5-MOS场效应管的特性

集成电路设计基础第五章MOS场效应管的特性华南理工大学电子与信息学院广州集成电路设计中心殷瑞祥教授第五章MOS场效应管的特性5.1MOS场效应管5.2MOS管的阈值电压5.3体效应5.4MOSFET的温度特性5.5MOSFET的噪声5.6MOSFET尺寸按比例缩小5.7MOS器件的二阶效应25.1MOS场效应管5.1.1MOS管伏安特性的推导两个PN结：1）N型漏极与P型衬底；2）N型源极与P型衬底。同双极型晶体管中的PN结一样，在结周围由于载流子的扩散、漂移达到动态平衡，而产生了耗尽层。一个电容器结构栅极与栅极下面区域形成一个电容器，是MOS管的核心。3MOSFET的三个基本几何参数•栅长:L•栅宽:W•氧化层厚度:tox4toxSDn(p)poly-Sidiffusionp+/n+p+/n+WGLMOSFET的三个基本几何参数•Lmin、Wmin和tox由工艺确定•Lmin：MOS工艺的特征尺寸(featuresize)决定MOSFET的速度和功耗等众多特性•L和W由设计者选定•通常选取L=Lmin，由此，设计者只需选取W•W影响MOSFET的速度，决定电路驱动能力和功耗5MOSFET的伏安特性:电容结构•当栅极不加电压或加负电压时，栅极下面的区域保持P型导电类型，漏和源之间等效于一对背靠背的二极管，当漏源电极之间加上电压时，除了PN结的漏电流之外，不会有更多电流形成。•当栅极上的正电压不断升高时，P型区内的空穴被不断地排斥到衬底方向。当栅极上的电压超过阈值电压VT，在栅极下的P型区域内就形成电子分布，建立起反型层，即N型层，把同为N型的源、漏扩散区连成一体，形成从漏极到源极的导电沟道。这时，栅极电压所感应的电荷Q为，Q=CVge式中Vge是栅极有效控制电压。6非饱和时（沟道未夹断），在漏源电压Vds作用下，这些电荷Q将在时间内通过沟道，因此有7dsdsVLELL2为载流子速度，Eds=Vds/L为漏到源方向电场强度，Vds为漏到源电压。为载流子迁移率：µn=650cm2/(V.s)电子迁移率(NMOS)µp=240cm2/(V.s)空穴迁移率(PMOS)电荷在沟道中的渡越时间MOSFET的伏安特性方程非饱和情况下，通过MOS管漏源间的电流Ids为：82221()21122geoxoxdsgedsgsTdsdsoxoxdsoxgsTdsdsoxgegsTdsCVWLQWIVVVVVVLtLtLVWVVVVLVVVtV='.0栅极-沟道间氧化层介电常数,′=4.5,0=0.88541851.10-11C.V-1.m-1Vge：栅级对衬底的有效控制电压9当Vgs-VT=Vds时，满足:Ids达到最大值Idsmax，其值为Vgs-VT=Vds，意味着近漏端的栅极有效控制电压Vge=Vgs-VT-Vds=Vgs-Vds-VT=Vgd-VT=0感应电荷为0，沟道夹断，电流不会再增大，因而，这个Idsmax就是饱和电流。0dsdsdVdI2Tgsoxoxdsmax21VVLWtIMOSFET饱和特性MOSFET特性曲线•在非饱和区•饱和区(Ids与Vds无关).MOSFET是平方律器件!10IdsVds0线性区饱和区击穿区11bVaIgsCVdsds22TgsdsVVaI212oxdsgsTdsdsoxWIVVVVtL2oxdsgsTox12WIVVtL5.1.2MOSFET电容的组成MOS电容是一个相当复杂的电容，有多层介质：在栅极电极下面有一层SiO2介质。SiO2下面是P型衬底，最后是衬底电极，同衬底之间是欧姆接触。MOS电容与外加电压有关。1）当Vgs0时，栅极上的负电荷吸引了P型衬底中的多数载流子—空穴，使它们聚集在Si表面上。这些正电荷在数量上与栅极上的负电荷相等，于是在Si表面和栅极之间，形成了平板电容器，其容量为，通常，ox=3.98.85410-4F/cm2；A是面积，单位是cm2；tox是厚度，单位是cm。11oxoxoxoxoxtWLtWLCMOS电容—SiO2和耗尽层介质电容2）当Vgs0时，栅极上的正电荷排斥了Si中的空穴，在栅极下面的Si表面上，形成了一个耗尽区。耗尽区中没有可以自由活动的载流子，只有空穴被赶走后剩下的固定的负电荷。这些束缚电荷是分布在厚度为Xp的整个耗尽区内，而栅极上的正电荷则集中在栅极表面。这说明了MOS电容器可以看成两个电容器的串联。以SiO2为介质的电容器——Cox以耗尽层为介质的电容器——CSi总电容C为:比原来的Cox要小些。12111SioxCCCMOS电容—束缚电荷层厚度耗尽层电容的计算方法同PN结的耗尽层电容的计算方法相同，利用泊松公式式中NA是P型衬底中的掺杂浓度，将上式积分得耗尽区上的电位差：从而得出束缚电荷层厚度13ASiSiqN1122'1pSiAASiXqNdxdxqNASipNqX2MOS电容—耗尽层电容是一个非线性电容，随电位差的增大而减小。14ASiASiApAqNWLNqWLNWLXqNQ22q221221ASiASiSiqNWLqNWLdvdQC在耗尽层中束缚电荷的总量为是耗尽层两侧电位差的函数，耗尽层电容为MOS电容—耗尽层电容特性•随着Vgs的增大，排斥掉更多的空穴，耗尽层厚度Xp增大，耗尽层上的电压降就增大，因而耗尽层电容CSi就减小。耗尽层上的电压降的增大，实际上就意味着Si表面电位势垒的下降，意味着Si表面能级的下降。•一旦Si表面能级下降到P型衬底的费米能级，Si表面的半导体呈中性。这时，在Si表面，电子浓度与空穴浓度相等，成为本征半导体。15MOS电容—耗尽层电容特性(续)3）若Vgs再增大，排斥掉更多的空穴，吸引了更多的电子，使得Si表面电位下降，能级下降，达到低于P型衬底的费米能级。这时，Si表面的电子浓度超过了空穴的浓度，半导体呈N型，这就是反型层。不过，它只是一种弱反型层。因为这时电子的浓度还低于原来空穴的浓度。随着反型层的形成，来自栅极正电荷发出的电力线，已部分地落在这些电子上，耗尽层厚度的增加就减慢了，相应的MOS电容CSi的减小也减慢了。16174）当Vgs增加，达到VT值，Si表面电位的下降，能级下降已达到P型衬底的费米能级与本征半导体能级差的二倍。它不仅抵消了空穴，成为本征半导体，而且在形成的反型层中，电子浓度已达到原先的空穴浓度这样的反型层就是强反型层。显然，耗尽层厚度不再增加，CSi也不再减小。这样，就达到最小值Cmin。最小的CSi是由最大的耗尽层厚度Xpmax计算出来的。oxSioxSiCCCCCMOS电容—耗尽层电容特性(续)MOS电容—凹谷特性5）当Vgs继续增大，反型层中电子的浓度增加，来自栅极正电荷的电力线，部分落在这些电子上，落在耗尽层束缚电子上的电力线数目就有所减少。耗尽层电容将增大。两个电容串联后，C将增加。当Vgs足够大时，反型层中的电子浓度已大到能起到屏蔽作用，全部的电力线落在电子上。这时，反型层中的电子将成为一种镜面反射，感应全部负电荷，于是，C=Cox。电容曲线出现了凹谷形，如图6.2。必须指出，上述讨论未考虑到反型层中的电子是哪里来的。若该MOS电容是一个孤立的电容，这些电子只能依靠共价键的分解来提供，它是一个慢过程，ms级。18MOS电容—凹谷特性测量若测量电容的方法是逐点测量法—一种慢进程，那么将测量到这种凹谷曲线。19①②③④⑤MOS电容凹谷特性测量•若测量电容采用高频方法，譬如，扫频方法，电压变化很快。共价键就来不及瓦解，反型层就无法及时形成，于是，电容曲线就回到Cox值。•然而，在大部分场合，MOS电容与n+区接在一起，有大量的电子来源，反型层可以很快形成，故不论测量频率多高，电压变化多快，电容曲线都呈凹谷形。205.1.3MOS电容的计算MOS电容C仅仅是栅极对衬底的电容，不是外电路中可以观察的电容Cg，Cs和Cd。MOS电容C对Cg，Cd有所贡献。在源极和衬底之间有结电容Csb，在漏极和衬底之间也有结电容Cdb。另外，源极耗尽区、漏极耗尽区都渗进到栅极下面的区域。栅极与漏极扩散区，栅极与源极扩散区都存在着某些交迭，故客观上存在着Cgs和Cgd。当然，引出线之间还有杂散电容，可以计入Cgs和Cgd。21MOS电容的计算Cg、Cd的值还与所加的电压有关:1）若VgsVT，沟道未建立，MOS管漏源沟道不通。MOS电容C=Cox，但C对Cd无贡献。Cg=Cgs+CoxCd=Cdb2）若VgsVT，沟道建立，MOS管导通。MOS电容是变化的，呈凹谷状，从Cox下降到最低点，又回到Cox。这时，MOS电容C对Cg，Cd都有贡献，它们的分配取决于MOS管的工作状态。22MOS电容的计算•若处于非饱和状态，则按1/3与2/3分配，即Cg=Cgs+2/3CCd=Cdb+1/3C因为在非饱和状态下，与栅极电荷成比例的沟道电流为由Vgs和Vds的系数可知栅极电压Vgs对栅极电荷的影响力，与漏极电压Vds对栅极电荷的影响力为2:1的关系，故贡献将分别为2/3与1/3。23dsdsTgsoxdsVVVVLWtI21MOS电容的计算(续)242ds21TgsoxVVLWtI2ds21TgsoxVVLLWtI若处于饱和状态，则表明沟道电荷已与Vds无关，沟道已夹断。那么，在饱和状态下，沟道长度受到Vds的调制，有效沟道长度L-L’变小MOS电容的计算(续)当Vds增加时，漏端夹断区耗尽层长度L增大，Ids增加，那是因为载流子速度增加了，它与C的分配无关。然而，L的增大使得漏极耗尽层宽度有所增加，增大了结电容。故，Cg=Cgs+2/3CCd=Cdb+0+Cdb2526Cap.N+Act.P+Act.PolyM1M2M3UnitsArea(sub.)5269378325108aF/um2Area(poly)541811aF/um2Area(M1)4617aF/um2Area(M2)49aF/um2Area(N+act.)3599aF/um2Area(P+act.)3415aF/um2Fringe(sub.)249261aF/um深亚微米CMOSIC工艺的寄生电容(数据)27PolyPolyElectrodeMetal1Metal2PolyP+P+P+N+N+Metal3N_wellSUB88013832213109514503452648159864463614308363214086734123517383929625762CrossviewofparasiticcapacitorofTSMC_0.35umCMOStechnology深亚微米CMOSIC工艺的寄生电容5.2MOSFET的阈值电压VT阈值电压是MOS器件的一个重要参数。按MOS沟道随栅压正向和负向增加而形成或消失的机理，存在着两种类型的MOS器件：耗尽型(Depletion)：沟道在Vgs=0时已经存在。当Vgs“负”到一定程度时截止。一般情况，这类器件用作负载。增强型(Enhancement)：在正常情况下它是截止的，只有当Vgs“正”到一定程度，才会导通，故用作开关。2829概念上讲,VT就是将栅极下面的Si表面从P型Si变为N型Si所必要的电压。它由两个分量组成,即:VT=Us+VoxUs:Si表面电位;Vox:SiO2层上的压降。VT的组成Us的计算•将栅极下面的Si表面从P/N型Si变为N/P型Si所必要的电压Us与衬底浓度Na有关。•在半导体理论中，P型半导体的费米能级是靠近满带的，而N型半导体的费米能级则是靠近导带的。要想把P型变为N型，外加电压必须补偿这两个费米能级之差。30i