MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管

MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFieldEffect

TransistorMetal-Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistor1精選課件4.1MOS管的結(jié)構(gòu)、工作原理和輸出特性4.1.1MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)4.1.2基本工作原理和輸出特性4.1.3MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的分類4.2MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的閾值電壓4.2.1MOS管閾值電壓的定義4.2.2MOS管閾值電壓的表示式4.2.3非理想條件下的閾值電壓4.2.4影響閾值電壓的其他因素4.2.5閾值電壓的調(diào)整技術(shù)4.3MOS管的直流電流-電壓特性4.3.1MOS管線性區(qū)的電流-電壓特性4.3.2MOS管飽和區(qū)的電流-電壓特性4.3.3亞閾值區(qū)的電流-電壓特性4.3.4MOS管擊穿區(qū)特性及擊穿電壓4.4MOS電容及MOS管瞬態(tài)電路模型4.4.1理想MOS結(jié)構(gòu)的電容-電壓特性4.4.2MOS管瞬態(tài)電路模型-SPICE模型4.5MOS管的交流小信號(hào)參數(shù)和頻率特性4.5.1MOS場(chǎng)效應(yīng)管的交流小信號(hào)參數(shù)4.5.2MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的頻率特性4.6MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的開關(guān)特性4.6.1MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管瞬態(tài)開關(guān)過程4.6.2開關(guān)時(shí)間的計(jì)算4.7MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的二級(jí)效應(yīng)4.7.1非常數(shù)表面遷移率效應(yīng)4.7.2體電荷效應(yīng)對(duì)電流-電壓特性的影響4.7.3MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的短溝道效應(yīng)4.7.4MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的窄溝道效應(yīng)4.8MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管溫度特性4.8.1熱電子效應(yīng)4.8.2遷移率隨溫度的變化4.8.3閾值電壓與溫度關(guān)系4.8.4MOS管幾個(gè)主要參數(shù)的溫度關(guān)系2精選課件場(chǎng)效應(yīng)管：利用輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng)來控制輸出回路電流的三極管;一種載流子參與導(dǎo)電，又稱單極型(Unipolar)晶體管。原理：利用改變垂直于導(dǎo)電溝道的電場(chǎng)強(qiáng)度來控制溝道的導(dǎo)電能力而實(shí)現(xiàn)放大作用;第四章MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管雙極晶體管：參加工作的不僅有少數(shù)載流子，也有多數(shù)載流子，故統(tǒng)稱為雙極晶體管3精選課件特點(diǎn)單極型器件(靠多數(shù)載流子導(dǎo)電)；輸入電阻高：可達(dá)1010(有資料介紹可達(dá)1014）以上、抗輻射能力強(qiáng)、

；制作工藝簡(jiǎn)單、易集成、熱穩(wěn)定性好、功耗小、體積小、成本低。OUTLINE4精選課件4.1MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)、工作原理和輸出特性

柵極Al(Gate)源極(Source)漏極(Drain)絕緣層SiO2(Insulator)保護(hù)層表面溝道(Channel)襯底電極(Substrate)OhmiccontactMOS管結(jié)構(gòu)兩邊擴(kuò)散兩個(gè)高濃度的N區(qū)形成兩個(gè)PN結(jié)以P型半導(dǎo)體作襯底5精選課件通常，MOS管以金屬Al(Metal)

SiO2(Oxide)

Si(Semicond-uctor)作為代表結(jié)構(gòu)基質(zhì)：硅、鍺、砷化鎵和磷化銦等柵材：二氧化硅、氮化硅、和三氧化二鋁等制備工藝：MOSFET基本上是一種左右對(duì)稱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它是在P型半導(dǎo)體上生成一層SiO2薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極。結(jié)構(gòu)：環(huán)形結(jié)構(gòu)、條狀結(jié)構(gòu)和梳狀結(jié)構(gòu)6精選課件基本結(jié)構(gòu)參數(shù)----電容結(jié)構(gòu)溝道長(zhǎng)度溝道寬度柵絕緣層厚度tOX

擴(kuò)散結(jié)深襯底摻雜濃度NA

+表面電場(chǎng)MOSFETFundamentalsD-S

間總有一個(gè)反接的PN結(jié)產(chǎn)生垂直向下的電場(chǎng)7精選課件MOS管工作原理

柵壓從零增加，表面將由耗盡逐步進(jìn)入反型狀態(tài)，產(chǎn)生電子積累。當(dāng)柵壓增加到使表面積累的電子濃度等于或超過襯底內(nèi)部的空穴平衡濃度時(shí)，表面達(dá)到強(qiáng)反型，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的柵壓稱為閾值電壓UT

。感應(yīng)表面電荷吸引電子電場(chǎng)排斥空穴正常工作時(shí)的偏置8精選課件強(qiáng)反型時(shí)，表面附近出現(xiàn)的與體內(nèi)極性相反的電子導(dǎo)電層稱為反型層——溝道，以電子導(dǎo)電的反型層稱做N溝道。感應(yīng)表面電荷一種典型的電壓控制型器件電流通路——從漏極經(jīng)過溝道到源極(VCCS)9精選課件UGS=0,

UDS≠0，漏端PN結(jié)反偏，反偏電流很小——器件截止

UGS≠0,

UDS≠0，表面形成溝道，漏區(qū)與源區(qū)連通，電流明顯；——器件導(dǎo)通

zeroappliedbias源極和漏極之間始終有一個(gè)PN結(jié)反偏，IDS=0分析：10精選課件漏-源輸出特性

下面分區(qū)討論各區(qū)的特點(diǎn)曲線與虛線的交點(diǎn)為“夾斷點(diǎn)”夾斷區(qū)(截止區(qū))恒流區(qū)(放大區(qū)或飽和區(qū))預(yù)夾斷軌跡可變電阻區(qū)擊穿區(qū)11精選課件（1）截止區(qū)特性（UGS

<UT開啟電壓）外加?xùn)烹妷篣GS在表面產(chǎn)生感應(yīng)負(fù)電荷，隨著柵極電壓的增加，表面將逐漸形成耗盡層。但耗盡層電阻很大，流過漏—源端的電流很小，也只是PN結(jié)反向飽和電流，這種工作狀態(tài)稱為截止?fàn)顟B(tài)。Operation

Modes12精選課件（2）線性區(qū)特性（UGS

≥UT）——曲線OA段當(dāng)UGS

UT后，表面形成強(qiáng)反型導(dǎo)電溝道，若加上偏置電壓UDS

，載流子就通過反型層導(dǎo)電溝道，從源端向漏端漂移，由漏極收集形成漏-源電流IDS。UGS增大，反型層厚度亦增厚，因而漏-源電流線性增加。表面形成反型層時(shí)，反型層與襯底間同樣形成PN結(jié)，這種結(jié)是由表面電場(chǎng)引起的;——場(chǎng)感應(yīng)結(jié)

UDS不太大時(shí)，導(dǎo)電溝道在兩個(gè)N區(qū)間是均勻的;13精選課件（3）溝道夾斷——曲線A點(diǎn)表面強(qiáng)反型形成導(dǎo)電溝道時(shí)，溝道呈現(xiàn)電阻特性，漏-源電流通過溝道電阻時(shí)，將在其上產(chǎn)生電壓降。柵絕緣層上的有效電壓降從源到漏端逐漸減小，UDS很大時(shí)，降落在柵下各處絕緣層上的電壓不相等，反型層厚度不相等，因而導(dǎo)電溝道中各處的電子濃度不相同；UDS較大時(shí)，靠近D區(qū)的導(dǎo)電溝道變窄。導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)一個(gè)楔形沿溝道有電位梯度絕緣層內(nèi)不同點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度不同,左高右低14精選課件當(dāng)電壓繼續(xù)增加到漏端柵絕緣層上的有效電壓降低于表面強(qiáng)反型所需的閾值電壓UT

時(shí)，漏端表面的反型層厚度減小到零，即漏端處溝道消失，只剩下耗盡區(qū)，這就是：溝道夾斷。使漏端溝道夾斷所需加的漏-源電壓UDS稱為飽和漏-源電壓(UDsat)，對(duì)應(yīng)的電流I稱為飽和漏-源電流(IDsat)。溝道夾斷條件

UDS=UGS

UT

UDS+UT=UGS

15精選課件（4）飽和區(qū)特性——曲線AB段繼續(xù)增加UDS比UDsat大得多時(shí),(UDS

UDsat)將降落在漏端附近的夾斷區(qū)上,夾斷區(qū)將隨UDS的增大而展寬,夾斷點(diǎn)將隨UDS的增大而逐漸向源端移動(dòng),導(dǎo)電溝道的有效厚度基本不再改變，柵下面表面被分成反型導(dǎo)電溝道區(qū)和夾斷區(qū)兩部分。溝道中的載流子不斷地由源端向漏端漂移，當(dāng)?shù)竭_(dá)夾斷點(diǎn)時(shí)，立即被夾斷區(qū)的強(qiáng)電場(chǎng)掃入漏區(qū)，形成漏極電流。漏源電流基本上不隨UDS的增大而上升。

16精選課件（5）擊穿特性——曲線BC段當(dāng)UDS達(dá)到或超過漏端PN結(jié)反向擊穿電壓時(shí)，漏端PN結(jié)發(fā)生反向擊穿；17精選課件轉(zhuǎn)移特性(輸入電壓-輸出電流)當(dāng)UGS

UT時(shí)，隨著UGS的增加，溝道中導(dǎo)電載流子數(shù)量增多，溝道電阻減小，在一定的UDS的作用下，漏極電流上升。UGS

UT后，進(jìn)入亞閾值區(qū)工作，漏極電流很小。MOS晶體管的轉(zhuǎn)移特性：漏源極電流IDS隨柵源電壓UGS變化的曲線，反映控制作用的強(qiáng)弱平方律關(guān)系管子工作于放大區(qū)時(shí)函數(shù)表達(dá)式UTN，開啟電壓截止，夾斷區(qū)18精選課件4.1.3MOSFET的分類根據(jù)導(dǎo)電溝道的起因和溝道載流子的類別可分成4種;1、N溝道和P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管加上漏-源偏壓后，輸運(yùn)電流的電子從源端流向漏端。導(dǎo)電載流子是N型導(dǎo)電溝道中的電子;漏-源偏壓為正，相當(dāng)于NPN晶體管的集電極偏壓；制作在P型襯底上，漏-源區(qū)為重?fù)诫sN+區(qū)；N溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管19精選課件柵極施加負(fù)壓時(shí)，表面出現(xiàn)強(qiáng)反型而形成P型導(dǎo)電溝道;傳輸電流的導(dǎo)電載流子是空穴;在漏-源電壓作用下，空穴經(jīng)過P型溝道從源端流向漏端;制作在N型襯底上，漏-源區(qū)為重?fù)诫sP+區(qū)漏-源偏壓為負(fù)，相當(dāng)于PNP晶體管的集電極偏置電壓;P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管20精選課件增強(qiáng)型和耗盡型

按零柵壓時(shí)(UGS＝0),是否存在導(dǎo)電溝道來劃分；UGS

=0時(shí)，不存在導(dǎo)電溝道，漏源間被背靠背的PN結(jié)二極管隔離，即使加上漏源電壓，也不存在電流，器件處于“正常截止?fàn)顟B(tài)”；增強(qiáng)型器件21精選課件當(dāng)襯底雜質(zhì)濃度低,而SiO2層中的表面態(tài)電荷密度又較大，在零柵壓時(shí)，表面就會(huì)形成反型導(dǎo)電溝道，器件處于導(dǎo)通狀態(tài);要使溝道消失，必須施加一定的反向柵壓，稱為閾值電壓(夾斷電壓)；二者的差別：在于耗盡型管的二氧化硅絕緣層中摻有大量的堿金屬正離子(如Na++或K++)，會(huì)感應(yīng)出大量的電子。耗盡型器件22精選課件電路中的電學(xué)符號(hào)——教材有誤

類型襯底漏源區(qū)溝道載流子漏源電壓閾值電壓N溝增強(qiáng)型PN+電子正UT

>0耗盡型UT<0P溝增強(qiáng)型NP+空穴負(fù)UT<0耗盡型UT>023精選課件4.2決定閾值電壓的因素4.2.1閾值電壓的定義①閾值電壓——在漏-源之間半導(dǎo)體表面處感應(yīng)出導(dǎo)電溝道所需加在柵電極上的電壓UGS

。②表示MOS管是否導(dǎo)通的臨界柵-源電壓。③工作在飽和區(qū)時(shí)，將柵壓與溝道電流關(guān)系曲線外推到零時(shí)所對(duì)應(yīng)的柵電壓；④使半導(dǎo)體表面勢(shì)US=2,為襯底半導(dǎo)體材料的費(fèi)米勢(shì)，US的大小相當(dāng)于為使表面強(qiáng)反型所需加的柵電壓。外推UDS≠024精選課件4.2.2閾值電壓的相關(guān)因素閾值電壓——表面出現(xiàn)強(qiáng)反型時(shí)所加的柵-源電壓；強(qiáng)反型——表面積累的少子濃度等于甚至超過襯底多子濃度的狀態(tài)；US≥

P型襯底N溝強(qiáng)反型時(shí)能帶圖金屬柵板上的面電荷密度表面態(tài)電荷密度導(dǎo)電電子電荷面密度表面耗盡層空間電荷面密度襯底摻雜濃度NB

EF+-電荷分布ChargeDistributionStrongInversionbandbendingsurfacepotential25精選課件InversionregionDepletionregionNeutralsregionBanddiagram(p-typesubstrate)IdealMOSCurvesOxideSemiconductorsurfaceP-typesilicon26精選課件表面強(qiáng)反型時(shí)，表面耗盡層(surfacedepletion-layer)寬度達(dá)到最大電荷密度也達(dá)到最大值電中性條件要求反型層(inversionlayer)電子只存在于極表面的一層，簡(jiǎn)化為理想條件下的閾值電壓忽略氧化層中的表面態(tài)電荷密度理想情況下，表面勢(shì)完全產(chǎn)生于外加?xùn)艠O電壓外加?xùn)艍?/p>

柵氧化層上的電壓降

(向襯底方向的厚度)27精選課件柵氧化層的單位面積電容

達(dá)到強(qiáng)反型的條件US=2

F

可得理想閾值電壓為實(shí)際閾值電壓柵壓為零時(shí)，表面能帶已經(jīng)發(fā)生彎曲,平帶電壓表面態(tài)電荷影響的柵源電壓柵電壓為Flatbandcondition28精選課件閾值電壓為N溝的平衡狀態(tài)時(shí)的閾值電壓

襯底摻雜濃度越高，閾值電壓也越高;金屬—半導(dǎo)體功函數(shù)差越大，閾值電壓越高;N溝，P型襯底中Ei

EF，因而

F為正;漏-源電壓UDS

=0時(shí)，表面反型層中的費(fèi)米能級(jí)和體內(nèi)費(fèi)米能級(jí)處在同一水平，NMOS管29精選課件4.2.3非理想條件下的閾值電壓

在MOS結(jié)構(gòu)中，當(dāng)半導(dǎo)體表面形成反型層時(shí)，反型層與襯底半導(dǎo)體間同樣形成PN結(jié)，這種結(jié)是由半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)引起的，稱為感應(yīng)結(jié)。當(dāng)漏-源電壓UDS

=

0時(shí)，感應(yīng)PN結(jié)處于平衡狀態(tài)，表面反型層和體內(nèi)費(fèi)米能級(jí)處于同一水平。30精選課件UBS=0，UDS

0時(shí)非平衡狀態(tài)下的閾值電壓反型溝道U(y)UBS=0，UDS

0時(shí)溝道壓降直接加到反型層與襯底所構(gòu)成的場(chǎng)感應(yīng)結(jié)上，使場(chǎng)感應(yīng)結(jié)處于非平衡狀態(tài)。溝道反型層中少子的費(fèi)米能級(jí)EFn與體內(nèi)費(fèi)米能級(jí)EFP將不再處于同一水平；Non-equilibriumCondition31精選課件結(jié)兩邊的費(fèi)米能級(jí)之差EFP

EFn=qU(y)表面勢(shì)則增大US=2

F

+U(y)表面耗盡層寬度也隨著外加電壓的增大而展寬耗盡層的最大電荷密度非平衡狀態(tài)下的閾值電壓NMOS管UBS

=032精選課件UBS

0時(shí)的閾值電壓假定外加UGS已使表面反型，加在襯-源之間的UBS使場(chǎng)感應(yīng)結(jié)承受反偏，系統(tǒng)進(jìn)入非平衡狀態(tài)，引起以下兩種變化：①場(chǎng)感應(yīng)結(jié)過渡區(qū)兩種載流子的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)不重合。②表面耗盡層的厚度及電荷面密度隨UBS的改變而變化。對(duì)照其他PN結(jié)反偏電壓，假定：①襯底多子的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)不隨體內(nèi)到表面的距離變化，保持為常數(shù)。②場(chǎng)感應(yīng)結(jié)過渡區(qū)少子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)與襯底多子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)隔開一段距離，在P型襯底中是（N溝道）（P溝道）33精選課件此時(shí)：閾值電壓的增量

NMOS管的增量

N溝道MOS有：PMOS管的增量

34精選課件由此可以看出：|

UT|正比于tOX

及

，NB為襯底摻雜濃度。⑴NMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的QBm<0，⊿UTn>0，PMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的QBm>0，⊿UTn<0，所以增加偏襯電壓使器件向增強(qiáng)型變化；⑵時(shí)，正比于⑶35精選課件為了描述閾值電壓隨襯偏電壓的變化，人們定義了襯偏調(diào)制系數(shù)：已知：一般需要UT隨UBS的變化愈小愈好，為了滿足這一要求，需要選擇低摻雜襯底和減薄二氧化硅層的厚度。36精選課件襯底偏置電壓UBS對(duì)UT的影響閾值電壓隨著襯底偏置電壓的增大而向正值方向漂移。襯底雜質(zhì)濃度愈高，閾值電壓的漂移愈大。例如：襯底雜質(zhì)濃度N=1014cm

3，閾值電壓的漂移量也不到1V，但當(dāng)襯底雜質(zhì)濃度增大到N=1017cm

3時(shí)，即使襯底偏置電壓只有5V，閾值電壓的漂移量卻達(dá)到7V之多。37精選課件4.2.4影響閾值電壓的其他因素1．柵SiO2厚度對(duì)閾值電壓的影響柵氧化層電容COX愈大，閾值電壓的絕對(duì)值愈小

增大柵電容的關(guān)鍵是制作薄且致密的優(yōu)質(zhì)柵氧化層，厚度大都為100～150nm；選用介電系數(shù)更大的材料作柵絕緣層，如Si3N4的介電系數(shù)是6.2；必須先將硅層上生長(zhǎng)（50～60nm）的SiO2層作為過渡層，然后再生長(zhǎng)Si3N4層；38精選課件2．功函數(shù)差的影響電子親和能功函數(shù)差隨襯底雜質(zhì)濃度的變化而改變，但變化的范圍不大，如襯底的雜質(zhì)濃度由1015cm

3變化到1017cm

3時(shí)，其變化值只略大于0.1V。功函數(shù)差越大，閾值電壓越高；選擇功函數(shù)差低的材料，如多晶硅等柵極材料。在選擇功函數(shù)差低的材料的基礎(chǔ)上，適當(dāng)降低襯底雜質(zhì)濃度NB，減小柵下面SiO2的厚度。39精選課件3．表面態(tài)電荷密度QSS的影響一般工藝條件下，表面態(tài)電荷密度在1011～1012cm

2范圍內(nèi)。這時(shí)若柵氧化層厚度tOX

=150nm，則表面態(tài)電荷密度由1011cm

2變化到1012cm

2，閾值電壓的改變可以達(dá)到6V之多。表面態(tài)電荷密度1要制得N溝增強(qiáng)型的器件，可以用適當(dāng)提高襯底雜質(zhì)濃度的辦法來實(shí)現(xiàn)(曲線向右部分)；UT>0UT<040精選課件4．襯底雜質(zhì)濃度的影響UBS=0襯底雜質(zhì)濃度愈低，表面耗盡層的空間電荷對(duì)閾值電壓的影響愈小。在結(jié)構(gòu)已選定、工藝穩(wěn)定條件下，能夠通過調(diào)整襯底摻雜濃度及二氧化硅層厚度來控制閾值電壓。閾值電壓的增量

41精選課件4.2.5閾值電壓的調(diào)整技術(shù)現(xiàn)代MOS器件工藝中，已大量采用離子注入技術(shù)通過溝道注入來調(diào)整溝道雜質(zhì)濃度，以滿足閾值電壓的要求。離子注入調(diào)整閾值電壓——選用低摻雜材料作為襯底，采用適當(dāng)步驟向PMOS或NMOS管溝道區(qū)注入一定數(shù)量的與襯底導(dǎo)電類型相同或相反的雜質(zhì)，從而將閾值電壓調(diào)整到期望的數(shù)值上。向溝道區(qū)注入雜質(zhì)離子，既可做成表面溝道器件,也可以形成隱埋溝道。注入離子實(shí)際上是在足夠大的襯底面積上進(jìn)行掃描。離子注入后的熱退火以及后續(xù)工藝步驟中的熱處理都會(huì)使注入雜質(zhì)擴(kuò)散。42精選課件1．用離子注入摻雜技術(shù)調(diào)整閾值電壓

注入劑量原始襯底摻雜濃度離子注入濃度平均值注入濃度分布深度（1）淺注入注入深度遠(yuǎn)小于表面最大耗盡層厚度（2）深注入深度大于強(qiáng)反型下的表面最大耗盡區(qū)厚度，表面反型層及表面耗盡區(qū)全都分布于雜質(zhì)濃度均勻的區(qū)域43精選課件（3）中等深度注入dS小于表面最大耗盡區(qū)厚度，但二者大小可以比擬的情形襯偏調(diào)制系數(shù)：淺注入淺深注入44精選課件中等深度注入實(shí)際工藝中多半采用較容易實(shí)現(xiàn)的中等深度注入，當(dāng)UBS

2.6V時(shí)，最大表面耗盡層厚度小于注入深度，屬于深注入情形，只有UBS

2.6V時(shí)，最大表面耗盡層厚度才會(huì)大于注入深度。為了獲得良好的特性，采用這種方式注入時(shí)，應(yīng)適當(dāng)?shù)販p小注入深度dS。45精選課件2．用埋溝技術(shù)調(diào)整MOS管的閾值電壓（1）埋溝MOS管的特性注入較淺，Xj（注入結(jié)深度）較小的器件，外加UGS的數(shù)值足夠大，半導(dǎo)體表面隨UGS在耗盡和弱反型區(qū)變化時(shí)溝道開始夾斷，夾斷以后再增加UGS的數(shù)值，器件一直是截止的︱UBS︱較小時(shí)，∣UGS︱增大到表面強(qiáng)反型時(shí)溝道尚未夾斷，從此繼續(xù)增加UGS，由于表面耗盡區(qū)不再擴(kuò)展，溝道不可能夾斷，任意UGS之下MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管始終是導(dǎo)通的開始夾斷ID≠0UDS

0UDS

0耗盡型46精選課件（2）采用埋溝技術(shù)控制MOS管閾值電壓的大小漏端附近縱向溝道區(qū)體積元襯底表面耗盡區(qū)厚度溝道厚度PN結(jié)空間電荷溝道夾斷條件XS

+Xn=Xj

PN結(jié)空間電荷區(qū)寬度與外加電壓的關(guān)系溝道厚度為0埋溝——預(yù)先深度控制導(dǎo)電溝道；47精選課件對(duì)于結(jié)構(gòu)已定的器件，用埋溝技術(shù)就能夠控制器件溝道是夾斷或是夾不斷的情況，從而得到不同的轉(zhuǎn)移特性；用埋溝技術(shù)，可以削弱UBS對(duì)閾值電壓的影響。48精選課件4.3MOS管的直流電流-電壓特性

定量分析電流-電壓特性，一級(jí)效應(yīng)的6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，即跨過氧化層的垂直于溝道方向的電場(chǎng)分量EX與溝道中沿載流子運(yùn)動(dòng)方向的電場(chǎng)分量EY無關(guān)。沿溝道方向電場(chǎng)變化很慢。49精選課件4.3.1線性區(qū)的電流-電壓特性

溝道從源區(qū)連續(xù)地延伸到漏區(qū)電子流動(dòng)方向?yàn)閥方向U(y)溝道的三個(gè)參數(shù)：長(zhǎng)度L、寬度W和厚度d在溝道中的垂直方向切出一個(gè)厚度為dy的薄片來，阻值為：在該電阻上產(chǎn)生的壓降為：50精選課件根據(jù)：因此51精選課件引進(jìn)增益因子

當(dāng)UDS比較小時(shí)線性關(guān)系管的導(dǎo)通電阻

線性工作區(qū)的直流特性方程當(dāng)UDS很小時(shí)，IDS與UDS成線性關(guān)系。UDS稍大時(shí)，IDS上升變慢，特性曲線彎曲。（電壓除電流）52精選課件4.3.2飽和區(qū)的電流-電壓特性漏-源電壓增加，溝道夾斷時(shí)（臨界）——IDS不在變化，進(jìn)入飽和工作區(qū)漏-源飽和電壓漏-源飽和電流繼續(xù)增加UDS，則溝道夾斷點(diǎn)向源端方向移動(dòng)，在漏端將出現(xiàn)耗盡區(qū)，耗盡區(qū)的寬度Xd隨著UDS的增大而不斷變大(耗盡區(qū)向左擴(kuò)展)；溝道漏端已夾斷的nMOSFET53精選課件當(dāng)UDS增大時(shí)，將隨之增加。這時(shí)實(shí)際的有效導(dǎo)電溝道長(zhǎng)度已從L變?yōu)長(zhǎng)’，實(shí)際上工作區(qū)的電流不是不變的，對(duì)應(yīng)的漏-源飽和電流在N型溝道中運(yùn)動(dòng)的電子到達(dá)溝道夾斷處時(shí)，被漏端耗盡區(qū)的電場(chǎng)掃進(jìn)漏區(qū)形成電流；溝道調(diào)制系數(shù)溝道長(zhǎng)度調(diào)變效應(yīng)：漏-源飽和電流隨著溝道長(zhǎng)度的減小而增大的效應(yīng)。54精選課件當(dāng)柵壓UGS稍微低于閾值電壓UT時(shí)，溝道處于弱反型狀態(tài)，流過漏極的電流并不等于零，這時(shí)的工作狀態(tài)處于亞閾值區(qū)，流過溝道的電流稱為亞閾值電流。此時(shí)漏-源電流主要是擴(kuò)散電流：電流流過的截面積A

亞閾值電流4.3.3亞閾值區(qū)的電流-電壓特性n(x)為電子的濃度55精選課件根據(jù)電流連續(xù)性的變化，電子的濃度在溝道中的線性分布為：亞閾值電流是：56精選課件近似方法有效溝道厚度指數(shù)變化當(dāng)柵極電壓低于閾值電壓時(shí)，電流隨柵極電壓呈指數(shù)變化。在亞閾值區(qū)，當(dāng)漏極電壓分別為0.1V及10V時(shí)，電流變化趨勢(shì)無明顯差別。柵壓（向下縱深）57精選課件用柵極電壓擺幅S來標(biāo)志亞閾值特性，它代表亞閾值電流IDS減小一個(gè)數(shù)量級(jí)對(duì)應(yīng)的柵-源電壓UGS下降量;當(dāng)管的柵氧化層厚度為570?，襯底摻雜濃度為5.6

1016cm

3時(shí)，使電流減小一個(gè)數(shù)量級(jí)所需的柵極電壓擺幅S為83mV（UBS=0V）、67mV（UBS=3V）及63mV（UBS

=10V）。Subthresholdswings顯然，影響S的因素很多，二氧化硅的厚度，柵電容和襯底的雜質(zhì)濃度等。58精選課件4.3.4擊穿區(qū)特性及擊穿電壓兩種不同的擊穿機(jī)理解釋：1、漏區(qū)與襯底之間PN結(jié)的雪崩擊穿；2、漏和源之間的穿通。擊穿原因:BUDS

漏-源擊穿電壓59精選課件1、漏-源擊穿機(jī)理（1）柵調(diào)制擊穿——主要發(fā)生在長(zhǎng)溝道管MOS管中，有以下幾個(gè)特點(diǎn)對(duì)實(shí)際器件測(cè)量，發(fā)現(xiàn)有以下特點(diǎn)：①源-漏PN結(jié)的結(jié)深為l.37

m的管，一般BUDS

=25～40V，低于不帶柵電極的孤立漏PN結(jié)的雪崩擊穿電壓。器件去除柵金屬后，BUDS可上升到70V。②襯底電阻率高于10

cm時(shí)，BUDS與襯底摻雜濃度無關(guān)，而是決定于漏-源結(jié)深、柵氧化層厚度及UGS

。③柵調(diào)制擊穿最重要的特征是BUDS受UGS控制，當(dāng)│UGS││

│UT│，器件導(dǎo)通時(shí)，BUDS隨│UGS│增大而上升，而在截止區(qū)│UGS│<│UT│，UGS愈往正的方向變化，BUDS愈降低。60精選課件襯底摻雜濃度不過高，轉(zhuǎn)角區(qū)(冶金結(jié)與Si-SiO2界面交點(diǎn)處)的電場(chǎng)比體內(nèi)強(qiáng)得多，即可達(dá)到雪崩擊穿臨界場(chǎng)強(qiáng)而擊穿；平面工藝制造的PN+結(jié)曲面結(jié)界面交點(diǎn)處柵氧化層tOX

柵電極UDG

=UDS

UGS

NMOS襯底漏P61精選課件（2）溝道雪崩倍增擊穿分析表明：從溝道進(jìn)入夾斷區(qū)的載流子大部分在距表面0.2～0.4

m的次表面流動(dòng)，漏-襯PN結(jié)的冶金結(jié)附近電場(chǎng)最高，達(dá)到和超過雪崩擊穿臨界電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，擊穿就發(fā)生了。特點(diǎn)：對(duì)于NMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的漏源擊穿特性，在UGS>UT

的導(dǎo)通區(qū)，BUDS隨UGS增加而下降，并且呈現(xiàn)軟擊穿，不同與柵調(diào)制擊穿。在UGS<U

T的截止區(qū)，隨UGS

增加BUDS下降，并且呈現(xiàn)硬擊穿，與柵調(diào)制擊穿相同。62精選課件（3）“NPN管”擊穿——襯底電阻率高的短溝道NMOS管發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)寄生NPN管的共發(fā)射極擊穿:原因是溝道夾斷區(qū)強(qiáng)場(chǎng)下的載流子倍增和轉(zhuǎn)角區(qū)載流子倍增，襯底電流產(chǎn)生的壓降經(jīng)襯底極加到源極上；假定UBS

=0，這一壓降使源PN結(jié)正偏(發(fā)射結(jié)正偏)，漏PN結(jié)(集電結(jié))出現(xiàn)載流子倍增，進(jìn)入“倍增-放大”的往復(fù)循環(huán)過程，導(dǎo)致電壓下降（熱擊穿），電流上升。發(fā)射結(jié)集電結(jié)63精選課件主要特征：呈現(xiàn)負(fù)阻特性

導(dǎo)通狀態(tài)下UGS愈高，則漏-源擊穿電壓BUDS愈低;該情況只發(fā)生在，高電阻率的短溝道的NMOS場(chǎng)效應(yīng)管負(fù)阻特性能引發(fā)二次擊穿UDSID64精選課件（4）漏-源穿通機(jī)構(gòu)及漏-源穿通電壓BUDSP

——輸出端溝道表面漏結(jié)耗盡區(qū)的寬度漏極電壓UDS增大時(shí)，漏結(jié)耗盡區(qū)擴(kuò)展，使溝道有效長(zhǎng)度縮短；當(dāng)Xdm擴(kuò)展到等于溝道長(zhǎng)度L時(shí)，漏結(jié)耗盡區(qū)擴(kuò)展到源極，便發(fā)生漏-源之間的直接穿通。穿通電壓65精選課件當(dāng)MOS管的溝道很短時(shí)，漏-源穿通電壓才可能起主要作用。當(dāng)UGS

UT

=0時(shí)，簡(jiǎn)化NB為襯底摻雜濃度。穿通電壓與溝道長(zhǎng)度L的平方成正比。溝道長(zhǎng)度越長(zhǎng)，穿通電壓越高，即：不易穿通。66精選課件2、最大柵-源耐壓BUGS——（輸入端）破壞性擊穿是由柵極下面SiO2層的擊穿電壓決定的；SiO2發(fā)生擊穿的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度：EOX（max）=8

106V／cm，厚度為tOX的SiO2層的擊穿電壓如，tOX

=1500?，則BUGS=120V。實(shí)際柵-源之間的擊穿電壓，比計(jì)算的值低。67精選課件4.4MOS電容及瞬態(tài)電路模型(簡(jiǎn)述)電容包括：MOS電容；極間電容；CGS、CGD、CGB、CBD、CBS等瞬態(tài)電路模型：由MOS電容、MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管溝道電流源和MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管寄生二極管構(gòu)建的瞬態(tài)電路模型。是SPICE模型中最基本的模型，也是電路分析模擬、開關(guān)特性的研究中最基本模型。68精選課件4.4.1理想MOS結(jié)構(gòu)的電容—電壓特性1、MOS結(jié)構(gòu)的電容構(gòu)成

假設(shè)理想MOS結(jié)構(gòu)沒有金屬和半導(dǎo)體之間的功函數(shù)差，氧化層是良好的絕緣體，幾乎沒有空間電荷存在，Si-SiO2界面沒有界面陷阱，外加?xùn)艍篣G

一部分降落在氧化層（UOX）上，另一部分降落在硅表面層（US），所以UG

=UOX

+US

。69精選課件電容等效電路結(jié)構(gòu)電容

氧化層電容表面空間電荷層電容其中單位面積電容

Xdm——表面空間電荷層厚度70精選課件2、低頻信號(hào)不同工作條件下的電容變化規(guī)律

柵壓歸一化電容

+-C-VCurves閾值電壓71精選課件（1）多子表面堆積狀態(tài)——圖中的AB段柵壓為負(fù)值時(shí)，多子(空穴)表面堆積，表面電容CA取代CS可得多子表面堆積狀態(tài)下的“歸一化”電容負(fù)柵壓UG比較大時(shí)，US是比較大的負(fù)值，分母第二項(xiàng)趨于零。C/COX

=1，即C=COX

，電容是不隨柵偏壓變化的，總電容就等于SiO2層的電容。Accumulation72精選課件（2）平帶狀態(tài)——圖中BC段，C點(diǎn)柵偏壓的絕對(duì)值逐漸減小時(shí)，US也變得很小，空穴的堆積減弱，使得C/COX隨表面勢(shì)|Us|的減小而變小；當(dāng)UGS

=0時(shí)，曲線C點(diǎn)——平帶點(diǎn)

平帶電容平帶狀態(tài)的歸一化電容C點(diǎn)的位置與襯底的摻雜濃NA及SiO2的厚度有密切的關(guān)系。73精選課件（3）表面耗盡狀態(tài)——圖中CD段柵極上加正偏，但未出現(xiàn)反型狀態(tài)，表面空間電荷區(qū)僅處于耗盡狀態(tài)，耗盡層電容表面剛耗盡時(shí)耗盡層歸一化電容電容隨柵壓的平方根增加而下降，耗盡狀態(tài)時(shí)，表面空間電荷層厚度Xdm隨偏壓UG增大而增厚，CD則越小，C/COX也就越??；Depletion74精選課件（4）表面反型狀態(tài)——圖DE段柵極加正偏增大，表面出現(xiàn)強(qiáng)反型層，表面空間電荷區(qū)的耗盡層寬度維持在最大值Xdm，表面空間電荷層的電容表面出現(xiàn)強(qiáng)反型層歸一化電容當(dāng)US正值且較大時(shí)，大量的電子堆積到表面，C/COX

=1圖中EF段——C=COX

Inversion

75精選課件1、交流瞬態(tài)模型結(jié)構(gòu)

柵源電容柵漏電容柵襯電容柵源覆蓋電容

柵漏覆蓋電容

襯漏寄生電容襯源寄生電容源極材料電阻材料串聯(lián)電阻溝道電流寄生二極管電流4.4.2瞬態(tài)電路模型（SPICE模型）的建立MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的電荷存儲(chǔ)效應(yīng)，對(duì)MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管及MOS電路的交流以及瞬態(tài)特性有決定性作用。覆蓋電容：柵區(qū)和源、漏區(qū)相應(yīng)覆蓋區(qū)域之間的電容76精選課件2、交流瞬態(tài)模型參數(shù)

（1）寄生電流參數(shù)溝道電流IDS已確定，兩個(gè)寄生PN結(jié)二極管電流UBS、UBD為襯-源和襯-漏寄生PN結(jié)二極管的電壓（2）寄生勢(shì)壘電容77精選課件AS和AD分別為源和漏結(jié)的底面積，CJ為源或漏對(duì)襯底結(jié)單位面積的零偏置電容，PS和PD分別為源結(jié)和漏結(jié)的周長(zhǎng)，CJSW為源或漏側(cè)面單位周長(zhǎng)的零偏置電容，mJ為源或漏底面積結(jié)的梯度系數(shù)，mJSW為源或漏側(cè)面結(jié)的梯度系數(shù)，UBJ為襯底結(jié)的自建勢(shì)。78精選課件（3）電荷存儲(chǔ)產(chǎn)生的柵溝電容參數(shù)

柵-襯覆蓋電容柵-源覆蓋電容柵-漏覆蓋電容L、W為溝道長(zhǎng)度和寬度；CGS0和CGD0分別為單位溝道寬度上的柵-源和柵-漏的覆蓋電容，CGB0為單位溝道長(zhǎng)度上的柵-襯底覆蓋電容;79精選課件3、極間電容隨工作條件發(fā)生的變化（1）在截止區(qū)

溝道尚未形成，柵-溝道電容CGC等于柵對(duì)襯底的電容CGB

UGS的增加，表面開始反型，CGB隨著UGS的增大而減小≤

多子表面堆積狀態(tài)平帶狀態(tài)80精選課件（2）在線性區(qū)溝道已經(jīng)形成，CGC=CGS+CGD

在UDS=0時(shí)，UGD=UGS，（3）在飽和區(qū)溝道中載流子電荷不隨漏極電壓改變而改變，CGD等于零，臨界飽和時(shí)，溝道開始夾斷，UDS

=UGS

UT

，81精選課件4.5交流小信號(hào)參數(shù)和頻率特性

小信號(hào)(Smallsignal)特性——在一定工作點(diǎn)上，輸出端電流IDS的微小變化與輸入端電壓UGS的微小變化之間有定量關(guān)系，是一種線性變化關(guān)系；小信號(hào)參數(shù)——不隨信號(hào)電流和信號(hào)電壓變化的常數(shù)；假定：在任意給定時(shí)刻，端電流瞬時(shí)值與端電壓瞬時(shí)值間的函數(shù)關(guān)系與直流電流、電壓間的函數(shù)關(guān)系相同。82精選課件4.5.1交流小信號(hào)參數(shù)1．跨導(dǎo)

gm

反映外加?xùn)艠O電壓(Input)變化量控制漏-源電流(Output)變化量的能力轉(zhuǎn)移特性變化率輸出電流/輸入電壓gm=tgα在UDS一定的條件下，柵電壓每變化1V所引起的漏-源電流的變化。83精選課件跨導(dǎo)標(biāo)志MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電壓放大本領(lǐng)與電壓增益

KV的關(guān)系跨導(dǎo)越大，電壓增益也越大，跨導(dǎo)的大小與各種工作狀態(tài)有關(guān)?？鐚?dǎo)越大，管子越好。負(fù)載電阻RL

輸出電阻輸出電壓/輸入電壓84精選課件（1）線性區(qū)跨導(dǎo)gml

在線性工作區(qū)，當(dāng)UDS

UDsat時(shí)，gml

=

UDS

測(cè)量結(jié)果表明，當(dāng)UGS增大時(shí)gml下降。gml隨UDS的增加而略有增大，（2）飽和區(qū)跨導(dǎo)gms在飽和工作區(qū)，當(dāng)UDS

UDsat時(shí)，基本上與UDS無關(guān)。提高gml和gms的方法：增大管子的溝道寬長(zhǎng)比W/L，減薄氧化層厚度等，提高載流子遷移率，適當(dāng)增大柵極工作電壓UGS

增益因子85精選課件（3）襯底跨導(dǎo)gmb源與襯間加上反偏UBS，會(huì)影響流過溝道的漏-源電流，將UDS換成UDsat，即飽和區(qū)襯底跨導(dǎo)；UDS愈高和|UBS|愈低時(shí)，gmb數(shù)值愈大。為獲得高襯底跨導(dǎo)，需要選用高表面遷移率材料，設(shè)計(jì)大溝道寬長(zhǎng)比和使用高摻雜襯底材料。輸出電流/源襯電壓86精選課件2．漏-源輸出電導(dǎo)gd

（1）線性工作區(qū)當(dāng)UDS較小時(shí)，飽和工作區(qū)的跨導(dǎo)在UGS不太大時(shí)，gdl與UGS成線性關(guān)系。輸出電阻1/gdl隨UGS的增大而減小。

當(dāng)漏-源電流較大時(shí)，gdl與UGS的線性關(guān)系不再維持，是因?yàn)殡娮拥倪w移率隨UGS的增加而減小。隨著UDS的增大，輸出電流/輸出電壓87精選課件（2）飽和區(qū)在理想情況下，IDS與UDS無關(guān)。飽和工作區(qū)的gds應(yīng)為零，即輸出電阻為無窮大?！€平坦實(shí)際管，飽和區(qū)輸出特性曲線總有一定的傾斜，使輸出電導(dǎo)不等于零，即輸出電阻不為無窮大，有兩個(gè)原因。①溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)88精選課件當(dāng)UDS

UDsat時(shí)，溝道有效長(zhǎng)度縮短當(dāng)（UGS

UT）增大時(shí)，gm也增大。當(dāng)UDS增加時(shí)，gds也增大，使輸出電阻下降。89精選課件②漏極對(duì)溝道的靜電反饋?zhàn)饔卯?dāng)UDS增大時(shí)，漏端N+區(qū)內(nèi)束縛的正電荷增加，漏端耗盡區(qū)中的電場(chǎng)強(qiáng)度增大。漏區(qū)的一些電力線會(huì)終止在溝道中，這樣，N型溝道區(qū)中電子濃度必須增大，從而溝道的電導(dǎo)增大；若管的溝道長(zhǎng)度較小，即漏-源之間的間隔較小，導(dǎo)電溝道的較大部分就會(huì)受到漏極電場(chǎng)的影響；如果襯底材料的電阻率較低，漏-襯底以及溝道-襯底之間耗盡區(qū)較窄，靜電反饋的影響就較小。這種效應(yīng)是指襯底低摻雜，溝道短的情況下，漏襯PN結(jié)耗盡區(qū)寬度以及表面耗盡區(qū)寬度與溝道長(zhǎng)度可比擬時(shí)，漏區(qū)和溝道之間將出現(xiàn)靜電耦合，漏區(qū)發(fā)出的場(chǎng)強(qiáng)線中的一部分通過耗盡區(qū)中止于溝道，致使反型層內(nèi)電子數(shù)量增加的現(xiàn)象;90精選課件3．串聯(lián)電阻對(duì)gm和gd的影響（1）對(duì)跨導(dǎo)的影響外接串聯(lián)電阻RS——源區(qū)的體電阻、歐姆接觸及電極引線等附加電阻；RS影響后的跨導(dǎo)跨導(dǎo)將減小RS起負(fù)反饋?zhàn)饔茫梢苑€(wěn)定跨導(dǎo)。如果RSgm很大，深反饋情況，跨導(dǎo)與器件參數(shù)無關(guān)。源區(qū)91精選課件（2）對(duì)輸出電導(dǎo)的影響RD

在線性工作區(qū)受RS及RD影響的有效輸出電導(dǎo)串聯(lián)電阻RD和RS會(huì)使跨導(dǎo)和輸出電導(dǎo)變小，應(yīng)盡量減少漏極和柵極串聯(lián)電阻。92精選課件4.5.2MOS管頻率特性寬帶簡(jiǎn)化電路模型輸源電容柵漏電容輸出電容Cin是柵-漏電容CGD與柵-源電容CGS的并聯(lián)CO是漏-源電容CDS與襯-漏PN結(jié)勢(shì)壘電容CBD的并聯(lián)CGS輸入電容93精選課件1．截止頻率fT理想情況——忽略柵-漏電容CGD以及漏極輸出電阻rD

，

Cin≈CGS

截止頻率

T——流過CGS上的交流電流上升到正好等于電壓控制電流源（gmUGS）電流時(shí)（電壓放大倍數(shù)等于1）的頻率

T

=

2

fT

在飽和工作區(qū)時(shí)與溝道長(zhǎng)度L的平方成反比，溝道短的管fT會(huì)更高。94精選課件長(zhǎng)溝MOS管，溝道剛夾斷時(shí)溝道區(qū)的橫向電場(chǎng)載流子渡過溝道區(qū)L所需要的時(shí)間為渡越時(shí)間

，，

如果

減小溝道長(zhǎng)度L是提高截止頻率的重要手段。95精選課件2．最高工作頻率fMfM

——功率增益等于1時(shí)的頻率；柵-溝道電容CGC

當(dāng)柵-源之間輸入交流信號(hào)之后，從柵極增加流進(jìn)溝道的載流子分成兩部分，其中一部分對(duì)柵-溝道電容CGC充電，另一部分徑直通過溝道流進(jìn)漏極，形成漏-源輸出電流。當(dāng)信號(hào)頻率

增加，流過CGC的信號(hào)電流增加，從源流入溝道的載流子用于增加?xùn)艤系离娙莩潆姷牟糠郑敝?/p>

增大到足夠大，使全部溝道電流用于充電，則漏極輸出信號(hào)為0，即流入電容CGC的電流等于輸入信號(hào)引起的溝道電流時(shí)的頻率

是管的最高工作頻率

M。96精選課件管跨導(dǎo)愈大，最高工作頻率愈高；柵極-溝道電容CGC愈小，最高工作頻率也愈高;管的高頻優(yōu)值

gm/CGC——衡量管的高頻特性，比值愈高，高頻特性愈好。提高fM，從結(jié)構(gòu)方面應(yīng)當(dāng)使溝道長(zhǎng)度縮短到最低限度，也必須盡可能增大電子在溝道表面的有效遷移率

n。硅材料電子遷移率

n比空穴遷移率

p大。n

M

=

2

fM

97精選課件4.6MOS管的開關(guān)特性(Switching

feature)開關(guān)狀態(tài)——管主要工作在兩個(gè)狀態(tài)，導(dǎo)通態(tài)和截止態(tài)；兩種開關(guān)特性——本征與非本征開關(guān)延遲特性；本征延遲：載流子通過溝道的傳輸所引起的大信號(hào)延遲；非本征延遲：被驅(qū)動(dòng)的負(fù)載電容充-放電以及管之間的RC延遲；MOS管用來構(gòu)成數(shù)字集成電路，如構(gòu)成觸發(fā)器、存儲(chǔ)器、移位寄存器等等。構(gòu)成的集成電路功耗小、集成度高。98精選課件4.6.1MOS管瞬態(tài)開關(guān)過程開關(guān)等效電路開和關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換即在截止區(qū)和可變電阻區(qū)間來回切換，且受UGS控制非本征開關(guān)過程

(外部狀態(tài)影響)電阻負(fù)載倒相器負(fù)載電阻負(fù)載電容電源IDS階躍信號(hào)(方波)99精選課件（1）開通過程

延遲時(shí)間上升時(shí)間延遲過程——輸入柵壓UGS增加，信號(hào)UG(t)向柵電容CGS和CGD充電，隨著柵壓增加，經(jīng)過一定的延遲，柵電容CGS上的柵壓達(dá)到閾值電壓UT時(shí)，輸出電流開始出現(xiàn)；上升過程——UGS超過UT時(shí)，進(jìn)入線性工作區(qū)，UG(t)使反型溝道厚度增厚，電流開始迅速增大；在上升時(shí)間tr結(jié)束時(shí)，電流達(dá)到最大值，柵壓達(dá)到UGS2；延遲UT理想開波形UGS2為什么輸入方波，而實(shí)際如此變化？100精選課件（2）關(guān)斷過程儲(chǔ)存時(shí)間下降時(shí)間儲(chǔ)存過程——去掉柵壓，柵電容CGS放電，柵壓UGS下降，當(dāng)UGS下降到上升時(shí)間結(jié)束時(shí)的柵壓UGS2時(shí)，電流才開始下降；也是管退出飽和的時(shí)間；下降過程——儲(chǔ)存時(shí)間結(jié)束后，UGS繼續(xù)放電，柵壓UGS從UGS2進(jìn)一步下降，反型溝道厚度變薄，電流快速下降，當(dāng)UGS小于UT后，管截止，關(guān)斷過程結(jié)束；延遲理想關(guān)波形UTUGS2101精選課件非本征開關(guān)時(shí)間柵峰值電壓輸入電容電流脈沖發(fā)生器的內(nèi)阻開通和關(guān)斷時(shí)間近似相等ton=toff

非本征開關(guān)時(shí)間受負(fù)載電阻RL、負(fù)載電容CL、柵峰值電壓UGG以及電容和電阻的影響，減小柵電容及電阻值是很重要的。4.6.2MOS管瞬態(tài)開關(guān)時(shí)間計(jì)算

102精選課件本征延遲開關(guān)過程

定義：本征延遲過程的時(shí)間是柵極加上階躍電壓，使溝道導(dǎo)通，漏極電流上升到與導(dǎo)通柵壓對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間。載流子渡越溝道長(zhǎng)度，該過程與傳輸?shù)碾娏鞯拇笮『碗姾傻亩嗌儆嘘P(guān)，與載流子漂移速度有關(guān)，漂移速度越快，本征延遲的過程越短。103精選課件在線性區(qū)，UDS→0時(shí)，本征開通延遲時(shí)間飽和區(qū)本征開通延遲時(shí)間減小溝道長(zhǎng)度是減小開關(guān)時(shí)間的主要方法；溝道不太長(zhǎng)，本征開通延遲時(shí)間較短。如L=5

m，

n

=60cm2/（V·s）的NMOS管，UDS

=UGS

UT=5V時(shí)，tch只有111ps。一般說來，若溝道長(zhǎng)度小于5

m，則開關(guān)速度主要由負(fù)載延遲決定。對(duì)于長(zhǎng)溝管，本征延遲與負(fù)載延遲可相比擬，甚至超過。104精選課件4.7MOS管的二級(jí)效應(yīng)——理想結(jié)果的修正

二級(jí)效應(yīng)——非線性、非一維、非平衡等因素對(duì)I-V特性產(chǎn)生的影響，它們包括：非常數(shù)表面遷移率效應(yīng)、體電荷效應(yīng)、短溝道效應(yīng)、窄溝道效應(yīng)等。4.7.1非常數(shù)表面遷移率效應(yīng)實(shí)際情況，MOS管表面載流子的遷移率與表面的粗糙度、界面的陷阱密度、雜質(zhì)濃度、表面電場(chǎng)等因素有關(guān)。電子表面遷移率的范圍為550～950cm2/（V·s），空穴表面遷移率的范圍為150～250cm2/（V·s），電子與空穴遷移率的比值為2～4。在低柵極電壓情況下測(cè)得，即UGS僅大于閾值電壓1～2V。105精選課件當(dāng)柵極電壓較高時(shí)，發(fā)現(xiàn)載流子遷移率下降，這是因?yàn)閁GS較大時(shí)，垂直于表面的縱向電場(chǎng)也較大，載流子在沿溝道作漂移運(yùn)動(dòng)時(shí)與Si-SiO2界面發(fā)生更多的碰撞，使遷移率下降。經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在低電場(chǎng)時(shí)是常數(shù)，電場(chǎng)達(dá)到0.5～1

105V/cm時(shí)，遷移率開始下降。然而,遷移率下降的結(jié)果表明：飽和工作區(qū)，漏-源電流隨UGS的增加不按平方規(guī)律；線性工作區(qū)，對(duì)于UGS較大的情況下曲線匯聚在一起；已知：原因：106精選課件遷移率隨縱向電場(chǎng)的增大而降低的規(guī)律在線性工作區(qū)非常數(shù)表面遷移率效應(yīng)使遷移率下降，使電流-電壓特性變差。低電場(chǎng)時(shí)的遷移率電場(chǎng)下降系數(shù)通過氧化層的縱向電場(chǎng)107精選課件4.7.2體電荷效應(yīng)在MOS場(chǎng)效應(yīng)管的電流-電壓關(guān)系計(jì)算的時(shí)候，理想的條件下溝道下面的厚度近似不變，電荷密度QBm(x)基本上和位置無關(guān)。當(dāng)UDS增加，尤其是當(dāng)UDS接近于UDsat時(shí)，溝道下面的耗盡層厚度明顯不為常數(shù)，這時(shí)必須考慮體電荷變化的影響。表面開始強(qiáng)反型的表面勢(shì)表面耗盡層內(nèi)單位面積上電離受主的電荷密度溝道方向有電壓降108精選課件表面強(qiáng)反型條件反型區(qū)電荷簡(jiǎn)單模型估算的電流偏高20%～50%，而且UDSat也偏大。通常在電流小于最大值的20%時(shí)，兩種模型的結(jié)果基本相符襯底摻雜濃度降低后，體電荷影響減弱根據(jù)課本241頁(yè)式子4-52的推理沒有考慮體電荷的變化109精選課件4.7.3短溝道效應(yīng)——L的影響如果溝道長(zhǎng)度縮短，源結(jié)與漏結(jié)耗盡層的厚度可與溝道長(zhǎng)度比擬時(shí)，溝道區(qū)的電勢(shì)分布將不僅與由柵電壓及襯底偏置電壓決定的縱向電場(chǎng)EX有關(guān)，而且與由漏極電壓控制的橫向電場(chǎng)EY也有關(guān)。短溝道效應(yīng)——在溝道區(qū)出現(xiàn)二維電勢(shì)分布以及高電場(chǎng)，會(huì)導(dǎo)致閾值電壓隨L的縮短而下降，亞閾值特性的降級(jí)以及由于穿通效應(yīng)而使電流飽和失效；此時(shí)，緩變溝道的近似不成立，二維電場(chǎng)分布導(dǎo)致閾值電壓隨溝道的長(zhǎng)度變化。110精選課件溝道長(zhǎng)度縮短，溝道橫向電場(chǎng)增大時(shí)，溝道區(qū)載流子的遷移率變化與電場(chǎng)有關(guān)，最后使載流子速度達(dá)到飽和。當(dāng)電場(chǎng)進(jìn)一步增大時(shí)，靠近漏端處發(fā)生載流子倍增，從而導(dǎo)致襯底電流及產(chǎn)生寄生雙極型晶體管效應(yīng)，強(qiáng)電場(chǎng)也促使熱載流子注入氧化層，導(dǎo)致氧化層內(nèi)增加負(fù)電荷及引起閾值電壓移動(dòng)、跨導(dǎo)下降等111精選課件1、短溝道MOS管的亞閾值特性實(shí)踐發(fā)現(xiàn)：當(dāng)溝道縮小時(shí)，由于漏溝靜電反饋效應(yīng)，閾值電壓UT顯著減小。標(biāo)準(zhǔn)N溝MOS制作工藝：襯底為（100）晶面的P型硅片，柵氧化層取一定的厚度，用X射線光刻的方法得到長(zhǎng)度從1～10

m的多晶硅柵，它們的寬度均為70

m，漏和源區(qū)由砷離子注入及隨后的退火工藝形成。根據(jù)注入能量及退火條件，可得到從0.25～1.56

m的不同結(jié)深，接觸金屬采用鋁制作。112精選課件顯然：1、亞閾值電流與漏極電壓UD無關(guān)，2、圖中表現(xiàn)為實(shí)線（UD=1.0V）與虛線（UD=0.5V）偏離，但當(dāng)溝道長(zhǎng)度從7

m變短為1.5

m情況，亞閾值電流與UD的關(guān)系變的明顯。113精選課件顯然：1、當(dāng)襯底摻雜濃度較低（）時(shí)，器件偏離長(zhǎng)溝道特性也變的顯著，即使在L=7

m時(shí)，實(shí)線與虛線也已開始分離。2、當(dāng)L=1.5

m時(shí)，長(zhǎng)溝道特性幾乎全部消失，器件甚至不能“截止”了，由圖可以得出，溝道縮小時(shí)，UT

顯著減小。114精選課件2、最小溝道長(zhǎng)度Lmin

當(dāng)MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管管氧化層厚度為100～1000?，襯底摻雜濃度為1014～1017cm

3，結(jié)深為0.18～1.5

m，漏極電壓直到5V，由此可得到下述表示具有長(zhǎng)溝道亞閾值特性最小溝道長(zhǎng)度

Lmin的經(jīng)驗(yàn)公式