微电子学概论2章5节

微电子学概论第二章庄庆德2003.82.5MOS型晶体管第二章半导体物理和器件物理基础2.5MOS型晶体管2.5.1基本结构2.5.2MIS2.5.3直流特性2.5.4各种MOS晶体管2.5.5电容基本结构（金属栅，n沟道）MetalOxideSemiconductornchannep-SiSource源）Gate栅Drain（漏)n+n+2.5.2MIS结构MetalInsulatorSemiconductorn氧化物nVg0-------------+++++++++吸引空穴多子，意义不大nnVg0+++++++++-------------吸引电子（少子），形成耗尽层或反型层++++++++++金属氧化物半导体（p)2.5.2MIS强反型：沟道处的反型载流子浓度＝体内多数载流子浓度基区渡越产生强反型所需要的栅电压称为阈电压ThresholdVoltage记为VT电容反型层电荷费米能级的必要弯曲MISVTfV2费米能级的必要弯曲21)40FAisqVN反型层电荷sioxTMIS0电容Ef2.5.2MIS基区渡越SiO2EcEiEFEv假想MISSiO2中无电荷，金属半导体无功函数差SiO2EcEiEFEv实际MIS能带弯曲SiO2有正电荷，金属半导体存在功函数差SiO2平带电压为了补偿能带弯曲栅上加电压VFB,叫平带电压VFB2.5.2MIS基区渡越SiO2EcEiEFEv耗尽SiO2中无电荷，金属半导体无功函数差SiO2EcEiEFEv实际MIS能带弯曲SiO2有正电荷，金属半导体存在功函数差SiO2强反型弯曲2VF这时的栅电压叫阈值电压VTVF2.5.2MIS强反型：沟道处的反型载流子浓度＝体内多数载流子浓度产生强反型所需要的栅电压称为阈电压（ThresholdVoltage）记为VT电容反型层电荷费米能级的必要弯曲平带电压MISVT21)40FAisqVN反型层电荷sioxOXTC0OXBFFBTCQVVV22.5.2MIS如何控制VT？发射基区渡越以下因素使VT降低(1)平带电压低氧化层中含有正电荷少，金属-硅的功函数差小(2)VF小半导体的杂质浓度低(3)增大电容COX氧化层薄其中第2项是主要控制手段2.5.3直流特性发射基区渡越(1)Vg的影响当VgVT时，MOS晶体管源漏之间没有电流流过。当VgVT时，MOS晶体管源漏之间有电流流过。Vg越大，电流越大。2.5.3直流特性发射(2)Vds的影响(前提：VgVT)当Vds较小时，线性电阻特性,电阻值取决于Vg因为这时，整个沟道长度范围内，Vds相对于VT电压变化不大。耗尽层沟道源N+漏N+Vds接地Vg2.5.3直流特性发射(2)Vds的影响(前提：VgVT)当Vds增大，可能在漏附近，出现Vg-Vds=VT,沟道被夹断。夹断处只有耗尽层，电阻很大。Vds继续增加，电压消耗在夹断区，对沟道形状影响不大。源漏电流出现饱和。耗尽层沟道源N+漏N+Vds接地Vg夹断现象夹断点2.5.3直流特性发射(2)Vds的影响(前提：VgVT)Vds继续增加，电压消耗在夹断区，对沟道形状影响不大。源漏电流出现饱和。耗尽层沟道源N+漏N+Vds接地Vg饱和现象夹断点2.5.3直流特性发射Vg=4VVg=3VVg=2VVg=1VVds/V01234567Ids/mA6204线性区饱和区截止区2.5.3直流特性发射线性区：DSDSTGSoxnDSVVVVLWCI)21(这里：μn电子迁移率Cox栅氧化层电容W/L沟道的宽长比VT阈值电压在这里，将初夹断的条件，VGS-VDS=VT代入，得到饱和区电流：2.5.3直流特性饱和区电流：2)(21TGSoxnDSVVLWCI这就是萨方程。跨导gm：)(TGSOXnGSDSmVVLWCVIg输入信号对输出信号的控制能力。跨导增大的因素：栅压大，阈值电压小，W/L大，栅氧化层薄，迁移率高。2.5.4各种场效应晶体管fieldeffecttransistorFET从结构上分为3类(1)结型FET(2)肖特基势垒FET(3)MOSFET2.5.4各种场效应晶体管(1)结型FETGGDSpnnVg较小，SD之间为线性电阻DSpnnVg足够大，SD之间夹断2.5.4各种场效应晶体管(２)MESFETG栅金属与半导体形成肖特基势垒沟道源N+漏N+Vds接地Vg夹断点金属VG为正电压。调制沟道电导，夹断。特性曲线类似MOS常用于GaAs器件。2.5.4各种场效应晶体管(3)MOS沟道工作模式VG=0时截止时VG电压n增强型Ids=0正耗尽型Ids0负p增强型Ids=0负耗尽型Ids0正2.5.5MOS晶体管电容(3)MOS密勒电容源N+Vds接地Vg栅电容漏N+密勒电容pn结电容2.5.６双极与MOS比较沟道工作模式输入阻抗跨导功耗制作工艺双极bipolar多子少子低大大复杂MOS多子高小小简单2.5.６双极与MOS比较沟道工作模式输入阻抗跨导功耗制作工艺双极bipolar多子少子低大大复杂MOS多子高小小简单小结（1）MOS型晶体管结构（2）阈值电压（3）电流方程（4）直流特性曲线饱和区、线性区、截止区（5）增强型、耗尽型（6）电容（7）双极型晶体管与MOS型的比较wqawqa作业：（1）解释概念：阈值电压,夹断，沟道，宽长比，增强型,耗尽型（2）双极型晶体管与MOS型的比较（3）计算：n沟道增强型MOS晶体管的W/L=100,电子迁移率＝1000cm2/vs,栅氧化膜厚0.1μm,SiO2的相对介电常数＝4,阈值电压＝1V。求当VGS＝4V时的饱和源漏电流。wqawqa作业解答：n沟道增强型MOS晶体管的W/L=100,电子迁移率＝1000cm2/vs,栅氧化膜厚0.1μm,SiO2的相对介电常数＝4,阈值电压＝1V。求当VGS＝4V时的饱和源漏电流。Cox=εrε0/Tox=4*8.85*10-12/0.1*10-6=3.54*10-4wqawqamAAVVLWCITGSoxnDS9.1510*59.114*100*10*54.3*1.0*5.0)(212242）（