MOS 场效应晶体管

2020/1/231第五章MOS场效应晶体管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2020/1/2325.1MOS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：栅极与栅极下面的区域形成一个电容器，是MOS管的核心。图5.12020/1/233MOSFET的三个基本几何参数栅长:L栅宽:W氧化层厚度:toxtoxSDn(p)poly-Sidiffusionp+/n+p+/n+WGL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2020/1/234MOSFET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。2020/1/235非饱和时，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dsdsVLELL2MOS的伏安特性电荷在沟道中的渡越时间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)2020/1/236MOSFET的伏安特性—方程推导非饱和情况下，通过MOS管漏源间的电流Ids为：dsTgsgedsdsTgsoxoxdsdsTgsoxoxdsgeoxoxdsgedsVVVVVVVVLWtVVVVLWtVVLtWLVLCVQI21with21)21(222='.0栅极-沟道间氧化层介电常数,'=4.5,0=0.88541851.10-11C.V-1.m-1Vge是栅级对衬底的有效控制电压其值为栅级到衬底表面的电压减VT2020/1/237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MOS的伏安特性—漏极饱和电流2020/1/238MOSFET特性曲线在非饱和区线性工作区在饱和区(Ids与Vds无关).MOSFET是平方律器件!IdsVds0线性区饱和区击穿区11bVaIgsCVdsds22TgsdsVVaI2020/1/2395.1.2MOSFET电容的组成MOS电容是一个相当复杂的电容，有多层介质：首先，在栅极电极下面有一层SiO2介质。SiO2下面是P型衬底，衬底是比较厚的。最后，是一个衬底电极，它同衬底之间必须是欧姆接触。MOS电容还与外加电压有关。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。oxoxoxoxoxtWLtWLC2020/1/2310MOS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。111SioxCCC2020/1/2311MOS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ASiSiqN1122'1pSiAASiXqNdxdxqNASipNqX22020/1/2312MOS电容—耗尽层电容这时，在耗尽层中束缚电荷的总量为，它是耗尽层两侧电位差的函数，因此，耗尽层电容为，是一个非线性电容，随电位差的增大而减小。ASiASiApAqNWLNqWLNWLXqNQ22q221221ASiASiSiqNWLqNWLdvdQC2020/1/2313MOS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。2020/1/2314MOS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。2020/1/23154）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)2020/1/2316MOS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。2020/1/2317MOS电容—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。图5.2①②③④⑤2020/1/2318MOS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。2020/1/23195.1.3MOS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。又，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。图5.32020/1/2320Cg、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。MOS电容的计算2020/1/2321MOS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那是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。dsdsTgsoxdsVVVVLWtI212020/1/2322MOS电容的计算(续)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，Cg=Cgs+2/3C，Cd=Cdb+0在饱和状态下，沟道长度受到Vds的调制，L变小2ds21TgsoxVVLWtI2ds21TgsoxVVLLWtI2020/1/2323MOS电容的计算(续)当Vds增加时，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+Cdb2020/1/2324深亚微米CMOSIC工艺的寄生电容(数据)Cap.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/um2020/1/2325深亚微米CMOSIC工艺的寄生电容(图示)PolyPolyElectrodeMetal1Metal2PolyP+P+P+N+N+Metal3N_wellSUB88013832213109514503452648159864463614308363214086734123517383929625762CrossviewofparasiticcapacitorofTSMC_0.35umCMOStechnology2020/1/23265.2MOSFET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。2020/1/2327VT的组成概念上讲,VT就是将栅极下面的Si表面从P型