MOS器件物理基础

Chapter2MOS器件物理基础22020/1/18本章内容MOSFET的I-V特性MOSFET的二级效应MOSFET的结构电容MOSFET的小信号模型32020/1/18绝缘栅型场效应管MOSFET绝缘栅型增强型(常闭型)耗尽型(常开型)N沟道P沟道N沟道P沟道InsulatedGateFieldEffectTransistorMOS管：MetalOxideSemiconductor利用栅源电压的大小控制半导体表面的感生电荷的多少，从而改变沟道电阻，控制漏极电流的大小。42020/1/18N沟道增强型MOSFET1.结构52020/1/182.工作原理00GSDSuu,②GSDSuu,0③耗尽层加厚uGS增加反型层吸引自由电子栅极聚集正电荷排斥衬底空穴剩下负离子区耗尽层0GSu①漏源为背对的PN结无导电沟道即使00DDSiu,开启电压：沟道形成的栅－源电压。)(thGSU(1)对导电沟道的影响.GSDSuu时0++++++++++++++++++62020/1/18(2)对的影响.DSthGSGSuUu时)(Di)(thGSGSDSUuu①)(thGSGSDSUuu②)(thGSGSDSUuu③DSu线性增大Di沟道从s-d逐渐变窄DSu)(thGSGDUu沟道预夹断DSu夹断区延长几乎不变Di恒流区72020/1/183.特性曲线与电流方程2)(1thGSGSDODUuIi。时的是，其中，DthGSGSDOiUuI)(282020/1/18FET放大电路的动态分析一、FET的低频小信号等效模型DSGSDuufi,DSUDSDGSUGSDDduuiduuidiGSDSdsUDSDmUGSDruiguiGSDS1令dsdsgsmdUrUgI192020/1/18DQDOthGSmDQDDDOthGSUthGSGSthGSDOUGSDmIIUgIiiIUUuUIuigDSDS)()()()(2.212小信号作用时，gm与rds的求法102020/1/18gm与rds的求法112020/1/18二、基本共源放大电路的动态分析doidmgsdgsmgsddiouRRRRgURUgURIUUA122020/1/182.1MOSFET的基本概念2.1.1MOSFET开关阈值电压是多少？当器件导通时，漏源之间的电阻有多大？这个电阻与端电压的关系是怎样的？总是可以用简单的线性电阻来模拟漏和源之间的通道？器件的速度受什么因素限制？132020/1/181.MOSFET的三种结构简图图2.1NMOSFET结构简图2.1.2MOSFET的结构142020/1/18图2.2PMOSFET结构简图152020/1/18图2.3CMOSFET的结构简图162020/1/182.MOSFET结构尺寸的通用概念W:gatewidthLdrawn(L):gatelength(layoutgatelength)Leff:effectivegatelengthLD:S/DsidediffusionlengthW/L:aspectratioS,D,G,B:source,drain,gate,body(bulk)172020/1/183.MOSFET的四种电路符号GDSBGSDBNMOSPMOS(d)182020/1/182.2MOS的I/V特性2.2.1.阈值电压先看MOS器件的工作原理:以NMOS为例来分析阈值电压产生的原理.(a)VGS=0192020/1/18●在(a)图中，G极没有加入电压时，G极和sub表面之间，由于Cox的存在，构成了一个平板电容，Cox为单位面积的栅氧电容;(b)VGS0(c)●在栅极加上正电压后，如图(b)所示，P-sub靠近G的空穴就被排斥，留下了不可动的负离子。这时没有导电沟道的形成，因为没有可移动的载流子，G和衬底间仅形成了氧化层电容和耗尽层电容的串连,如图(c)所示。202020/1/18●（d）当VG继续增加，界面电势达到一定值时，就有电子从源极流向界面并最终到达漏极，导电沟道形成，晶体管打开。如图（d）所示。这时，这个电压值就是“阈值电压”－.THV)()(gatesubFFmsoxdepFmsTHCQV2isubFnNqKTln(d)功函数差费米势,MOS强反型时的表面势为费米势的2倍subFsidepNqQ4耗尽区电荷(2.1)212020/1/18PMOS器件的导通:与NFETS类似,极性相反.oxdepFmsTHCQV2isubFnNqKTlnsubFsidepNqQ4222020/1/182.2.2I/V特性推导Iv我们用一个电流棒来辅助理解电流的概念.当沿电流方向的电荷密度为Qd(C/m)的电荷以速度v沿电流方向移动时,产生的电流为vQId*AsmmC*量纲(2.2)232020/1/18●NMOS沟道的平板电容近似与沟道电荷分布若将MOS结构等效为一个由poly-Si和反型沟道构成的平板电容。对均匀沟道，当VD=VS=0时，宽度为W的沟道中，单位长度上感应的可移动电荷量为式中Cox为栅极单位面积电容，WCox为单位长度栅电容.)(THGSoxdVVWCQ(2.3)242020/1/18如果从S到D有一电压差VDS，假设平板电容在L方向上x点的电位为V(x),如上图所示则有:))(()(xVVVWCxQTHGSoxd(2.4)●电荷漂移速度：漂移速度driftspeed：迁移率mobility：电场强度electricfieldEE(2.5)dxxdVxE)()(252020/1/18)()()()()(xExQxvxQxIddD综合(2.2)-(2.5)有))(()())(()()(dxxdVVxVVWCdxxdVVxVVWCxInTHGSoxnTHGSoxD(2.6)DSVLVV)(,)(00边界条件DSVVTHGSoxnLxDxdVVxVVCWdxxI00)()()(两边积分可得221DSDSTHGSoxnDVVVVLWCI)(沟道中电流是连续的恒量，即有：262020/1/18＊分析：令,求得各抛物线的极大值在点上，且相应各峰值电流为:)(THGSDSVVV0DSDVI221)(max,THGSoxnDVVLWCI(2.7)VGS-VTH为过驱动（overdrive）电压，只有过驱动电压可以形成反型层电荷。THGSDSVVV时，器件工作在“三极管区”.221DSDSTHGSoxnDVVVVLWCI)(272020/1/18MOS器件作为逻辑工作和模拟开关，或小值线性电阻运用时，都会工作于深Triode区。此时VGS较大，MOS管的VDS很小，若满足：DSTHGSoxnDVVVLWCI)()(THGSDSVVV22.2.3MOS器件深Triode区时的导通电阻此时（2.6）简化为：(2.8)(2.8)表明为直线关系，如图(2.12)所示.DSDVI~282020/1/18)(THGSoxnDDSonVVLWCIVR1(2.9)此时D,S间体现为一个电阻，其阻值为：292020/1/18（2.9）式表示：a：在满足的条件下，MOS管体现出线性电阻的特性，其直流电阻与交流动态电阻相等。b：该线性电阻大小取决与VGS，即调节VGS，可调节电阻的大小。因此我们常常把工作在这种区域的晶体管称为“压控晶体管”。)(2THGSDSVVV302020/1/18讨论:一个NMOS管,若偏置电压VGSVTH,漏级开路(ID=0),问：此晶体管是处于cutoff状态还是其他状态?为什么?例2.1312020/1/18由可知：VDS1VG0X1)()(1THGSVVXV2.2.4MOS管在饱和区的跨导))(()(xVVVWCxQTHGSoxd当时，漏极电流怎样变化呢？THGSDSVVVTHGSVVxV)(时，0)(xQd，此时认为沟道夹断(pinchoff).THGSDSVVV的增大向源端移动。)()(2THGSVVXVVDS2VDS1VG0X2DSV时,夹断点随着THGSDSVVV,沟道在处夹断.Lx322020/1/18221)('THGSoxnDVVLWCI若LL'DIDSV,则与无关.DSVVTHGSoxnLxDxdVVxVVCWdxxI00)()()(THGSVVVTHGSoxnLxDxdVVxVVCWdxxI00)()()('由时,相对恒定，器件工作在饱和区。)(THGSDSVVVDI(2.10)332020/1/18221)('THGSoxnDVVLWCI(2.10)221DSDSTHGSoxnDVVVVLWCI)(＊式(2.6),(2.10)为analogCMOSdesign的最基本的方程式.(2.6)它们描述了ID与工艺常数,器件尺寸W和L以及栅和漏相对于源的电位之间的关系.oxnC342020/1/18若，可以得到不同VGS下漏电流曲线为:178GSGSGSVVV......LL'352020/1/18221DSDSTHGSoxpDVVVVLWCI)(221)('THGSoxpDVVLWCI对于PMOS器件,其在三极管区和饱和区的电流方程分别表示为362020/1/18若LL',那么工作在饱和区的MOSFET构成一个连接源和漏的电流源,如图2.17所示.2121)('THGSoxnVVLWCI2221)('THGSoxpVVLWCI372020/1/18跨导gm的定义gm是指在一定的VDS下，ID对VGS的变化率。gm代表了器件的灵敏度：对于一个大的gm来说，VGS的一个微小的改变将会引起ID产生很大的变化。)(HTGSoxnconstVGSDmVVLWCVIgDS当MOS器件处于饱和区时,沟道被夹断.当VDS增大时,夹断点向S方向移动，沟道长度由L变成了L′,故饱和区电流方程中L应用L′取代,但当L较大,VDS不是很高时,我们仍以L作为MOS管的沟长.(2.11)382020/1/18gm的变形表达式将式两边平方得所以将乘以一个（VGS-VTH）,除以一个（VGS-VTH）得DoxnTHGSoxnoxnmILWCVVLWCLWCg222)(.DoxnmILWCg2)()()).((HTGSDHTGSHTGSHTGSoxnmVVIVVVVVVLWCg2(2.12)(2.13)392020/1/18根据gm的表达式,我们可以得到如图2.18所示的曲线,它反映了gm随某一参数变化的特性.THGSDDoxnHTGSoxnmVVIILWCVVLWCg22)(402020/1/18提高gm的有效方法提高载流子的沟道迁移率,选用高迁移率的材料,并使用迁移率高的晶面.制作高质量、尽可能薄的栅氧化层;尽可能使用宽长比比较大的图形;减小源、漏区体电阻和欧姆接触电阻以减小串连电阻,因为)(*DsdrsmmmRRgRggg1412020/1/18怎样区分饱和区和三极管区?当栅压和漏压之差不足以形成反型层时,沟道被夹断,器件工作在饱和区.THNDGVVVTHPGDVVV对NMOS:对PMOS:422020/1/18THGSDSVVVTHGSDSVVVTHGSVVTHGSodVVV＊Triode区又称非饱和区或线性电阻区；＊Saturation