11 MOSFET基础(2)(MOSFET工作原理,频率,CMOS)

11.3MOSFET基本工作原理MOS结构电流电压关系——概念电流电压关系——推导跨导衬底偏置效应111.3MOSFET原理MOSFET结构N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图BPGN+N+氮氮SDSiO2Ltox1.结构SGDB2.符号3.基本参数沟道长度L(跟工艺水平有关)沟道宽度W栅氧化层厚度tox211.3MOSFET原理MOSFET分类(1)n沟道MOSFETp型衬底，n型沟道，电子导电VDS0，使电子从源流到漏p沟道MOSFETn型衬底，p型沟道，空穴导电VDS0，使空穴从源流到漏按照导电类型的不同可分为：311.3MOSFET原理MOSFET分类(2)n沟道增强型MOSFET零栅压时不存在反型沟道，VTN0n沟道耗尽型MOSFET零栅压时已存在反型沟道，VTN0按照零栅压时有无导电沟道可分为：411.3MOSFET原理MOSFET分类(3)p沟道增强型MOSFET零栅压时不存在反型沟道，VTP0p沟道耗尽型MOSFET零栅压时已存在反型沟道，VTP05增强型：栅压为0时不导通N沟（正电压开启“1”导通）P沟（负电压开启“0”导通）耗尽型：栅压为0时已经导通N沟（很负才关闭）P沟（很正才关闭）611.3.2N沟道增强型MOS场效应管工作原理1.VGS对半导体表面空间电荷区状态的影响(1)VGS=0漏源之间相当于两个背靠背的PN结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。SBD当VGS逐渐增大时，栅氧化层下方的半导体表面会发生什么变化？BPGSiO2SDN+N+7(2)VGS0逐渐增大栅氧化层中的场强越来越大，它们排斥P型衬底靠近SiO2一侧的空穴，形成由负离子组成的耗尽层。增大VGS耗尽层变宽。当VGS继续升高时,沟道加厚，沟道电阻减少，在相同VDS的作用下，ID将进一步增加。BPGSiO2SDN+N+++--++--++++VGS--------反型层iD由于吸引了足够多P型衬底的电子，会在耗尽层和SiO2之间形成可移动的表面电荷层——反型层、N型导电沟道。这时，在VDS的作用下就会形成ID。(3)VGS继续增大弱反型强反型VDS8阈值电压：使半导体表面达到强反型时所需加的栅源电压。用VT表示。阈值电压MOS场效应管利用VGS来控制半导体表面“感应电荷”的多少，来改变沟道电阻，从而控制漏极电流ID。MOSFET是一种电压控制型器件。MOSFET能够工作的关键是半导体表面必须有导电沟道，而只有表面达到强反型时才会有沟道形成。92.VDS对导电沟道的影响(VGSVT)c.VDS=VGS–VT，即VGD=VT：靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。VDS=VDSatb.0VDSVGS–VT，即VGD=VGS–VDSVT:导电沟道呈现一个楔形。靠近漏端的导电沟道减薄。a.VDS0，但值较小时：VDS对沟道影响可忽略，沟道厚度均匀VDSVGSBPGN+N+SDd.VDSVGS–VT，即VGDVT：夹断区发生扩展，夹断点向源端移动VGD=VGS–VDSVGSEL103.N沟道增强型MOS场效应管的特性曲线1）输出特性曲线(假设VGS=5V)输出特性曲线非饱和区饱和区击穿区BVDSID/mAVDS/VOVGS=5VVGS=4VVGS=3V预夹断轨迹VDSat过渡区线性区(d)VDS:VGDVTBPN+N+VDSVGSGSDLLVTVGSVGD(b)VDS:VGDVTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVGD(c)VDS:VGD=VTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVT(a)VDS很小VGSBPGN+N+SDVDSVGSVGD≈VGSID=IDSat11VTVGS/VID/mAO2）转移特性曲线(假设VDS=5V)a.VGSVT器件内不存在导电沟道，器件处于截止状态，没有输出电流。b.VGSVT器件内存在导电沟道，器件处于导通状态，有输出电流。且VGS越大，沟道导电能力越强，输出电流越大转移特性曲线124.N沟道耗尽型MOS场效应管BPGN+N+SDSiO2++++++1）N沟道耗尽型MOS场效应管结构1、结构2、符号SGDB13ID/mAVGS/VOVP(b)转移特性IDSS(a)输出特性ID/mAVDS/VO+1VVGS=0-3V-1V-2V432151015202）基本工作原理a.当VGS=0时，VDS加正向电压，产生漏极电流ID,此时的漏极电流称为漏极饱和电流，用IDSS表示b.当VGS＞0时，ID进一步增加。c.当VGS＜0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减小。直至ID=0。对应ID=0的VGS称为夹断电压，用符号VP表示。14种类符号转移特性曲线输出特性曲线NMOS增强型耗尽型PMOS增强型耗尽型IDSGDBSGDBIDSGDBIDSGDBIDVGSIDOVTIDVGSVPIDSSOVDSID_VGS=0+__OIDVGSVTOIDVGSVPIDSSO__o_+VDSID+++OVGS=VT+_o+15小结按照导电类型分MOS管分为NMOS和PMOS。按照零栅压时有无沟道又分为增强型和耗尽型两种形式。NMOS和PMOS结构十分相似，只是两者的衬底及源漏区掺杂类型刚好相反。特性曲线：输出特性曲线(非饱和区、饱和区、击穿区)转移特性曲线(表征了VGS对ID的控制能力)工作原理：VGS：耗尽弱反型强反型VDS：减薄夹断扩展耗尽型器件形成的原因，其基本特性与增强型器件之间的不同点。定性分析1611.3MOSFET原理I-V特性:基本假设xEyExy沟道中的电流是由漂移而非扩散产生的（长沟器件）栅氧化层中无电流缓变沟道近似，即垂直于沟道方向上的电场变化远大于平行于沟道方向上的电场变化(近似认为ｘ方向Ｅ为常数)氧化层中的所有电荷均可等效为Si-SiO2界面处的有效电荷密度耗尽层厚度沿沟道方向上是一个常数沟道中的载流子迁移率与空间坐标无关衬底与源极之间的电压为零17xxE)(EnxyenJ电流密度:(漂移电流密度为)11.3MOSFET原理I-V特性:沟道电流X方向的电流强度：x0000()EccWxWxxxnIJdydzenydydz0'()cxnQenydy-WWdz0x'EnnWQ-反型层中平行于沟道方向的电场：dxdVx-xE'xxnndVIWQdx1811.3MOSFET原理I-V特性:电中性条件0''''(max)+++SDnssmQQQQ19高斯定理123456n112233445566EEEEEEESSSSSSSdSdSdSdSdSdSdS+++++相互抵消E5=E6=0，即使有也相互抵消E3＝0WdxQQQQSDnssT)'''((max)++STQdSnE表面所在材料的介电常数某闭合表面沿闭合表面向外法线方向的电场强度该闭合表面所包围区域的总电荷量(max)ox'''ESDnssoxQQQ++-11.3MOSFET原理I-V特性:表面电荷444oxEEoxSdSWdx-dxW24315620fpe2msfpoxxGSVVV++-2FpFmEE-'(')22gmsmfpsfpEe-++11.3MOSFET原理I-V特性:氧化层电势()GSxeVV-(')(')2gmoxsfpEeVe+-+-+2111.3MOSFET原理I-V特性:反型层电荷与电场ox(max)(max)E''''''oxssnSDssnSDQQQQQQ-++--oxEoxoxVtmsfpoxxGSVVV++-2氧化层电势(max)'''2oxnSDssGSxfpmsoxQQQVVt-++--+半导体表面空间电荷区的单位面积电荷氧化层中垂直于沟道方向的电场由上三式可得反型层单位面积的电荷oxoxoxtC/'xxnndVIWQdx-'[]nOXGSTxQCVVV---()xxnoxGSTxdVIWCV-V-Vdx不应是x或Vx的函数（电流连续性定律）x00IDSLVDxIdxdV)0(])(2[2)(2satDSDSTGSDSDSTGSoxnDVVVVVVVVLCWI--，当2211.3MOSFET原理I-V特性:线性区与饱和区，处于饱和区－若无关与TGSDSDSTGSoxnsatDVVVVVVLCWI-2)()(2，处于线性区若TGSDSDSDSTGSoxnDVVVVVVVLCWI--)(0)(satDSDSVVDSDVITGSsatDSVVV-)(])(2[22DSDSTGSoxnDVVVVLCWI--2311.3MOSFET原理μ和VT的测试提取方法DSTGSoxnDVVVLCWI)(-特性基于线性区GSDVI~TnDSoxnVLVCW横轴截距斜率特性基于饱和区SDVIG~TnoxnVLCW横轴截距斜率2)(2)(TGSoxnsatDVVLCWI-高场下迁移率随电场上升而下降存在亚阈值电流n沟耗尽型n沟增强型2411.3MOSFET原理p沟增强型MOSFET的I-V特性])(2[22SDSDTSGoxpDVVVVLCWI-+非饱和区DSTSGoxpDVVVLCWI)(+线性区2())()2poxDsatSGTSDsatSGTWCIVVLVVV+（饱和区＋注：Vds=-VsdVgs=-Vsg,等2511.3MOSFET原理跨导(晶体管增益):模型常数DSVGSDmVIg()20)[2()]2DSDSsatnoxDGSTDSDSVVWCIVVVVL--非饱和区（含线性区，()2)()2DSDSsatnoxDGSTVVWCIVVL-饱和区（含线性区，跨导用来表征MOSFET的放大能力：noxnoxoxWCWLLt令材料参数设计参数工艺参数nWLoxt影响跨导的因素：DSnoxmLDSGSVWCgVLV与无关()GSTnoxmsGSTDSVVWCgVVLV--与无关26小节内容电流电压关系——推导跨导器件结构迁移率阈值电压WL(p350第二段有误：L增加，跨导降低)tox)0(])(2[2)(2satDSDSTGSDSDSTGSoxnDVVVVVVVVLCWI--，当27思考题：试分析VGS,VDS对增强型PMOS及耗尽型PMOS导电沟道及输出电流的影响，并推导其电流电压方程。2811.3MOSFET原理衬底偏置效应(1)≥0必须反偏或零偏Vsb=Vs-Vb0,即Vb更负（这样才反偏）在沟道源端感应出来的电子全跑掉了2911.3MOSFET原理衬底偏置效应(2)能带图衬底偏压表面准费米能级反型条件耗尽层电荷不同衬偏电压条件下的能带图：0SBV0SBV3011.3MOSFET原理衬底偏置效应(3)现象反型层电子势能比源端电子势能高→电子更容易从反型层流到源区→达到反型所需的电子浓度需更高的栅压；反型层-衬底之间的电势差更大→表面耗尽层更宽、电荷更多→同样栅压下反型层电荷更少；表面费米能级更低→要达到强反型条件需要更大的表面势；3111.3MOSFET原理衬底偏置效应(4)阈值电压负的耗尽层电荷更多需更大的正栅压才能反型，且VSB越大，VT越大体效应系数32小节内容衬底偏置效应P阱更负，n管阈值上升N衬底更正，p管阈值更负此种类型偏置经常做模拟用途。例11.10：T=300K，Na=3×1016cm-3，tox=500埃，VSB=1V△VT=0.66V3311.4频率限制特性交流小信号参数源极串联电阻栅源交叠电容漏极串联电阻栅漏交叠电容漏-衬底pn结电容栅源电容栅漏电容跨导寄生参数本征参数3411.4频率限制特性完整的小信号等效电路共源n沟MOSFET小信号等效电路总的栅源电容总的栅漏电容与ID-VDS曲线的斜率有关3511.4频率限制特性简