MOSFET 参数理解及其主

MOSFET参数理解及其主要特性信息显示与光电技术1040730111唐戈•1）阈值电压VT：•对于增强型MOSFET，阈值电压就是开启电压；对于耗尽型MOSFET，阈值电压就是截止电压。阈值电压不同于沟道夹断电压，阈值电压是控制沟道有无的一个栅极电压；而夹断电压是在出现沟道的情况下，使沟道的一部分（靠漏极端处的一部分）发生夹断、所需要的源-漏电压——往往称为MOSFET的饱和电压。•MOS的阈值电压与衬底的掺杂浓度NA、氧化层电容Cox（即与氧化层厚度和介电常数）、温度T、栅极金属-半导体功函数差Fms、有效界面电荷Qf以及衬偏电压VBS等有关：•式中衬偏系数是表征衬偏电压引起阈值电压增大效果的一个参数（g越小越好）；[Fms-Qf/Cox]统称为平带电压。对于增强型MOSFET，提高衬底掺杂浓度，将增大阈值电压；提高温度，将降低阈值电压（即阈值电压具有负的温度系数）；减小金属-半导体功函数差和界面电荷，将有利于控制阈值电压。2）跨导gm：•MOSFET的跨导有栅极跨导和衬底跨导两个不同概念的参数。•①栅极跨导gm：•是表征栅-源电压对于输出漏极电流控制作用强弱的一个重要的参数，它反映了器件的小信号放大性能，希望越大越好。•栅极跨导与MOSFET的增益因子β=WμCox/L成比例，高跨导即要求大的栅极宽长比（W/L）、高的载流子迁移率μ和大的栅氧化层电容（即大的栅绝缘膜介电常数）。•线性区的栅极跨导与源漏电压VDS成正比：•gm∝βVDS•饱和区的栅极跨导最大，与饱和电压(VGS-VT)成正比：•gmsat∝β(VGS-VT)•若把饱和区的栅极跨导改写为与饱和电流的关系，则在不同条件下具有不同的形式。对于已经制作好的MOSFET，有•gmsat∝(IDsat)1/2•这时可以通过增大饱和电流来提高跨导。•对于将要设计的MOSFET，有•gmsat∝IDsat/(VGS-VT)∝(IDsat)1/2•据此即可根据饱和电压或者饱和电流的要求来设计器件的结构和材料参数。•②衬底跨导：•是表征衬偏电压对源-漏电流控制能力大小的一个参数，也称为背栅跨导。MOSFET的衬偏电压引起沟道电阻增大、源-漏电流降低和栅极跨导减小等一系列的现象，统称为衬偏效应，这种效应也就相当于一个JFET的功能，希望越小越好。•3）击穿电压：•MOSFET的击穿电压将限制着器件的最高工作电压，并与最大工作电流和最大耗散功率一起，共同决定着器件安全工作区的范围。•MOSFET的击穿型式有四种：漏区p-n结雪崩击穿、沟道雪崩击穿、栅极氧化层击穿和源-漏穿通引起的击穿。在短沟道情况下，可能是沟道雪崩击穿和源-漏穿通起主要作用。•1、漏区-衬底p-n结的雪崩击穿：•该p-n结是一个单边突变结，实际上MOSFET的源-漏击穿电压（BVDS）往往远低于此单边突变结的击穿电压，这是由于栅极与漏极覆盖部分的电场较强的缘故。因此，源-漏雪崩击穿电压主要决定于栅-漏电极覆盖部分的状况。2、源-漏穿通：对于短沟道MOSFET，当源-漏电压增大，使得漏极p-n结耗尽层展宽到与源极p-n结的耗尽层相重叠（连通）时，就发生了源-漏穿通，并将形成很大的源-漏输出电流（为空间电荷限制电流，与源漏电压的平方成正比）；这时的源-漏电压即为穿通电压。若此穿通电压低于其它的击穿电压时，则它就起着限制器件最高工作电压的作用——类似击穿电压。穿通电压VPT与衬底掺杂浓度NA和沟道长度L有关：VPT∝NAL2掺杂浓度越低、沟道长度越短，穿通电压也就越低。3、栅-源击穿：MOSFET的栅-源击穿也就是栅氧化层的击穿，这是一种破坏性的不可逆击穿。这种击穿即决定了栅-源击穿电压BVGS。短沟道器件的氧化层厚度很薄（一般约为沟道长度的50分之一），则较容易发生栅-源击穿。SiO2层的临界击穿电场为5×106~10×106V/cm，但考虑到SiO2质量的分散性，则在设计氧化层厚度时即需要留有50%的安全系数。当器件端头积累有静电电荷、并通过内部产生放电（ESD）时，也容易引起栅-源击穿。在IC芯片中往往需要采取一定的防止ESD破坏的措施。4）饱和电压VDsat：MOSFET的饱和电压就是输出源-漏电流饱和时所对应的源-漏电压。源-漏电流饱和的状态也就是沟道在靠近漏极端处夹断了的状态。对于增强型MOSFET，源-漏电压VDS(VGS-VT)时一定是非饱和状态（沟道未夹断），否则在VDS≥(VGS-VT)时一定为饱和状态（沟道夹断）；饱和电压就是VDsat=(VGS-VT)。对于耗尽型MOSFET，其饱和电压为VDsat=(VT-VGS)。MOSFET的饱和电压即可给出一定栅极电压下的最大输出电流——饱和电流：饱和电压(VGS-VT)的大小将直接影响到MOSFET的电压增益KVsat、截止频率fT和沟道渡越时间tch：KVsat∝L/(VGS-VT)fT∝(VGS-VT)/L2tch∝L2/(VGS-VT)由5）亚阈值斜率S：亚阈值斜率S是表示MOSFET在亚阈区工作时，输出饱和电流（是少数载流子扩散电流）减小10倍时所需要改变的栅-源电压（单位是[mV/dec]）的大小。S的值愈小，器件的开关速度就愈快。因此S值的大小即反映了MOSFET在亚阈区）以及限制器件的温升。的开关性能。为了减小S值、提高MOSFET的亚阈区工作速度，就应当减小MOS栅极系统中界面态、降低衬底的掺杂浓度和加上一定的衬偏电压（以减小耗尽层电容）我对于MOSD的理解•1.开启电压VT·开启电压（又称阈值电压）：使得源极S和漏极D之间开始形成导电沟道所需的栅极电压；·标准的N沟道MOS管，VT约为3～6V；·通过工艺上的改进，可以使MOS管的VT值降到2～3V•2.直流输入电阻RGS·即在栅源极之间加的电压与栅极电流之比·这一特性有时以流过栅极的栅流表示·MOS管的RGS可以很容易地超过1010Ω。•3.漏源击穿电压BVDS·在VGS=0（增强型）的条件下，在增加漏源电压过程中使ID开始剧增时的VDS称为漏源击穿电压BVDS·ID剧增的原因有下列两个方面：（1）漏极附近耗尽层的雪崩击穿（2）漏源极间的穿通击穿·有些MOS管中，其沟道长度较短，不断增加VDS会使漏区的耗尽层一直扩展到源区，使沟道长度为零，即产生漏源间的穿通，穿通后，源区中的多数载流子，将直接受耗尽层电场的吸引，到达漏区，产生大的ID•4.栅源击穿电压BVGS·在增加栅源电压过程中，使栅极电流IG由零开始剧增时的VGS，称为栅源击穿电压BVGS•5.低频跨导gm·在VDS为某一固定数值的条件下，漏极电流的微变量和引起这个变化的栅源电压微变量之比称为跨导·gm反映了栅源电压对漏极电流的控制能力·是表征MOS管放大能力的一个重要参数·一般在十分之几至几mA/V的范围内•6.导通电阻RON·导通电阻RON说明了VDS对ID的影响，是漏极特性某一点切线的斜率的倒数·在饱和区，ID几乎不随VDS改变，RON的数值很大，一般在几十千欧到几百千欧之间·由于在数字电路中，MOS管导通时经常工作在VDS=0的状态下，所以这时的导通电阻RON可用原点的RON来近似·对一般的MOS管而言，RON的数值在几百欧以内。•7.极间电容·三个电极之间都存在着极间电容：栅源电容CGS、栅漏电容CGD和漏源电容CDS·CGS和CGD约为1～3pF·CDS约在0.1～1pF之间•8.低频噪声系数NF·噪声是由管子内部载流子运动的不规则性所引起的·由于它的存在，就使一个放大器即便在没有信号输人时，在输出端也出现不规则的电压或电流变化·噪声性能的大小通常用噪声系数NF来表示，它的单位为分贝（dB）·这个数值越小，代表管子所产生的噪声越小·低频噪声系数是在低频范围内测出的噪声系数·场效应管的噪声系数约为几个分贝，它比双极性三极管的要小