1、第 8 章,MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的基本特性,8.1 MOSFET的結(jié)構(gòu)和分類 8.2 MOSFET的特性曲線 8.3 MOSFET的閾值電壓 8.4 MOSFET的伏安特性 8.5 MOSFET的頻率特性 8.6 MOSFET的開關(guān)特性 8.7 閾值電壓的控制和調(diào)整 8.8 習(xí)題, MOSFET的結(jié)構(gòu)、種類和特點(diǎn) MOSFET的直流特性和閾值電壓調(diào)整 MOSFET的交流響應(yīng),雙極型晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管的區(qū)別,雙極型晶體管：由一個(gè)P-N結(jié)注入非平衡少數(shù)載流子，并由另一個(gè)P-N結(jié)收集而工作的。在這類晶體管中，參加導(dǎo)電的不僅有少數(shù)載流子，也有多數(shù)載流子，故稱為雙極型晶體管。,場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）：利

2、用改變垂直于導(dǎo)電溝道的電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)控制溝道的導(dǎo)電能力而工作的。在場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，工作電流是由半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子所輸運(yùn)的，因此也稱為單極型晶體管。,場(chǎng)效應(yīng)晶體管的分類,第一類：表面場(chǎng)效應(yīng)管，通常采取絕緣柵的形式，稱為絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管（IGFET）。若用二氧化硅作為半導(dǎo)體襯底與金屬柵之間的絕緣層，即構(gòu)成“金屬氧化物半導(dǎo)體”（MOS）場(chǎng)效應(yīng)晶體管，它是絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管中最重要的一種； 第二類：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET），它就是用P-N結(jié)勢(shì)壘電場(chǎng)來(lái)控制導(dǎo)電能力的一種體內(nèi)場(chǎng)效應(yīng)晶體管； 第三類：薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管（TFT），它的結(jié)構(gòu)與原理和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管相似，其差別是所用的材料及工藝不同，TFT采用真空蒸發(fā)

3、工藝先后將半導(dǎo)體-絕緣體-金屬蒸發(fā)在絕緣襯底上而構(gòu)成。,MOSFET相比雙極型晶體管的優(yōu)點(diǎn),（1）輸入阻抗高：雙極型晶體管輸入阻抗約為幾千歐，而場(chǎng)效應(yīng)晶體管的輸入阻抗可以達(dá)到1091015歐； （2）噪聲系數(shù)?。阂?yàn)镸OSFET是依靠多數(shù)載流子輸運(yùn)電流的，所以不存在雙極型晶體管中的散粒噪聲和配分噪聲； （3）功耗小：可用于制造高集成密度的半導(dǎo)體集成電路； （4）溫度穩(wěn)定性好：因?yàn)樗嵌嘧悠骷?，其電學(xué)參數(shù)不易隨溫度而變化。 （5）抗輻射能力強(qiáng)：雙極型晶體管受輻射后下降，這是由于非平衡少子壽命降低，而場(chǎng)效應(yīng)晶體管的特性與載流子壽命關(guān)系不大，因此抗輻射性能較好。,MOSFET相比雙極型晶體管的缺點(diǎn),

4、工藝潔凈要求較高； 場(chǎng)效應(yīng)管的速度比雙極型晶體管的速度來(lái)得低。,8.1 MOSFET的結(jié)構(gòu)和分類,漏源區(qū)，柵氧化層，金屬柵電極等組成,用N型半導(dǎo)體材料做襯底 用P型半導(dǎo)體材料做襯底,由N型襯底制成的管子，其漏源區(qū)是P型的，稱為P溝MOS場(chǎng)效應(yīng)管； 由P型材料制成的管子，其漏源區(qū)是N型的，稱為N溝MOS場(chǎng)效應(yīng)管。,P溝MOS管的工作原理,在工作時(shí)，源與漏之間接電源電壓。通常源極接地，漏極接負(fù)電源。在柵極和源之間加一個(gè)負(fù)電壓，它將使MOS結(jié)構(gòu)中半導(dǎo)體表面形成負(fù)電的表面勢(shì)，從而使由于硅二氧化硅界面正電荷引起的半導(dǎo)體能帶下彎的程度減小。當(dāng)柵極負(fù)電壓加到一定大小時(shí)，表面能帶會(huì)變成向上彎曲，半導(dǎo)體表面耗盡

5、并逐步變成反型。當(dāng)柵極電壓達(dá)到VT時(shí)，半導(dǎo)體表面發(fā)生強(qiáng)反型，這時(shí)P型溝道就形成了?？昭茉诼┰措妷篤DS的作用下，在溝道中輸運(yùn)。VT稱為場(chǎng)效應(yīng)管的開啟電壓。顯然，P溝MOS管的VT是負(fù)值。由前面的討論可知，形成溝道的條件為,表面強(qiáng)反型即溝道形成時(shí)，在表面處空穴的濃度與體內(nèi)電子的濃度相等。開啟電壓是表征MOS場(chǎng)效應(yīng)管性能的一個(gè)重要參數(shù)，以后內(nèi)容中還將做詳細(xì)介紹。 另外，還可以指出，當(dāng)柵極電壓變化時(shí)，溝道的導(dǎo)電能力會(huì)發(fā)生變化，從而引起通過(guò)漏和源之間電流的變化，在負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生電壓變化，這樣就可以實(shí)現(xiàn)電壓放大作用。,MOSFET的四種類型,P溝耗盡型：柵壓為零時(shí)，溝道已存在，加上一個(gè)正的柵壓可以

6、使P型溝道消失。,P溝增強(qiáng)型：柵壓為零時(shí)，溝道不存在，加上一個(gè)負(fù)的柵壓才能形成P型溝道。,N溝增強(qiáng)型：柵壓為零時(shí)，溝道不存在，加上一個(gè)正的柵壓才能形成N型溝道。,N溝耗盡型：柵壓為零時(shí)，溝道已存在，加上一個(gè)負(fù)的柵壓才能使N型溝道消失。,如果在同一N型襯底上同時(shí)制造P溝MOS管和N溝MOS管，（N溝MOS管制作在P阱內(nèi)），這就構(gòu)成CMOS 。,練習(xí),P127 17，18 P142 1，3，4,MOSFET的特征,1雙邊對(duì)稱 在電學(xué)性質(zhì)上源和漏是可以相互交換的。與雙極型晶體管相比，顯然有很大不同，對(duì)于雙極型晶體管，如果交換發(fā)射極與集電極，晶體管的增益將明顯下降。 2單極性 在MOS晶體管中參與導(dǎo)電

7、的只是一種類型的載流子，這與雙極型晶體管相比也顯著不同。在雙極型晶體管中，顯然一種類型的載流子在導(dǎo)電中起著主要作用，但與此同時(shí)，另一種載流子在導(dǎo)電中也起著重要作用。,3高輸入阻抗 由于柵氧化層的影響，在柵和其他端點(diǎn)之間不存在直流通道，因此輸入阻抗非常高，而且主要是電容性的。通常，MOSFET的直流輸入阻抗可以大于1014歐。 4電壓控制 MOSFET是一種電壓控制器件。而且是一種輸入功率非常低的器件。一個(gè)MOS晶體管可以驅(qū)動(dòng)許多與它相似的MOS晶體管；也就是說(shuō)，它有較高的扇出能力。 5自隔離 由MOS晶體管構(gòu)成的集成電路可以達(dá)到很高的集成密度，因?yàn)镸OS晶體管之間能自動(dòng)隔離。一個(gè)MOS晶體管的

8、漏，由于背靠背二極管的作用，自然地與其他晶體管的漏或源隔離。這樣就省掉了雙極型工藝中的既深又寬的隔離擴(kuò)散。,8.2 MOSFET的特性曲線,對(duì)于MOSFET則可引進(jìn)輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線來(lái)描述其電流電壓關(guān)系。,輸出特性曲線,通過(guò)MOSFET的漏源電流IDS與加在漏源極間的電壓VDS之間的關(guān)系曲線即為輸出特性曲線。 這時(shí)加在柵極上的電壓作為參變量。 以N溝道增強(qiáng)型MOSFET為例來(lái)進(jìn)行討論。 （共源極接法）,源極接地，并作為輸入與輸出的公共端，襯底材料也接地。 輸入加在柵極G及源極S之間，輸出端為漏極D與源極S。,對(duì)于N溝道增強(qiáng)型管，VDS為正電壓，VGS也是正電壓。當(dāng)VGS大于開啟電壓時(shí)，

9、N溝道形成，電流通過(guò)N溝道流過(guò)漏和源之間。 定性地可以將它分為三個(gè)工作區(qū)來(lái)進(jìn)行討論。,可調(diào)電阻區(qū)/線性工作區(qū)/三極管工作區(qū),當(dāng)漏源電壓VDS相對(duì)于柵極電壓較小時(shí)，在源和漏之間存在一個(gè)連續(xù)的N型溝道。此溝道的長(zhǎng)度L不變，寬度W也不變。從源端到漏端溝道的厚度稍有變化。這是因?yàn)閂DS使溝道中各點(diǎn)的電位不同，在近源處（VGS-V溝）比近漏處的大，表面電場(chǎng)較大，溝道較厚。但是，總的來(lái)講，溝道的厚度比氧化層厚度小得多。由此可見(jiàn)，此時(shí)的溝道區(qū)呈現(xiàn)電阻特性，電流IDS與VDS基本上是線性關(guān)系。而且，VGS越大，溝道電阻越小，可調(diào)電阻區(qū)的名稱由此而來(lái)。,可調(diào)電阻區(qū)的范圍為VDSVGS-VT，即保證漏端溝道存在的

10、條件。圖8-9（a）表示N溝道增強(qiáng)管VT2V，VGS=6V，VDS=0時(shí)的溝道情況。此時(shí)溝道中各點(diǎn)電位相同，因此溝道厚度各處相同，IDS0。 圖（b）表示當(dāng)VT2V，VGS=6V，VDS=2V時(shí)的溝道情況。這時(shí)漏端溝道厚度比源端薄，由于相差不大，仍可近似看成均勻。,當(dāng)VDS繼續(xù)增加時(shí)，例如從2V變到4V時(shí)，漏端溝道越來(lái)越薄，電阻越來(lái)越大，IDS隨VDS上升減慢，IDSVDS的直線關(guān)系變彎曲。當(dāng)VDS4V時(shí)，漏端處VGS-VDS=VT。這時(shí)漏端的溝道進(jìn)入夾斷的臨界狀態(tài)，處于可調(diào)電阻工作區(qū)與下面要討論的飽和工作區(qū)的邊界。IDS將成為漏源飽和電流IDSS。 圖8-10給出了不同VGS時(shí)的IDSVDS

11、關(guān)系，即輸出特性曲線，其中區(qū)域?yàn)榭烧{(diào)電阻工作區(qū)。,飽和工作區(qū),當(dāng)VDS繼續(xù)增大，使VDSVGS-VT時(shí)，溝道夾斷點(diǎn)從漏端向左面源端移動(dòng)。這樣，溝道的長(zhǎng)度略有縮短，夾斷點(diǎn)的電壓仍為VGS-VT，增加的電壓VDS-(VGS-VT)都降落在夾斷區(qū)，如圖8-11中的AB段所示。顯然，夾斷區(qū)是耗盡區(qū)。由于溝道的長(zhǎng)度總的來(lái)說(shuō)變化不大，所以漏源電流基本上達(dá)到飽和值IDSS。 若VDS再增大，只是使夾斷區(qū)增大。增加的電壓均降落在耗盡區(qū)，漏源電流仍基本上維持IDSS值，因此這個(gè)區(qū)域稱為飽和工作區(qū)，如圖8-10中區(qū)域所示。,溝道長(zhǎng)度調(diào)變效應(yīng),兩個(gè)N+區(qū)（源-漏）之間形成溝道長(zhǎng)度L滿足大大于夾斷區(qū)AB段長(zhǎng)度(長(zhǎng)溝道

12、)，其飽和漏源電流基本上不變。圖8-10中水平直線。 但當(dāng)溝道長(zhǎng)度L不滿足大大于夾斷區(qū)AB段長(zhǎng)度(短溝道)時(shí)，夾斷區(qū)對(duì)溝道長(zhǎng)度縮短的影響不能忽略，從而對(duì)電流的影響也不可以忽略，可見(jiàn)飽和工作區(qū)中，IDS會(huì)隨VDS增大而增加，這就是所謂的溝道長(zhǎng)度調(diào)變效應(yīng)。它與雙極型晶體管中的基區(qū)寬度調(diào)變效應(yīng)相當(dāng)。,雪崩擊穿區(qū),當(dāng)VDS超過(guò)漏與襯底間P-N結(jié)的擊穿電壓時(shí)，漏和源之間不必通過(guò)溝道形成電流，而是由漏極直接經(jīng)襯底到達(dá)源極流過(guò)大的電流，IDS迅速增大。這就出現(xiàn)輸出特性曲線中的第個(gè)區(qū)域雪崩擊穿區(qū)，如圖8-12（a）所示。,可以用相似的方法討論N溝道耗盡型， P溝道增強(qiáng)型，P溝道耗盡型MOSFET的輸出特性曲線

13、，它們分別如圖8-12（b）（d）所示。,MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線,MOSFET是一種電壓控制器件，它是利用加在柵極和源極之間的電壓來(lái)控制輸出電流的，這和雙極型晶體管用基極電流控制集電極電流是不同的。當(dāng)MOS晶體管工作在飽和區(qū)時(shí)，工作電流為IDSS。不同的VGS會(huì)引起不同的IDSS。我們將IDSS與VGS之間的關(guān)系曲線稱為轉(zhuǎn)移特性曲線。 對(duì)于N溝增強(qiáng)型MOS管，VT0，VGS0，其轉(zhuǎn)移特性曲線如圖8-13（a）所示。 用相似的方法可以得到N溝耗盡型，P溝增強(qiáng)型，P溝耗盡型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線，它們分別表示于圖8-13（b）（d）。,8.3 MOSFET的閾值電壓,N溝道增強(qiáng)型MOSFE

14、T的開啟電壓VT,對(duì)于增強(qiáng)型管，VT0,式（8-1）,N溝道耗盡型MOSFET的夾斷電壓Vp,（8-1）也適合于N溝耗盡型管,這時(shí)VT顯然小于零。這說(shuō)明在柵極電壓為零即未加電壓時(shí)，表面溝道已經(jīng)存在。因此，這時(shí)的開啟電壓實(shí)際上就是夾斷電壓，通常用Vp表示。對(duì)于N溝耗盡型MOSFET，Vp0，即當(dāng)柵極電壓VGS-|Vp|時(shí)即能開啟。柵極電壓再負(fù)得多些時(shí)，溝道截止。,P溝道增強(qiáng)型MOSFET的開啟電壓VT,顯然，P溝道增強(qiáng)型MOSFET的VT0。,式（8-2）,P溝道耗盡型MOSFET的夾斷電壓Vp,這種管的閾值電壓公式仍由上式（8-2）確定，不過(guò)要求VT0。也就是說(shuō)，在柵極電壓為零時(shí)，P型溝道早已

15、形成。這時(shí)的開啟電壓實(shí)質(zhì)上就是夾斷電壓Vp。當(dāng)柵極加的正電壓大于Vp時(shí)，溝道全部截止。,公式（8-1）、（8-2）只適用于長(zhǎng)溝道MOSFET。當(dāng)溝道長(zhǎng)度較短時(shí)，必須考慮短溝道效應(yīng)，管子的閾值電壓VT會(huì)隨溝道長(zhǎng)度L的減小而減小。這個(gè)問(wèn)題將在以后討論。,說(shuō) 明,8.4 MOSFET的伏安特性,為了方便起見(jiàn)，先作以下幾個(gè)假定： （1）漏區(qū)和源區(qū)的電壓降可以忽略不計(jì)； （2）在溝道區(qū)不存在復(fù)合產(chǎn)生電流； （3）沿溝道的擴(kuò)散電流比由電場(chǎng)產(chǎn)生的漂移電流小得多； （4）在溝道內(nèi)載流子的遷移率為常數(shù)； （5）溝道與襯底間的反向飽和電流為零； （6）緩變溝道近似成立，即跨過(guò)氧化層的垂直于溝道方向的電場(chǎng)分量與溝道

16、中沿載流子運(yùn)動(dòng)方向的電場(chǎng)分量無(wú)關(guān)。,線性工作區(qū)的伏安特性,以N溝道增強(qiáng)型為例：設(shè)溝道長(zhǎng)度為L(zhǎng)，寬度為W，厚度為d，厚度從源到漏略有變化。則線性工作區(qū)的直流特性方程可表示為,增益因子,當(dāng)VDS很小時(shí)，IDS與VDS成線性關(guān)系。VDS稍大時(shí)，IDS上升變慢，特性曲線彎曲，如圖所示。,式（8-3）,飽和工作區(qū)的伏安特性,當(dāng)漏-源電壓增加到使漏端的溝道夾斷時(shí)，IDS將趨于不變。其作用像一個(gè)電流源，管子將進(jìn)入飽和工作區(qū)。使管子進(jìn)入飽和工作區(qū)所加的漏-源電壓為VDsat，它由下式?jīng)Q定：,將上式代入式（8-3），可得到飽和工作區(qū)的漏-源電流（漏-源飽和電流）,嚴(yán)格來(lái)講，飽和工作區(qū)的電流不是一成不變的。因?yàn)檫@

17、時(shí)實(shí)際的有效溝道長(zhǎng)度減小了。當(dāng)VDS增大時(shí)，由于溝道長(zhǎng)度減小，IDSS將隨之增加。,漏源飽和電流隨溝道長(zhǎng)度的減小而增大的效應(yīng)稱為溝道長(zhǎng)度調(diào)變效應(yīng)。 這個(gè)效應(yīng)會(huì)使MOS管的輸出特性明顯發(fā)生傾斜，導(dǎo)致它的輸出阻抗降低。,溝道長(zhǎng)度調(diào)變效應(yīng),擊穿區(qū),當(dāng)漏源電壓VDS繼續(xù)增大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)漏源電流突然增大的情況，這時(shí)器件進(jìn)入擊穿區(qū)。漏源擊穿電壓BVDS可由兩種不同的擊穿機(jī)理決定：漏區(qū)與襯底之間P-N結(jié)的雪崩擊穿；漏和源之間的穿通。,漏結(jié)雪崩擊穿,漏源穿通,在正常工作時(shí)，漏結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，當(dāng)反偏電壓達(dá)到其雪崩擊穿電壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生擊穿，且擊穿電壓隨VGS的增大而增大。,漏極電壓VDS增大時(shí)，漏結(jié)耗盡區(qū)增大，使溝

18、道有效長(zhǎng)度縮短。當(dāng)溝道表面漏結(jié)耗盡區(qū)的寬度LS擴(kuò)展到等于溝道長(zhǎng)度L時(shí)，漏結(jié)耗盡區(qū)增大到源極，就發(fā)生漏源之間的直接穿通。,8.5 MOSFET的頻率特性,如果將MOSFET的襯底和源短接，通過(guò)合理的簡(jiǎn)化，可以得到如圖簡(jiǎn)化的MOS晶體管等效電路圖。,跨導(dǎo)gm,表征在漏源電壓VDS不變的情況下，漏電流IDS隨著柵電壓VGS變化而變化的程度，反映了外加VGS控制IDS的能力。 單位：電導(dǎo)（1/），常用西門子（S）表示。,跨導(dǎo)標(biāo)志了MOSFET的電壓放大本領(lǐng)， 因?yàn)殡妷涸鲆婵杀硎緸椋?由上式可知，相同負(fù)載的情況下， 跨導(dǎo)越大，電壓增益越大。,飽和工作區(qū),線性工作區(qū),跨導(dǎo)與VDS成正比,在不考慮溝道長(zhǎng)度調(diào)

19、制效應(yīng)的情況下，跨導(dǎo)與VDS無(wú)關(guān)。,提高跨導(dǎo)的方法,（1）通過(guò)改進(jìn)管子的結(jié)構(gòu)來(lái)提高增益因子：增大溝道的寬長(zhǎng)比；減薄氧化層厚度從而增大單位面積二氧化硅的電容；減小溝道載流子的濃度以提高溝道內(nèi)載流子的遷移率。 （2）當(dāng)晶體管工作在飽和區(qū)時(shí)，還可以通過(guò)適當(dāng)增加VGS來(lái)提高跨導(dǎo)。,MOSFET最高振蕩頻率,對(duì)于MOSFET，同雙極型晶體管一樣，可以引進(jìn)最高振蕩頻率來(lái)說(shuō)明管子的優(yōu)值。,N溝道MOSFET,P溝道MOSFET,減小溝道長(zhǎng)度可以有效提高最高振蕩頻率,8.6 MOSFET的開關(guān)特性,在MOS數(shù)字集成電路中，MOSFET主要工作在兩個(gè)狀態(tài)，即導(dǎo)通態(tài)和截止態(tài)。MOS數(shù)字集成電路的特性就由MOS管在

20、這兩個(gè)狀態(tài)的特性以及這兩個(gè)狀態(tài)相互轉(zhuǎn)換的特性所決定，這就是所謂的晶體管的開關(guān)特性。,倒相器也稱為反相器，由反相管（倒相管）和負(fù)載兩部分組成。通常用N溝增強(qiáng)管作反相管，負(fù)載可由不同的形式。負(fù)載通常分有源器件和無(wú)源器件兩種。無(wú)源負(fù)載即電阻負(fù)載，組成電阻負(fù)載反相器（E/R反相器）；有源負(fù)載又可分為多種不同的MOSFET，常見(jiàn)有E/E反相器（用N溝增強(qiáng)管作負(fù)載）、CMOS反相器（用P溝增強(qiáng)管作負(fù)載）和E/D反相器（用N溝耗盡管作負(fù)載）等。,CMOS倒相器,倒相管為N溝道增強(qiáng)管，其開啟電壓大于零。 兩個(gè)管子的源與各自的襯底短接后倒相管共接地，負(fù)載管共接正向VDD。 兩個(gè)柵極相并聯(lián)作為輸入端。 兩個(gè)漏極連

21、在一起作為輸出端。 兩個(gè)襯底之間因反偏而自動(dòng)隔離。,當(dāng)輸入脈沖為零時(shí)，倒相器處于截止態(tài)。這時(shí)VGS=0，倒相管處于截止?fàn)顟B(tài)。由于負(fù)載管是P溝道增強(qiáng)型管，VDD為正，相當(dāng)于在負(fù)載管的柵源之間加一個(gè)負(fù)的電壓，使負(fù)載管開啟，處于導(dǎo)通狀態(tài)。 當(dāng)輸入正脈沖時(shí)，倒相器處于導(dǎo)通狀態(tài)。假定輸入正脈沖電壓VGSVDD，這時(shí)倒相管的柵極電壓遠(yuǎn)大于源極零電位。倒相器可處于充分導(dǎo)通的狀態(tài)。負(fù)載管的柵極電位VDD與源極電位VDD相同，故處于截止?fàn)顟B(tài)。 特點(diǎn)：CMOS倒相器在導(dǎo)通和截止兩種狀態(tài)時(shí)，始終只有一個(gè)管子導(dǎo)通，只有很小的漏電流通過(guò)，所以CMOS倒相器的功耗很小，且開關(guān)時(shí)間短。,反相原理,MOSFET的開關(guān)特性類似于雙極型晶體管的開關(guān)特性 （略）,8.7 閾值電壓VT的控制和調(diào)整,在MOS集成電路的制造中，控制好閾值電壓VT的值是很重要的。例如，要制造N溝道增強(qiáng)型MOS管，它的VT應(yīng)為正值，