半導(dǎo)體器件 第十章 含作業(yè)

1、說(shuō)明n這樣我就可以光明正大的水經(jīng)驗(yàn)了，哈哈，我得意地笑，我得意地笑 第十章第十章 金屬金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管基礎(chǔ)基礎(chǔ)MOSFET：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor（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）n+n+P型硅基板型硅基板柵極（金屬）柵極（金屬）絕緣層（絕緣層（SiO2） 場(chǎng)場(chǎng) 效效 應(yīng)應(yīng) 管管場(chǎng)效應(yīng)管：場(chǎng)效應(yīng)管：一種電壓控制器件，它是利用電場(chǎng)效一種電壓控制器件，它是利用電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制其電流的大小，從而實(shí)現(xiàn)放大。工作時(shí)，應(yīng)來(lái)控制其電流的大小，從而實(shí)現(xiàn)放大。工作時(shí)，內(nèi)部參與導(dǎo)

2、電的只有多子一種載流子，因此又稱內(nèi)部參與導(dǎo)電的只有多子一種載流子，因此又稱為單極性器件。為單極性器件。原理：原理：利用改變垂直于導(dǎo)電溝道的電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)控制利用改變垂直于導(dǎo)電溝道的電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)控制溝道的導(dǎo)電能力而實(shí)現(xiàn)放大作用溝道的導(dǎo)電能力而實(shí)現(xiàn)放大作用; ; 輸入阻抗高：輸入阻抗高：柵和其他端點(diǎn)之間不存在直流通道。柵和其他端點(diǎn)之間不存在直流通道。 噪聲系數(shù)小。多子輸運(yùn)電流，不存在散粒噪聲和配分噪聲。噪聲系數(shù)小。多子輸運(yùn)電流，不存在散粒噪聲和配分噪聲。 功耗小，可用于制造高密度的半導(dǎo)體集成電路。功耗小，可用于制造高密度的半導(dǎo)體集成電路。輸入功率很低輸入功率很低而有較高的輸出能力。而有較高的輸出能力。

3、溫度穩(wěn)定性好。多子器件，電學(xué)參數(shù)不易隨溫度而變化（溫度穩(wěn)定性好。多子器件，電學(xué)參數(shù)不易隨溫度而變化（n與與 ）。一種載流子參與導(dǎo)電。一種載流子參與導(dǎo)電。 抗輻射能力強(qiáng)：雙極型晶體管的抗輻射能力強(qiáng)：雙極型晶體管的 下降（非平衡少子的壽命降下降（非平衡少子的壽命降低），而場(chǎng)效應(yīng)管的特性變化?。ㄅc載流子壽命關(guān)系不大）。低），而場(chǎng)效應(yīng)管的特性變化?。ㄅc載流子壽命關(guān)系不大）。 其它：工藝衛(wèi)生要求較高，速度較低。其它：工藝衛(wèi)生要求較高，速度較低。特點(diǎn)特點(diǎn)n+n+P型硅基板型硅基板柵極（金屬）柵極（金屬）絕緣層（絕緣層（SiO2）半半導(dǎo)導(dǎo)體體基基板板漏極漏極源極源極源極源極(S)漏極漏極(D)柵極柵極(G)

4、MOSFET的類型的類型溝道中導(dǎo)電的溝道中導(dǎo)電的載流子類型載流子類型N溝道溝道（電子型）（電子型）P溝道溝道（空穴型）（空穴型）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VG0時(shí)，是時(shí)，是否有導(dǎo)電溝道否有導(dǎo)電溝道增強(qiáng)型增強(qiáng)型耗盡型耗盡型VG0時(shí)，無(wú)導(dǎo)電溝道VG0時(shí)，有導(dǎo)電溝道比較常用的是比較常用的是NMOS管，原因是導(dǎo)通電阻小，且容易制造。管，原因是導(dǎo)通電阻小，且容易制造。n兩個(gè)兩個(gè)PN結(jié)結(jié)： 1）N型漏極與型漏極與P型襯底；型襯底； 2）N型源極與型源極與P型襯底。型襯底。一個(gè)電容器結(jié)構(gòu)一個(gè)電容器結(jié)構(gòu)： 柵極與柵極下面的區(qū)域形成一個(gè)電容器，是柵極與柵

5、極下面的區(qū)域形成一個(gè)電容器，是MOS管的核心。管的核心。10.1 MOS電容結(jié)構(gòu)氧化層厚度氧化層介電常數(shù)Al或高摻雜的多晶Sin型Si或p型SiSiO2MOS電容的組成電容的組成MOS電容是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的電容，有電容是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的電容，有多層介質(zhì)：多層介質(zhì)：在柵極電極下面有一層在柵極電極下面有一層SiO2介質(zhì)。介質(zhì)。SiO2下面是下面是P型襯底，襯底是比較厚型襯底，襯底是比較厚的。最后，是一個(gè)襯底電極，它同的。最后，是一個(gè)襯底電極，它同襯底之間必須是歐姆接觸。襯底之間必須是歐姆接觸。MOS電容還與外加電壓有關(guān)。電容還與外加電壓有關(guān)。 MOS電容的特性與柵極上所加的電電容的特性與柵極上所加的電

6、壓緊密相關(guān)，壓緊密相關(guān)， 這是因?yàn)榘雽?dǎo)體的表這是因?yàn)榘雽?dǎo)體的表面狀態(tài)隨柵極電壓的變化可處于積面狀態(tài)隨柵極電壓的變化可處于積累層、累層、 耗盡層、耗盡層、 反型層三種狀態(tài)。反型層三種狀態(tài)。 SiO2V（a）MOS結(jié)構(gòu) p-SiMCoxCsd（b）MOS結(jié)構(gòu)等效電路MOS+ V -a. MOS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)b. 電場(chǎng)效應(yīng)電場(chǎng)效應(yīng)雙端雙端MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)場(chǎng)效應(yīng)n當(dāng)柵源之間加上正向電壓，則柵極當(dāng)柵源之間加上正向電壓，則柵極和和p型硅片之間構(gòu)成了以二氧化硅為型硅片之間構(gòu)成了以二氧化硅為介質(zhì)的平板電容器，在正的柵源電介質(zhì)的平板電容器，在正的柵源電壓作用下，介質(zhì)中便產(chǎn)生了一個(gè)垂壓作用下，介質(zhì)中便產(chǎn)生了一個(gè)垂直于

7、半導(dǎo)體表面的由柵極指向直于半導(dǎo)體表面的由柵極指向p型襯型襯底的電場(chǎng)（由于絕緣層很薄，即使底的電場(chǎng)（由于絕緣層很薄，即使只有幾伏的柵源電壓只有幾伏的柵源電壓VGS ，也可產(chǎn)，也可產(chǎn)生高達(dá)生高達(dá)105106V/cm數(shù)量級(jí)的強(qiáng)數(shù)量級(jí)的強(qiáng)電場(chǎng)）。電場(chǎng)）。n這個(gè)電場(chǎng)排斥空穴而吸引電子，這個(gè)電場(chǎng)排斥空穴而吸引電子，因此，使柵極附近的因此，使柵極附近的p型襯底中的型襯底中的空穴被排斥，留下不能移動(dòng)的受主空穴被排斥，留下不能移動(dòng)的受主離子（負(fù)離子），形成耗盡層，離子（負(fù)離子），形成耗盡層，同同時(shí)時(shí)p型襯底中的少子（電子）被吸型襯底中的少子（電子）被吸引到襯底表面。引到襯底表面。10.1 表面能帶圖:p型襯底負(fù)

8、柵壓情形負(fù)柵壓情形導(dǎo)帶底能級(jí)禁帶中心能級(jí)費(fèi)米能級(jí)價(jià)帶頂能級(jí)空穴積累：空穴積累：表面的多子濃度表面的多子濃度大大于體內(nèi)的多子濃度于體內(nèi)的多子濃度。表面表面）（vFEE)(表面)(vFSEE)exp(kTEENpvFv表面電場(chǎng)電場(chǎng)電勢(shì)電勢(shì)電子能量電子能量以半導(dǎo)體體內(nèi)為零電勢(shì)10.1 表面能帶圖:p型襯底小的正柵壓情形小的正柵壓情形(耗盡層)空穴耗盡：空穴耗盡：表面的多子濃度表面的多子濃度遠(yuǎn)小于體內(nèi)的多子濃度。遠(yuǎn)小于體內(nèi)的多子濃度。表面表面）遠(yuǎn)離（vFEE )(表面)(vFSEE)exp(kTEENpvFv表面10.1 表面能帶圖:p型襯底表面空穴濃度 =表面電子濃度表面表面)()(FiFEE表面表

9、面nnkTEEnpiFFii)exp(正柵壓增大正柵壓增大 10.1 表面能帶圖:p型襯底(反型層+耗盡層)dTX弱反型現(xiàn)象弱反型現(xiàn)象表面表面)()(FiFEE表面表面pnkTEEnniFiFi)exp(正柵壓繼續(xù)增大正柵壓繼續(xù)增大 10.1 表面能帶圖:p型襯底強(qiáng)反型閾值反型點(diǎn)閾值反型點(diǎn): 表面電子濃度 = 體內(nèi)空穴濃度 體表面)()(FFiFiFEEEE表面表面)exp(kTEEnnFiFi體體)exp(kTEEnpFFii體表面pn大的正柵壓大的正柵壓漏源之間形成的導(dǎo)電通道漏源之間形成的導(dǎo)電通道BPGSiO2SDN+N+ +-+-+VGS- - - - - -反型層反型層iDVDS10.

10、1 表面能帶圖:n型襯底(1)正柵壓情形正柵壓情形FScFSCEEEE10.1 表面能帶圖:n型襯底(2)小的負(fù)柵壓情形小的負(fù)柵壓情形大的負(fù)柵壓情形大的負(fù)柵壓情形(耗盡層)n型(反型層+耗盡層)n型FScFSFiEEEEFScFSFiEEEE10.1 空間電荷區(qū)厚度:表面耗盡情形費(fèi)米勢(shì)費(fèi)米勢(shì)表面勢(shì)表面勢(shì)表面空間電表面空間電荷區(qū)厚度荷區(qū)厚度s半導(dǎo)體表面電勢(shì)與半導(dǎo)體表面電勢(shì)與體內(nèi)電勢(shì)之差體內(nèi)電勢(shì)之差半導(dǎo)體體內(nèi)費(fèi)米能半導(dǎo)體體內(nèi)費(fèi)米能級(jí)與禁帶中心能級(jí)級(jí)與禁帶中心能級(jí)之差的電勢(shì)表示之差的電勢(shì)表示采用單邊突變結(jié)的采用單邊突變結(jié)的耗盡層近似耗盡層近似P型襯底型襯底 22sdxxdE xdxdx aeNx)(

11、saseNxdxxdE)()(單邊突變結(jié)單邊突變結(jié)n+pdxx 0 x00PNdxdxE邊界條件：邊界條件：x= xd 時(shí)，時(shí)，E=0dsaxeNC1)()(dsaxxeNxE1)()(CxeNdxeNdxxxEsasas根據(jù)：根據(jù)：假定假定x= xd 處的電勢(shì)為處的電勢(shì)為0dxxdxE)()(22)2()()()()(CxxxeNxdxxxeNdxxExdsadsa222dsaxeNC)0(,)(2)(2ddsaxxxxeNx)0(,)(2)(2ddsaxxxxeNx22dsasxeN)0(,)1 ()(2ddsxxxxxassdeNx2sasdaBeNxeNQ2max10.1 空間電荷區(qū)厚

12、度:表面反型情形閾值反型點(diǎn)閾值反型點(diǎn)條件：表面處的電子濃度條件：表面處的電子濃度=體內(nèi)的空穴濃度體內(nèi)的空穴濃度表面空間電荷表面空間電荷區(qū)厚度區(qū)厚度表面電子濃度：表面電子濃度：exp()FFiiEEnnkTexp()sfpieenkT體內(nèi)空穴濃度：體內(nèi)空穴濃度：exp()FiFiEEpnkTexp()fpienkT2sfpP型襯底型襯底柵電壓柵電壓=閾值電壓閾值電壓表面空間電荷區(qū)厚度達(dá)到最大表面空間電荷區(qū)厚度達(dá)到最大值值:表面導(dǎo)電性增加，屏蔽外加電場(chǎng)表面導(dǎo)電性增加，屏蔽外加電場(chǎng)10.1 空間電荷區(qū)厚度:與摻雜濃度的關(guān)系實(shí)際器件參數(shù)區(qū)間10.1 電子反型電荷濃度P型襯型襯底底exp)2(exp)2

13、(expexp)2(expexpexpkTenkTenkTekTenkTeeenkTeenkTEEnnsstfpsstfpsfpifpsfpifpsiFiFifpss2電子反型電荷濃度：電子反型電荷濃度：其中10.1 表面反型層電子密度與表面勢(shì)的關(guān)系kTeNnnsaisexp2316316cm101V695. 02V347. 0K300cm103sfpsfpanTN反型實(shí)例：P型襯底型襯底10.1 功函數(shù)差:MOS接觸前的能帶圖金屬的功函數(shù)金屬的費(fèi)米能級(jí)二氧化硅的禁帶寬度二氧化硅的電子親和能硅的電子親和能02gsFsfpEWEEee)2(fpgmsmmseEeWW（電勢(shì)表示）差金屬與半導(dǎo)體的功

14、函數(shù)0mFmmWEEe金屬的功函數(shù)半導(dǎo)體的功函數(shù)絕緣體不允許電荷在金屬和半導(dǎo)體之間進(jìn)行交換，要達(dá)到熱平衡，需要導(dǎo)線連接金屬和半導(dǎo)體！10.1 功函數(shù)差:MOS結(jié)構(gòu)的能帶圖條件：零柵壓，條件：零柵壓， 熱平衡熱平衡零柵壓下氧化物二側(cè)的電勢(shì)差修正的金屬功函數(shù)零柵壓下半導(dǎo)體的表面勢(shì)修正的硅的電子親和能二氧化硅的電子親和能10.1 功函數(shù)差:計(jì)算公式00 ()2()gmsmfpoxSEeV V83. 0)cm10,K300(V228. 0:SiSiOAleV11. 1:SiV25. 3:SiOSiV20. 3:SiOAlms314222afpgmNTE00bioxSVV 內(nèi)建電勢(shì)差：ms功函數(shù)差10.

15、1 功函數(shù)差:計(jì)算公式00bioxSVV 內(nèi)建電勢(shì)差：ms功函數(shù)差)(00SoxmsV10.1 功函數(shù)差:n摻雜多晶硅柵(P-Si)0MOSFET為增強(qiáng)型VG=0時(shí)未反型，加有正柵壓時(shí)才反型VTN0，使電子從源流到漏p溝道MOSFETn型襯底，p型溝道，空穴導(dǎo)電VDS0n溝道耗盡型MOSFET零柵壓時(shí)已存在反型溝道，VTN0按照零柵壓時(shí)有無(wú)導(dǎo)電溝道可分為：按照零柵壓時(shí)有無(wú)導(dǎo)電溝道可分為：10.3 MOSFET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，VTP0增強(qiáng)型：柵壓為增強(qiáng)型：柵壓為0時(shí)不導(dǎo)通時(shí)不導(dǎo)通N溝（正電壓開啟溝（正電壓開啟 “1”導(dǎo)導(dǎo)通）通）P溝（負(fù)

16、電壓開啟溝（負(fù)電壓開啟 “0”導(dǎo)導(dǎo)通）通）耗盡型：柵壓為耗盡型：柵壓為0時(shí)已經(jīng)導(dǎo)通時(shí)已經(jīng)導(dǎo)通N溝（很負(fù)才關(guān)閉）溝（很負(fù)才關(guān)閉）P溝（很正才關(guān)閉）溝（很正才關(guān)閉）理想理想MOS 施加偏壓后的幾種表面狀態(tài)施加偏壓后的幾種表面狀態(tài) 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 )11.3.2 N 溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管工作原理場(chǎng)效應(yīng)管工

17、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)背靠漏源之間相當(dāng)于兩個(gè)背靠背的背的 PN 結(jié)，無(wú)論漏源之間加何結(jié)，無(wú)論漏源之間加何種極性電壓，種極性電壓，總是不導(dǎo)電總是不導(dǎo)電。SBD 當(dāng)當(dāng)VGS 逐漸增大時(shí)，柵逐漸增大時(shí)，柵氧化層下方的半導(dǎo)體表面氧化層下方的半導(dǎo)體表面會(huì)發(fā)生什么變化？會(huì)發(fā)生什么變化？BPGSiO2SDN+N+( (2) ) VGS 00逐漸增大逐漸增大 柵氧化層中的場(chǎng)強(qiáng)越來(lái)越大，柵氧化層中的場(chǎng)強(qiáng)越來(lái)越大，它們排斥它們排斥P型襯底靠近型襯底靠近 SiO2 一側(cè)一側(cè)的空穴，的空穴，形成由負(fù)離子組成的

18、耗形成由負(fù)離子組成的耗盡層。盡層。增大增大 VGS 耗盡層變寬。耗盡層變寬。 當(dāng)當(dāng)VGS繼續(xù)升高時(shí)繼續(xù)升高時(shí), 溝道加厚，溝道電阻減少，在相同溝道加厚，溝道電阻減少，在相同VDS的作用下，的作用下，ID將進(jìn)一步增加將進(jìn)一步增加。BPGSiO2SDN+N+ +-+-+VGS- - - - - -反型層反型層iD由于吸引了足夠多由于吸引了足夠多P型襯底的電子，型襯底的電子，會(huì)在耗盡層和會(huì)在耗盡層和 SiO2 之間形成可移動(dòng)的表面電荷層之間形成可移動(dòng)的表面電荷層 反型層、反型層、N 型導(dǎo)型導(dǎo)電溝道電溝道。這時(shí)，在這時(shí)，在VDS的作用下就會(huì)形成的作用下就會(huì)形成ID。( (3) ) VGS 繼續(xù)增大繼續(xù)

19、增大 弱反型弱反型 強(qiáng)反型強(qiáng)反型VDS 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。用源電壓。用VT表示。表示。閾值電壓閾值電壓MOS場(chǎng)效應(yīng)管利用場(chǎng)效應(yīng)管利用VGS來(lái)控制半導(dǎo)體表面來(lái)控制半導(dǎo)體表面“感應(yīng)電感應(yīng)電荷荷”的多少，來(lái)改變溝道電阻，從而控制漏極電流的多少，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。是一種電壓控制型器件。 MOSFET能夠工作的能夠工作的關(guān)鍵關(guān)鍵是半導(dǎo)體是半導(dǎo)體 表面表面必須必須有導(dǎo)電溝道有導(dǎo)電溝道，而只有表面達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)才會(huì)有溝道，而只有表面達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)才會(huì)有溝道形成。形成。 2. V

20、DS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響對(duì)導(dǎo)電溝道的影響(VGSVT)c.VDS=VGSVT，即即VGD=VT：靠近漏極溝道達(dá)到臨界開啟程度，靠近漏極溝道達(dá)到臨界開啟程度，出現(xiàn)預(yù)夾斷。出現(xiàn)預(yù)夾斷。VDS=VDSatb.0VDSVT:導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)一個(gè)楔形?？拷鼘?dǎo)電溝道呈現(xiàn)一個(gè)楔形。靠近漏端的導(dǎo)電溝道減薄。漏端的導(dǎo)電溝道減薄。a. VDS 0，但值較小時(shí)：，但值較小時(shí)：VDS對(duì)溝道影響可忽略，溝道對(duì)溝道影響可忽略，溝道厚度均勻厚度均勻VDSVGSBPGN+N+SDd.VDSVGSVT，即即VGDVDsat時(shí)，在P點(diǎn)的電壓VDsat保持固定 溝道被夾斷后，若VG不變，則當(dāng)漏極電壓持續(xù)增加時(shí)，超過(guò)夾斷點(diǎn)電壓VDsat的那

21、部分即VDS-VDsat將降落在漏端附近的夾斷區(qū)上，因而夾斷區(qū)將隨VDS的增大而展寬，夾斷點(diǎn)P隨之向源端移動(dòng)，但由于P點(diǎn)的電壓保持為VDsat不變，反型層內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)而同時(shí)反型載流子數(shù)減少，二者共同作用的結(jié)果是單位時(shí)間流到P點(diǎn)的載流子數(shù)即電流不變。一旦載流子漂移到P點(diǎn)，將立即被夾斷區(qū)的強(qiáng)電場(chǎng)掃入漏區(qū)，形成漏源電流，而且該電流不隨VDS的增大而變化，即達(dá)到飽和。此即為飽和區(qū)，飽和區(qū)，如圖(c)所示當(dāng)然，如果VDS過(guò)大，漏端p-n結(jié)會(huì)發(fā)生反向擊傳。L溝道pnn耗盡區(qū)TGVV)(D小VDI低漏極電壓)(a點(diǎn)為夾斷點(diǎn)進(jìn)入飽和區(qū)，p)(bnn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(p夾斷點(diǎn)nn耗盡區(qū)TGVVsat

22、DDVV)(pLp過(guò)飽和)(c圖 5. 15 MOSFET 工作方式及其輸出的 I-V 特性L溝道pnn耗盡區(qū)TGVV)(D小VDIL溝道pnn耗盡區(qū)TGVV)(D小VDIL溝道pnn耗盡區(qū)TGVV)(D小VDI低漏極電壓)(a點(diǎn)為夾斷點(diǎn)進(jìn)入飽和區(qū)，p)(bnn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(p夾斷點(diǎn)nn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(p夾斷點(diǎn)nn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(p夾斷點(diǎn)nn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(pLpnn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(pLpnn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(pLp過(guò)飽和)(c圖 5. 15 MOSFET 工作方式及其輸出的 I-V 特性DIDVD

23、IDVDIDVDIDVDIDV0satDIsatDVDIDV0satDIsatDVDIDV0satDIsatDVDIDV0satDIsatDVDIDV0DIDV0DIDV0DIDV03 . N 溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線1 1）輸出特性曲線）輸出特性曲線( (假設(shè)假設(shè)VGS=5V) ) 輸出特性曲線輸出特性曲線非非飽飽和和區(qū)區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)擊擊穿穿區(qū)區(qū)BVDS ID/mAVDS /VOVGS=5VVGS=4VVGS=3V預(yù)夾斷軌跡預(yù)夾斷軌跡VDSat 過(guò)過(guò)渡渡區(qū)區(qū)線線性性區(qū)區(qū)( (d)d)VDS:VGDVTBPN+N+VDSVGSGSDLVTBPN+N+V

24、DSVGSGSDVGSVGD( (c)Vc)VDS:VGD=VTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVT( (a) )VDS很小很小VGSBPGN+N+SDVDSVGSVGDVGS ID=IDSatVT VGS /VID /mAO2 2）轉(zhuǎn)移特性曲線）轉(zhuǎn)移特性曲線( (假設(shè)假設(shè)VDS=5V) ) a. VGS VT 器件內(nèi)存在導(dǎo)電溝道，器件內(nèi)存在導(dǎo)電溝道，器件處于器件處于導(dǎo)通導(dǎo)通狀態(tài)，有輸狀態(tài)，有輸出電流。且出電流。且VGS越大，溝越大，溝道導(dǎo)電能力越強(qiáng)，輸出道導(dǎo)電能力越強(qiáng)，輸出電流越大電流越大 轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線4. N 溝道耗盡型溝道耗盡型 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管BPGN+N+SD

25、SiO2+ + + + + + 1） N溝道溝道耗盡型耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)1、 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)2、 符號(hào)符號(hào)SGDBID/mAVGS /VOVP(b)(b)轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性IDSS(a)(a)輸出輸出特性特性ID/mAVDS /VO+1VVGS=0 3 V 1 V 2 V432151015 202）基本工作原理）基本工作原理a. 當(dāng)當(dāng)VGS=0時(shí)，時(shí)，VDS加正向電壓，加正向電壓，產(chǎn)生漏極電流產(chǎn)生漏極電流ID,此時(shí)的漏極電流此時(shí)的漏極電流稱為稱為漏極飽和電流漏極飽和電流，用，用IDSS表示表示b. 當(dāng)當(dāng)VGS0時(shí)，時(shí)，ID進(jìn)一步增加進(jìn)一步增加。c. 當(dāng)當(dāng)VGS0時(shí)，隨著時(shí)，隨著VGS

26、的減小的減小漏極電流逐漸漏極電流逐漸減小減小。直至。直至ID=0。對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)ID=0的的VGS稱為夾斷電壓，稱為夾斷電壓，用符號(hào)用符號(hào)VP表示。表示。種種 類類符號(hào)符號(hào)轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線輸出特性曲線輸出特性曲線 NMOS增強(qiáng)型增強(qiáng)型耗盡型耗盡型PMOS增強(qiáng)型增強(qiáng)型耗盡型耗盡型IDSGDBSGDBIDSGDBIDSGDBIDVGSIDOVTIDVGSVPIDSSOVDSID_VGS=0+_OIDVGSVTOIDVGSVPIDSSO_ _IDVGS=VTVDS_ _o o_ _+VDSID+OVGS=VTIDVGS= 0V _ _VDSo o 小小 結(jié)結(jié) 按照導(dǎo)電類型分按照導(dǎo)電類型分MOSMO

27、S管分為管分為NMOSNMOS和和PMOSPMOS。按照零柵壓時(shí)有無(wú)溝道又分為按照零柵壓時(shí)有無(wú)溝道又分為增強(qiáng)型和耗盡型增強(qiáng)型和耗盡型兩種形式。兩種形式。 NMOSNMOS和和PMOSPMOS結(jié)構(gòu)十分相似，只是兩者的結(jié)構(gòu)十分相似，只是兩者的襯底及源漏區(qū)摻雜類襯底及源漏區(qū)摻雜類型剛好相反型剛好相反。 特性曲線：輸出特性曲線特性曲線：輸出特性曲線(非飽和區(qū)、飽和區(qū)、擊穿區(qū)非飽和區(qū)、飽和區(qū)、擊穿區(qū)) 轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線(表征了表征了VGS對(duì)對(duì)ID的的控制控制能力能力) 工作原理：工作原理：VGS ：耗盡耗盡 弱反型弱反型 強(qiáng)反型強(qiáng)反型 VDS ：減薄減薄 夾斷夾斷 擴(kuò)展擴(kuò)展 耗盡型器件形成的原因

28、，其基本特性與增強(qiáng)型器件之間的不耗盡型器件形成的原因，其基本特性與增強(qiáng)型器件之間的不同點(diǎn)。同點(diǎn)。定性分析定性分析11.3 MOSFET原理 I-V特性:基本假設(shè)xEyExyn溝道中的電流是由漂移而非擴(kuò)散產(chǎn)生的（長(zhǎng)溝器件）n柵氧化層中無(wú)電流n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n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n耗盡層厚度沿溝道方向上是一 個(gè)常數(shù)n溝道中的載流子遷移率與空間 坐標(biāo)無(wú)關(guān)n襯底與源極之間的電壓為零xxE)(EnxyenJ電流密度電流密度:(漂移電流漂移電流密度為密度為)11.3 MOSFET原理 I-V特性:溝

29、道電流X方向的電流強(qiáng)度：方向的電流強(qiáng)度：x0000( )EccWxWxxxnIJ dydzen ydydz 0( )cxnQen y dy WWdz0 xEnnWQ反型層中平行于溝道方向的電場(chǎng)：反型層中平行于溝道方向的電場(chǎng)：dxdVxxExxnndVIWQdx 11.3 MOSFET原理 I-V特性:電中性條件0(max)SDnssmQQQQ高斯定理123456n112233445566EEEEEEESSSSSSSdSdSdSdSdSdSdS相互抵消E5=E6=0，即使有也相互抵消E30WdxQQQQSDnssT)(max)STQdSnE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

30、電場(chǎng)強(qiáng)度該閉合表面所包圍區(qū)域的總電荷量(max)oxESDnssoxQQQ11.3 MOSFET原理 I-V特性:表面電荷444oxEEoxSdSWdx dxW243156fpe2msfpoxxGSVVV2 FpFmEE ()22gmsmfpsfpEe11.3 MOSFET原理 I-V特性:氧化層電勢(shì)()GSxe VV( ) ( )2gmoxsfpEeVe11.3 MOSFET原理 I-V特性:反型層電荷與電場(chǎng)ox(max)(max)EoxssnSDssnSDQQQQQQoxEoxoxVtmsfpoxxGSVVV2氧化層電勢(shì)氧化層電勢(shì)(max)2oxnSDssGSxfpmsoxQQQVVt 半

31、導(dǎo)體表面空間電荷半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)的單位面積電荷區(qū)的單位面積電荷氧化層中垂直于溝氧化層中垂直于溝道方向的電場(chǎng)道方向的電場(chǎng)由上三式可得由上三式可得反型層單位面反型層單位面積的電荷積的電荷oxoxoxtC/xxnndVIWQdx nOXGSTxQCVVV ()xxnoxGSTxdVIWCV-V -Vdx不應(yīng)是x或Vx的函數(shù)（電流連續(xù)性定律）x00IDSLVDxI dxdV)0()(22)(2satDSDSTGSDSDSTGSoxnDVVVVVVVVLCWI，當(dāng)11.3 MOSFET原理 I-V特性:線性區(qū)與飽和區(qū)，處于飽和區(qū)若無(wú)關(guān)與TGSDSDSTGSoxnsatDVVVVVVLCWI2)()(

32、2，處于線性區(qū)若TGSDSDSDSTGSoxnDVVVVVVVLCWI)(0)(satDSDSVVDSDVITGSsatDSVVV)()(222DSDSTGSoxnDVVVVLCWI11.3 MOSFET原理 和VT的測(cè)試提取方法DSTGSoxnDVVVLCWI)(特性基于線性區(qū)GSDVITnDSoxnVLVCW橫軸截距斜率特性基于飽和區(qū)SDVIGTnoxnVLCW橫軸截距斜率2)(2)(TGSoxnsatDVVLCWI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11.3 MOSFET原理 p溝增強(qiáng)型MOSFET的I-V特性)(222SDSDTSGoxpDVVVVLCWI非飽

33、和區(qū)DSTSGoxpDVVVLCWI)(線性區(qū)2()()2poxD satSGTSD satSGTWCIVVLVVV（飽和區(qū)注：注：Vds=-Vsd Vgs=-Vsg,等等11.3 MOSFET原理 跨導(dǎo)(晶體管增益):模型常數(shù)DSVGSDmVIg()20)2()2DSDS satnoxDGSTDSDSVVWCIVV VVL非飽和區(qū)（含線性區(qū)，()2)()2DSDS satnoxDGSTVVWCIVVL飽和區(qū)（含線性區(qū)，跨導(dǎo)用來(lái)表征MOSFET的放大能力：noxnoxoxWCWLL t 令材料參數(shù)材料參數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)工藝參數(shù)工藝參數(shù)nW Loxt影響跨導(dǎo)的因素：DSnoxmLDSGSVWC

34、gVLV與無(wú)關(guān)()GSTnoxmsGSTDSVVWCgVVLV與無(wú)關(guān)小節(jié)內(nèi)容n電流電壓關(guān)系推導(dǎo)n跨導(dǎo)n器件結(jié)構(gòu)n遷移率n閾值電壓nWnL (p350第二段有誤：L增加，跨導(dǎo)降低)ntox)0()(22)(2satDSDSTGSDSDSTGSoxnDVVVVVVVVLCWI，當(dāng)作業(yè)：作業(yè)： 試分析試分析VGS,VDS對(duì)增強(qiáng)型對(duì)增強(qiáng)型PMOS及及耗盡型耗盡型PMOS導(dǎo)電溝道及輸出電流導(dǎo)電溝道及輸出電流的影響，并推導(dǎo)其電流電壓方程。的影響，并推導(dǎo)其電流電壓方程。11.3 MOSFET原理 襯底偏置效應(yīng)(1)0必須反偏或零偏Vsb=Vs-Vb0,即Vb更負(fù)（這樣才反偏）在在溝道源端感應(yīng)出來(lái)溝道源端感應(yīng)

35、出來(lái)的電子全跑掉了的電子全跑掉了11.3 MOSFET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：不同襯偏電壓條件下的能帶圖：0SBV0SBV11.3 MOSFET原理 襯底偏置效應(yīng)(3)現(xiàn)象n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；n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?；n表面費(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)；11.3 MOSFET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)

36、小節(jié)內(nèi)容n襯底偏置效應(yīng)nP阱更負(fù)，n管閾值上升nN襯底更正，p管閾值更負(fù)n此種類型偏置經(jīng)常做模擬用途。例11.10：T=300K，Na=31016cm-3，tox=500埃，VSB=1VVT=0.66V11.4 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)11.4 頻率限制特性 完整的小信號(hào)等效電路共源共源n溝溝MOSFET小信號(hào)等效電路小信號(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)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)入低頻條件下只計(jì)入rs只計(jì)入本征參數(shù)只計(jì)入本征參數(shù)

37、msmmmdgsmgssmmgsmdgsgssmsgsmgsgssgrgggIVgVrggVgIVVrgrVgVVr11)1 ()(的影響低頻條件下只計(jì)入低頻條件下只計(jì)入rds11.4 頻率限制特性 MOSFET頻率限制因素限制因素限制因素2：對(duì)柵電容充電：對(duì)柵電容充電需要時(shí)間需要時(shí)間限制因素限制因素1：溝道載流子從源：溝道載流子從源到漏運(yùn)動(dòng)需要時(shí)間到漏運(yùn)動(dòng)需要時(shí)間710 cm/s; 1msatvLGHz1001ps10ttsltfvL截止頻率溝道渡越時(shí)間溝道渡越時(shí)間通常不是主要頻率限制因素對(duì)對(duì)Si MOSFET，飽和，飽和漂移速度漂移速度11.4 頻率限制特性 電流-頻率關(guān)系負(fù)載電阻)(/)(gsdTgdgsmLdddgsTgdgsTgsiVVCjVgRVIVVCjVCjI11mLigsTgdTgsLgdTg RIjCCVj R C)1 (LmTgdMRgCC密勒電容1TgdLCR通常輸入電流輸出電流對(duì)柵電容充電需要時(shí)間對(duì)柵電容充電需要時(shí)間消去電壓變量VD(1)gsTgdTmLgsjCCg RVgsTMgsjCCV11.4 頻率限制特性 密勒電容等效)1 (LmTgdMRgCC密勒電容只計(jì)入本征參數(shù)只計(jì)入本征參數(shù)器件飽和時(shí)，器件