo)體理論中，P型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)接近全帶，而N型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)接近導(dǎo)帶。為了將P型轉(zhuǎn)變?yōu)镹型，所施加的電壓必須補(bǔ)償這兩個(gè)費(fèi)米能級(jí)之間的差異。因此，有：個(gè)，如圖5.4、29、2所示。Vox。根據(jù)

14、右圖中從金屬到氧化物到硅襯底Xm的電場(chǎng)分布曲線，Vox推導(dǎo)出：30，VT的理想計(jì)算公式。在工藝環(huán)境確定后，金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的閾值電壓vt主要取決于：1。襯底的摻雜濃度。2.考克斯，31，5.3 MOSFET的體效應(yīng)。前面的推導(dǎo)假設(shè)源極和襯底都接地，并且Vgs添加在柵極和襯底之間。事實(shí)上，在許多情況下，源和襯底沒(méi)有連接在一起。通常，襯底接地，但源不一定接地。當(dāng)源不接地時(shí)對(duì)電壓值的影響稱為體效應(yīng)。圖5.6，32，圖5.7在一定的CMOS工藝條件下，NMOS閾值電壓隨源-襯底電壓的變化曲線，33，5.4 MOSFET的溫度特性，MOSFET的溫度特性主要來(lái)自溝道中載流子的遷移率和閾值電壓VT隨

15、溫度的變化。載流子遷移率隨溫度變化的基本特征是：由于t的存在，t GM的閾值電壓VT的絕對(duì)值也隨著溫度的升高而減?。灰r底雜質(zhì)濃度Ni和氧化層厚度tox與襯底溫度vt (t) (24) mv/c vt的變化有關(guān)；(鎳，毒性)vt (t)，34，5.5金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管噪聲。MOSFET的噪聲源主要由兩部分組成：熱噪聲、閃爍噪聲、35、MOSFET噪聲(續(xù))。熱噪聲是由通道中載流子的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)引起的。熱噪聲電壓veg(T，T)由溝道電阻產(chǎn)生，其等效電壓值可近似表示為Df(研究的帶寬)，T為絕對(duì)溫度。假設(shè)MOS模擬電路工作在飽和區(qū)，gm可以這樣寫。結(jié)論：增加MOS的柵極寬度和偏置電流可以

16、降低器件的熱噪聲。閃爍噪聲(1/f噪聲)的形成機(jī)制是由溝道處二氧化硅和硅界面處的電子充放電引起的。閃爍噪聲的等效電壓值可以表示為K2是一個(gè)系數(shù)，典型值是31024V2F/Hz.因?yàn)?，閃爍噪聲被稱為1/f噪聲。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，增加?xùn)艠O長(zhǎng)度w可以降低閃爍噪聲。MOSFET的噪聲(續(xù))，37，兩個(gè)重要的解釋：1。有源器件的噪聲特性對(duì)于小信號(hào)放大器和振蕩器等模擬電路的設(shè)計(jì)非常重要；2.所有場(chǎng)效應(yīng)管的1/f噪聲(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管等)。)大約是BJT的10倍。在考慮振蕩器電路方案時(shí)，必須注意這一特性。金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管噪聲(續(xù))，38，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管尺寸減小對(duì)器件性能的影響，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管特性：不飽和區(qū)飽和區(qū)，5.6金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管尺寸按比例縮小)，39 39，結(jié)論1:金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管減小了金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電流控制能力。結(jié)論2:脈寬調(diào)制減小了脈寬，降低了電流控制能力和場(chǎng)效應(yīng)晶體管的