MOS场效应晶体管基础

3.1双端MOS结构1、MOS结构及其场效应2、半导体的耗尽及反型3、平衡能带关系4、栅压-平带电压和阈值电压5、电容（C-V）特性MOS-V+a.MOS结构b.电场效应1、双端MOS结构及其场效应-V+_______+++++++p型空穴堆积a.p增强型+V-+++++++p型空穴耗尽b.p耗尽型_______+V-+++++++p型电子堆积c.p反型_______-V+V++V2、半导体的耗尽及反型s表面势空穴堆积电子堆积-V++++++++n型电子堆积a.n增强型+V-+++++++n型电子耗尽b.n耗尽型_______+V-+++++++n型空穴堆积c.n反型_______+V-V--V2、半导体耗尽及反型_______s表面势空穴堆积电子堆积2、耗尽区宽度cEFiEFsEvEcEFiEFsEvEsepfsee2dTxdxpfepfe212assdeNx214apfsdTeNx反型表面导电性增加，屏蔽外加电场，空间电荷区不能再增大。耗尽表面导电性降低，外加电场进一步深入，空间电荷区增大。金属氧化物p型半导体3、平衡能带结构egEmeFmEiecEvEcEFiEFsEvE真空能级金属氧化物p型半导体emeiecEcEFiEFEvE真空能级0OXeV0segE21pfepfgsOXmeEeeeVe200mspfgmsOXeEV200能带平衡关系：总的能带弯曲等于金属半导体功函数差：金属功函数电子亲合能3、栅压00ssOXOXsOXGVVVV-VG+金属氧化物半导体cEFiEFsEvEOXeVsemssOXGVVmssOXV00FmEGV4、平带电压金属氧化物半导体cEFiEFEvEmssOXGVV金属氧化物半导体mQ'ssQ'0s0''ssmQQOXssOXmOXCQCQV''OXssmsFBCQV'FEFBV5、阈值电压mssOXGVV金属氧化物p型半导体mTQ'ssQ'pfs2ssSDmTQQQ'(max)''金属氧化物p型半导体cEFiEFEvEsedTxdTaSDxeNQ(max)'OXeVpfeOXssSDOXCQQV'(max)'pfmsOXssSDTPCQQV2'(max)'pfFBOXSDTPVCQV2(max)'5、阈值电压dTaSDxeNQ(max)'pfmsOXssSDTPCQQV2'(max)'214apfsdTeNx),'()/ln(2')/ln(4assiathgmssiathasoxoxTPNQFnNVeEQnNVeNtViathpfnNVlnoxoxoxtCpfgmmseE25、阈值电压),'()/ln(2')/ln(4assiathgmssiathasoxoxTPNQFnNVeEQnNVeNtV11013110141101511016110171101820233VTP01011NaVTP11011NaVTP51011NaVTP11012Na10181013Nanmtox506、电荷分布kTeppsexp0kTennsexp0kTesexp~kTesexp~平带耗尽弱反型pfpf堆积强反型ssQ注：堆积和强反型载流子增长很快。7、MOS电容模型dxOXaccCC''dx'Q'dQ'Q'Q'dQ'dQ'Q'dQdTx'Q'dQ'Q'dQSDOXdeplCCC'1'1'1dsOXOXOXdeplxtC'OXOXacctC'OXCC''TpOXOXTptC'8、理想C-V特性OXOXOXtC'DsOXOXOXFBLtC'athsDeNVLOXC'FBC'FBV0TVmin'COXC''CSDC'堆积耗尽中反型强反型dTsOXOXOXxtCmin'apfsdTeNx4GV低频高频8、理想C-V特性OXOXOXtC'DsOXOXOXFBLtC'dthsDeNVLOXC'FBC'FBV0TVmin'COXC''CSDC'堆积中反型强反型dTsOXOXOXxtCmin'dnfsdTeNx4耗尽GV低频高频9、非理想效应0'C堆积反型GV低频高频dTx'Q'dQ'Q'dQdTx'Q'dQ'Q'dQdx9、非理想效应0'CGVOXC'min'C0'CGVOXC'min'C2FBV1FBV3FBV4FBV禁带中央阈值平带a.固定栅氧化层电荷b.界面态效应3.2MOS场效应晶体管1、MOSFET的结构及工作原理2、电流-电压关系（定性分析）3、电流-电压关系（定量分析）4、MOSFET的等效电路5、MOSFET的频率限制特性1、MOSFET的结构及工作原理p源(S)栅(G)漏(D)体(B)p源(S)栅(G)漏(D)体(B)n沟GDSBGDSB（1）N沟增强型（2）N沟耗尽型nnnn1、MOSFET的结构及工作原理n源(S)栅(G)漏(D)体(B)n源(S)栅(G)漏(D)体(B)p沟GDSBGDSB（3）P沟增强型（4）P沟耗尽型pppp1、MOSFET的结构及工作原理pGDSDSVTGSVVpGDSDSVTGSVV空间电荷区电子反型层nnnn(a)栅压低于阈值电压：沟道中无反型层电荷(b)栅压高于阈值电压：沟道中产生反型层电荷2、电流-电压关系（定性）（小的漏源电压作用）TGSVV1TGSVV12GSGSVVDSVDIpGDSDSVTGSVV电子反型层nnLVneEnenevjDSnnDDSnnDSnDDDVQLWLVHneWWHjSjI')(DSdDVgInnDQLWg'LW2、电流-电压关系（定性）1DSVDSVDITGSVVDSVP耗尽区氧化层反型层DI1GSVDSVP反型层DI2GSVDSVP反型层DIDSVDIDSVDI)(satVDS线性区偏离线性饱和3、电流-电压关系（定量）GDSDSVGSVWLpnn电子反型层xyzxnnxnzyzyxnzyxxEWQEedydzyndydzEeyndydzjI')()(3、电流-电压关系（定量）dTx(max)'SDQnQ'mQ'ssQ'金属氧化层P型半导体（a）电荷关系(max)'SDQxynQ'ssQ'3412dxoxE型p0(max)''''SDnssmQQQQTsnQdSEWdxEdSEoxoxsnWWdxQQQQSDnssT(max)'''(max)'''SDnssoxoxQQQE（b）高斯关系(max)'''SDnssoxoxQQQVC3、电流-电压关系（定量）（c）电势关系msfpoxxGSVVV2（d）能量关系SxVxoxVGSV金属氧化物半导体cEFiEFsEvEOXeVseFmE)(xGSVVeme'se'ssoxmxGSeeeVeVVe'')(smms''fps2fpe3、电流-电压关系（定量）电流公式)2()(msfpxGSoxVVV(max)]''['SDssoxoxnQQVCQdxdVWQEWQIxnnxnnx''pfmsOXssSDTPCQQV2'(max)'电荷关系电压关系阈值电压])[(TxGSxoxnxVVVdxdVCWIDSVxxTGSoxnLxdVVVVCWdxI00])[(])(2[22DSDSTGSoxnDVVVVLCWI电流-电压关系：3、电流-电压关系（定量）])(2[22DSDSTGSoxnDVVVVLCWI电流-电压关系：（VGSVT，VDSVDS(sat)）饱和:（电流达到最大）0DSDVITGSDSVVsatV)(22)(2)(2)(TGSoxnDSoxnDVVLCWsatVLCWsatI饱和电流-电压关系：DIDSV1GSV2GSV3GSV)(satID3、电流-电压关系（定量）])(2[22SDSDTSGoxpDVVVVLCWI电流-电压关系：饱和:TSGSDVVsatV)(22)(2)(2)(TSGoxpSDoxpDVVLCWsatVLCWsatI饱和电流-电压关系：P沟道增强型MOSFET：nGDSDSVSGVppDI0TVP沟道耗尽型MOSFET：0TV3、电流-电压关系（定量）电流-电压关系的应用（1）——确定阈值电压和迁移率DSTGSoxnDVVVLCWI)(（1）低漏源电压近似：（VDS0）)(2)(TGSoxnDVVLCWsatI（2）饱和电流-电压关系：（VDS=VDS(sat)）DIGSVDIGSVTVLCWoxn斜率ATVABTVBLCWoxn斜率3、电流-电压关系（定量）电流-电压关系的应用（2）——MOSFET的跨导])(2[22DSDSTGSoxnDVVVVLCWIGSDmVIgMOSFET跨导的定义:非饱和区跨导:DSoxnmVLCWg饱和区跨导:)(TGSoxnmsVVLCWgTGSDSVVsatV)(线性很好！3、电流-电压关系（定量）衬底偏置效应pGDSDSVGSVnnSBVcEFiEFEvEfpefpsee2cEFiEFEvEfpeFnE)2(SBfpsVeeDIGSV64.00SBV3.1V1V3V919.29.304、小信号等效电路DnnSGsrdrgspCgsCgdCgdpCgsmVg'pgsmVg'dsrdsCdrSsrgsV'gsTCgdTCGgsVDgsmVgdsrSgsVgsTCGD4、小信号等效电路gsmVgLRSgsVgsTCGDgdTCdViIdI)(dgsgdTgsgsTiVVCjVCjI0)(gsdgdTgsmLdVVCjVgRV栅极：漏极：gsgdTLLmgdTgsTiVCRjRgCCjI11gdTLLmgdTMCRjRgCC11gsmVgLRSgsVgsTCGDMCdViIdI5、频率限制因素与截止频率输入电流：截止频率：gsMgsTiVCCjI)(gsmVgLRSgsVgsTCGDMCdViIdIgsmdVgIgsMgsTmidVCCjgII)(输出电流：电流增益：GmMgsTmTCgCCgf2)(2gsgdTLLmdVCRjRgV111电压增益：22)(LVVfTGSnT6、CMOS技术（1）CMOS电路（2）器件结构-V+V输入输出N型衬底输出P阱+V-V输入*问题：闩锁效应优点：互补，一开一关；电流小，功耗低；充放电回路短，速度快；线性好，温漂小。