3-1-MOS场效应管(北邮)

1第三章场效应晶体管及其放大电路北京邮电大学郭琳2011.11修订3.1MOS型场效应管2第三章场效应晶体管及其放大电路场效应管的导电载流子为多数载流子，或者为自由电子或者为空穴，而在双极型晶体管中多子和少子都参与导电过程。根据结构和工作原理，场效应管可分类为：绝缘栅场效应管（IGFET)结型场效应管（JFET)大功率场效应管，如VDMOS管，场效应晶体管是一种利用电场强度控制管导电特性的半导体器件。与双极型晶体管相比较，场效应的输入阻抗高热稳定性好抗辐射能力强噪声小体积小、集成度高，耗电少目前的大规模集成电路大都由场效应管集成。IGBT管33.1MOS场效应管（绝缘栅场效应管）结构特点：在一种类型的半导体衬底上光刻扩散出两个高掺杂的另一类型的区域作为源极S和漏极D，在源漏极之间的衬底上生成一层二氧化硅绝缘层，再在其上蒸发出一层金属铝作为栅极G。由于栅极与衬底之间有二氧化硅绝缘层，故称绝缘栅场效应管。又由于从栅极到衬底依次为金属(M)、氧化物(O)、半导体(S)，故又称为N沟道增强型MOS场效应管的结构示意DBSG符号金属Metal氧化层Oxide半导体SemiconductorMOS场效应管沟道长度源极S栅极G漏极DB衬底极铝SiO2绝缘层衬底耗尽层沟道宽度P型衬底N+N+LW以N沟道增强型MOS管为例MOS场效应管。4沟道长度B衬底极铝SiO2绝缘层厚度tox衬底耗尽层沟道宽度源极S栅极G漏极DP型衬底N+N+LW沟道长度L和SiO2绝缘层厚度tox是MOS管的两个重要指标。MOS技术发展的一个重要方面，就是在保证MOS管的性能的条件下而一代一代地减小这两个尺寸。目前MOS管的制作工艺水平可使沟道长度L短至0.15μm。SiO2绝缘层厚度tox可达5nm。MOS集成电路可工作至GHz的频段。MOS技术的发展是集成电路快速进步的主要标志之一。5场效应管与双极型管比较：DBSGiD＋－vDSCEBiC＋－vCE类比vDSvGS大vGS小iD0vGSN沟道增强型MOS管的输出特性曲线为什么场效应管有这样的输出特性曲线？场效应管的输出特性曲线与双极型管的类似。可推知：场效应管也具有放大能力。在输出特性曲线的不同区段，场效应管内部处于什么样的工作状态？63.1.1N沟道增强型MOS场效应管N沟道增强型MOS管的基本工作原理。耗尽层SGDN＋N＋P型衬底在栅源间无外加电压时，栅源间相当于两个背对连接的PN结。SDDS间没有导通沟道当栅极S与衬底B连接，栅源间加有电压＋vGS时，栅极与衬底间出现电场。在这一电场作用下，衬底中的自由电子(少子)向栅极运动，源区、漏区的自由电子(多子)也向栅极运动。电子到达栅极下受到绝缘层阻挡，与绝缘层下的空穴复合，使栅极板下方绝缘层下的P型半导体中出现一层负离子耗尽层。(1)栅源电压vGS的作用SGDN＋N＋P型衬底+–vGS漏区源区共源极放大电路RD+VDDvo+–vS+–VGGDBSG+DSGiDvGS+–7反型层导电沟道的形成：当vGS增大到一定值Vth时，受电场作用运动到栅极板下方绝缘层下的自由电子数量足够多，使在这一区域的P型半导体中出现一层自由电子占多数的N型层，称之反型层。这一N型反型层将源区和漏区的N+区连接通，相当于一导电沟道。反型层导电沟道刚形成时的vGS称为开启电压Vth。vGS越大于开启电压Vth，SGDN＋N＋P型衬底+–vGS源区漏区D、S间的导电沟道就越厚，沟道电阻也就越小。DSGiDvGS+–8当vGSVth、导电沟道形成后，保持vGS=VGSQ不变，在漏源间加电压vDS，在vDS由零增大时，S源区(N+区）的多数载流子(自由电子)漂移过导电沟道,流向D漏区，形成电流iD。vDS0使栅、漏极间电压vGD=(vGS-vDS)＜vGS，使得导电沟道靠近漏极D一侧吸引的电子少于源极S一侧。使导电沟道呈楔型状。在导电沟道处于贯通的情况下，漏极电流iD与漏源电压vDS呈二次函数关系。此状态对应输出特性曲线的可变电阻区。B耗尽层iD0vDSvGS=vGSQ继续增大vDS时，……(2)漏源电压vDS的作用vGSvDSiDDSGiDvGS+–+–vDS可变电阻区9预夹断:BvGD=vGS-vDS继续减小，当vGD减小到vGD=Vth时，导电沟道靠近漏区D一侧的反型层退为耗尽层——被耗尽层夹断。此状态称为预夹断。vDS=vGS-Vth在楔形导电沟道在源区S和漏区D间呈贯通状态下，继续增大vDS，iD0vDSvGS=vGSQ预夹断时，vGD=vGS–vDS=Vth,vDS=vGS–Vth。预夹断对应输出特性曲线的拐点。vGSvDSiD10饱和区状态：B预夹断后，在保持vGS不变的情况下继续增大vDS，沟道被夹断的部分增多，夹断点向S源区方向移动。沟道长度有所缩短，源S、漏D间的耗尽区有所增长。在vDS的作用下，自由电子由源区沿沟道向漏区方向运动，到达耗尽层夹断区，被耗尽层内电场作用继续向漏区方向漂移，形成漏极电流iD。预夹断后再增加vDS，vDS主要降在夹断沟道的、呈高电阻的耗尽层部分，在剩余的沟道部分上的电场强度增加不多，因而，当vDS增大时，电流iD基本不变，略有增加。此状态对应输出特性曲线的饱和区。预夹断后，栅源电压vGS的变化、例如增大，将使沟道的厚度增加，夹断点向D极方向后退，电流iD随之增大。vDS=vGS-VthiD0vDSvGS=VGSQvGS↑vDSvGSiD饱和区可变电阻区DSGiDvGS+–+–vDS11三N沟道增强型MOS管的伏安特性曲线1.输出特性曲线以vGS为参变量的iD、vDS的关系曲线：()GSDDSviv=定值可变电阻区（近似线形区）（三极管区）vDSvGS=定值(较大)饱和区截止区击穿区vGS=定值(较小)iD0如下图：vDSvGSDBSGAiD12(1)截止区截止区栅源电压vGS＜Vth(开启电压)导电沟道没有形成。电流iD为零，DS间相当于断路。饱和区击穿区可变电阻区vDSvGS=定值(较大)vGS=定值(较小)iD0SGDN＋N＋P型衬底vGSvDSiDDSGiDvGS+–+–vDS13(2)可变电阻区（近似线形区）、(三极管区)导电沟道形成、楔形、预夹断前。2[]()22GSthpDSDDSkvvLVivW−=−22()2){[](}DSGSthGStphvVvVvkWL=−−−−−kp:本征导电因子kp=μnCox,μn:导电沟道中的电子迁移率，Cox:栅极氧化层单位面积电容。W:导电沟道宽度，vGS＞Vth,vGD＞Vth,vDS＜vGS-VthvGS=定值vGS=定值vGS-Vth饱和区击穿区可变电阻区vDSiD0(较大)(较小)SGDN＋N＋P型衬底vGSvDSiDL：导电沟道长度。iDvDS0vGS-Vth14可变电阻:vGS增大时，iD(vDS)曲线的斜率增大。这相当于管DS间呈现一近似线性的、阻值受vGS控制的电阻Ron2[]()22GSthpDSDDSkvvLVivW−=−()GSDtDShpWikvVLv−≈()1GSthpvWVkL−⋅Ron受栅源电压VGS反比性的控制，对漏源电压vDS近似为一线性电阻(Ron)，即：交、直流电阻相等、正负向电阻相等。DSVGSDonDSRvi=≈（vGSVth，vDSvGS-Vth）iD是vDS的二次函数。当vDS较小时，iD与vDS呈近似线性关系：+VDDRDvDS+–VGSDSGRoniDvGS=定值vGS=定值vGS-Vth饱和区击穿区可变电阻区vDSiD0(较大)(较小)iDvDSVGS小VGS较大015预夹断状态：在可变电阻区中，当vDS增大到(vGS-Vth)时，恰使vGD=Vth，沟道出现预夹断。预夹断对应输出特性曲线上的拐点。2[]()22GSthpDSDDSkvvLVivW−=−将vGS-Vth=vDS带入可变电阻区公式：得：22()DpGSthvikVWL−=当vDS＞vGS-Vth，管进入饱和区状态。iD为vGS对应的输出特性曲线拐点处的漏极电流。vGS=定值vGS=定值vGS-Vth饱和区击穿区可变电阻区vDSiD0(较大)(较小)DiSGDN＋N＋P型衬底vGSvDS=vGS-VthiD16在饱和区状态时再增大vDS，夹断区长度增加，vDS的增大量主要降在夹断区，剩余导电沟道两端的电压基本不变，因而电流iD基本不随vDS的增大而增加。(3)饱和区当vDS＞vGS-Vth，管进入饱和区状态。剩余导电沟道的电阻随沟道长度的缩短而有所减小，这使得电流iD随vDS的增大而略有增大。这种现象称为：沟道长度调制效应。沟道长度调制效应在输出特性曲线上的表现是：随着vDS的增加，曲线略有上翘。vGS=定值vGS=定值vGS-Vth饱和区击穿区可变电阻区vDSiD0(较大)(较小)DiSGDN＋N＋P型衬底vGSvDS＞vGS-VthiD剩余导电沟道夹断区(vGD=vGS-vDSVth)17沟道长度调制因子λ：2((1))2pGDShDStkWvViVLλ+⋅−=一般，沟道长度L越短，沟道长度调制效应会越严重。为描述沟道长度调制效应的严重程度，引入沟道长度调制因子λ考虑了沟道长度调制效应后的饱和区电流关系式：沟道长度调制因子λ反映了沟道长度调制效应的大小。λ值越大，沟道长度调制效应越严重，输出特性曲线的上翘程度就越明显。沟道长度调制效应可类比双极型管的基区宽度调制效应。沟道长度调制效应也可引入厄而利电压VA来描述。对长沟道管(L10μm)，一般：λ＝0.001～0.03（1/伏）。vDSvDS=vGS-Vth可变电阻区iD0饱和区vGS2()2pGStDhkWvVLi−=18在饱和区工作状态的MOS管交流输出电阻rds：1AVλ≈vDSiD0饱和区VDSQIDQDSvΔDiΔ-VAVGSQ厄而利电压VA的定义类比双极型管。VA和λ都是对沟道长度调制效应的描述。在λ较小时：仿双极型管，可引用厄而利电压VA描述沟道长度调制效应。VDSQ+△vDS+–DSGrdsIDQ+△iDVGSQ+–MOS管在饱和区工作状态的交流输出电阻rds：11GSQDSQDQADSQDSQDSVDDQDQDQVIVVVviIIIλλλ++Δ==≈≈Δdsr2.转移特性曲线———饱和区和截止区内v()DSDGSifv==定值iDvGS0VthVGSQIDQQVDS↑z当vGS≥Vth且vDSvGS-Vth：当λ较小时：z当vGSVth：iD＝0,截止区2()2pDGSthkWivVL−≈输出电流与输入电压呈二次函数关系。这是场效应管的特点。双极型管的输出电流与输入电压呈指数关系。输出电流iD与输入电压vGS的关系2(1)()2pDGShDStkWivVVLλ+⋅−=DSGiDvGS+–20微变跨导gm：定义：微变跨导gm：DSDSQGSGSQDmGSvvvvigv==Δ=Δ根据gm反映了管输入电压vGS对输出电流iD变化的控制能力。gm是转移特性曲线在工作点VGSQ处的斜率。2()2pDGSthkWivVL≈−(22)pGSQthDQGSQtDhmpQWkIVkWVVLVIgL≈=−=−可求得：在饱和区内：当λ较小时：相同电流工作点情况下，场效应管的跨导小于双极型管的。2()2pGStDhkWvVLi−≈2((1))2pGDShDStkWvViVLλ+⋅−=iDvGS0VthVGSQIDQQVDS↑DSGiDvGS+–21例：MOS管参数：Vth=1.5V,kp=50μA/V2,W/L=10,λ=0.001V-1试求:(1)为使微变跨导gm=1mS,应VGSQ=?解(1)：∵VDD＝5V,vDSVDD,∴(1+λvDS)＜(1+0.001×5)≈1可不计沟道长度调制效应。根据：21mpDQWgkImSL==∴2326(110)125010102mDQpgImAWkL−−×===×××2()2pDGSthkWivVL=−326110()4(502)10102DQGSQthpIVVkWL−−×−===××⋅23.5GSQthGGVVVV==+=与双极型管比较：双极型管微变跨导：13