第十章MOSFET基础(2)(MOSFET工作原理,频率,CMOS)

1、10.3 MOSFET原理原理2015-1110.3 MOSFET10.3 MOSFET基本工作原理基本工作原理nMOSFETMOSFET结构结构n电流电压关系电流电压关系概念概念n电流电压关系电流电压关系推导推导n跨导跨导n衬底偏置效应衬底偏置效应210.3 MOSFET原理 MOSFETMOSFET结构结构N N 沟道增强型沟道增强型MOS MOS 场效应管的场效应管的结构示意图结构示意图BPGN+N+源源漏漏SDSiO2Ltox1.1.结构结构SGDB2.2.符号符号3.3.基本参数基本参数沟道长度沟道长度 L(L(跟工艺水平有关跟工艺水平有关) )沟道宽度沟道宽度 W W栅氧化层厚度栅

2、氧化层厚度 t toxox310.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 MOSFETMOSFET分类分类(1)(1)n沟道沟道MOSFETp p型衬底，型衬底，n n型沟道，电子导电型沟道，电子导电V VDSDS00，使电子从源流到漏，使电子从源流到漏p沟道沟道MOSFETn n型衬底，型衬底，p p型沟道，空穴导电型沟道，空穴导电V VDSDS000n n沟道沟道耗尽型耗尽型MOSFETMOSFET零栅压时已存在反型沟道，零栅压时已存在反型沟道，V VTNTN00按照零栅压时有无导电沟道可分为：按照零栅压时有无导电沟道可分为：510.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理

3、MOSFETMOSFET分类分类(3)(3)p p沟道沟道增强型增强型MOSFETMOSFET零栅压时不存在反型沟道，零栅压时不存在反型沟道，V VTPTP0006增强型：栅压为增强型：栅压为0时不导通时不导通N沟（正电压开启沟（正电压开启 “1”导通）导通）P沟（负电压开启沟（负电压开启 “0”导通）导通）耗尽型：栅压为耗尽型：栅压为0时已经导通时已经导通N沟（很负才关闭）沟（很负才关闭）P沟（很正才关闭）沟（很正才关闭）710.3.2 N 10.3.2 N 沟道增强型沟道增强型 MOS MOS 场效应管工作原理场效应管工作原理1. 1. V VGSGS对半导体表面空间电荷区状态的影响对半导

4、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漏源之间相当于两个背靠背的 PN PN 结，无论漏源之间加何种极结，无论漏源之间加何种极性电压，性电压，总是不导电总是不导电。SBD当当V VGSGS 逐渐增大时，栅氧化逐渐增大时，栅氧化层下方的半导体表面会发层下方的半导体表面会发生什么变化？生什么变化？BPGSiO2SDN+N+8( (2) ) VGS 00逐渐增大逐渐增大 栅氧化层中的场强越来越大，栅氧化层中的场强越来越大，它们排斥它们排斥P P型衬底靠近型衬底靠近 SiOSiO2 2 一侧一侧的空穴，的空穴，形成由负离子组成的耗形成由负离子组成的耗尽层。尽

5、层。增大增大 V VGSGS 耗尽层变宽耗尽层变宽。 当当V VGSGS继续升高时继续升高时, , 沟道加厚，沟道电阻减少，在相同沟道加厚，沟道电阻减少，在相同V VDSDS的作用下，的作用下，I ID D将进一步增加。将进一步增加。BPGSiO2SDN+N+ +-+-+VGS- - - - - -反型层反型层iD由于吸引了足够多由于吸引了足够多P P型衬底的电子，会在耗尽层和型衬底的电子，会在耗尽层和 SiOSiO2 2 之间形成可移动的表面电荷层之间形成可移动的表面电荷层 反型层、反型层、N N 型型导电沟道导电沟道。这时，在这时，在V VDSDS的作用下就会形成的作用下就会形成I ID

6、D。(3) V(3) VGSGS 继续增大继续增大 弱反型弱反型 强反型强反型VDS9 阈值电压：阈值电压：使半导体表面达到强反型时所需加的栅使半导体表面达到强反型时所需加的栅源电压。用源电压。用V VT T表示。表示。阈值电压阈值电压 MOS MOS场效应管利用场效应管利用V VGSGS来控制半导体表面来控制半导体表面“感应感应电荷电荷”的多少，来改变沟道电阻，从而控制漏极电的多少，来改变沟道电阻，从而控制漏极电流流 I ID D。 MOSFETMOSFET是一种是一种电压控制型器件电压控制型器件。 MOSFETMOSFET能够工作的能够工作的关键关键是半导体表面是半导体表面必须有导必须有导

7、电沟道电沟道，而只有表面达到强反型时才会有沟道形成。，而只有表面达到强反型时才会有沟道形成。 102. VDS对导电沟道的影响对导电沟道的影响(VGSVT)c.VDS=VGSVT，即即VGD=VT：靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断，夹断，VDS=VDSat；b.0VDSVT:导电沟道呈现一个楔形，靠近漏端的导电沟道呈现一个楔形，靠近漏端的导电沟道减薄；导电沟道减薄；VDS 0，但值较小时：，但值较小时：VDS对沟道影响可忽略，沟道厚对沟道影响可忽略，沟道厚度均匀；度均匀；VDSVGSBPGN+N+SDd.VDSVGSVT，即即VGDVT：夹断区发生扩

8、展，夹断点向源端移动。夹断区发生扩展，夹断点向源端移动。VGD=VGSVDSVGSEL 113 3 . . N N 沟道增强型沟道增强型 MOS MOS 场效应管的特性曲线场效应管的特性曲线1 1）输出特性曲线）输出特性曲线( (假设假设V VGSGS=5V)=5V) 输出特性曲线输出特性曲线非非饱饱和和区区饱和区饱和区击击穿穿区区BVDS ID/mAVDS /VOVGS=5VVGS=4VVGS=3V预夹断轨迹预夹断轨迹VDSat 过过渡渡区区线线性性区区(d)(d)VDS:VGDVTBPN+N+VDSVGSGSDLVTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVGD(c)V(c)VDS:VGD=V

9、TBPN+N+VDSVGSGSDVGSVT( (a) )VDS很小很小VGSBPGN+N+SDVDSVGSVGDVGS ID=IDSat12VT VGS /VID /mAO2 2）转移特性曲线）转移特性曲线( (假设假设V VDSDS=5V)=5V) a. Va. VGSGS V V VT T 器件内存在导电沟道，器件内存在导电沟道，器件处于器件处于导通导通状态，有输状态，有输出电流。且出电流。且V VGSGS越大，沟道越大，沟道导电能力越强，输出电导电能力越强，输出电流越大。流越大。 转移特性曲线转移特性曲线134. N 4. N 沟道沟道耗尽型耗尽型 MOS MOS 场效应管场效应管BPG

10、N+N+SDSiO2+ + + + + + （1 1） N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管结构场效应管结构1 1、 结构结构2 2、 符号符号SGDB14ID/mAVGS /VOVP(b)(b)转移特性转移特性IDSS(a)(a)输出输出特性特性ID/mAVDS /VO+1VVGS=0- -3 V- -1 V- -2 V432151015 20（2 2）基本工作原理）基本工作原理a. a. 当当V VGSGS=0=0时，时，V VDSDS加正向电压，加正向电压，产生漏极电流产生漏极电流I ID D, ,此时的漏极电流此时的漏极电流称为称为漏极饱和电流漏极饱和电流，用，用I IDSS

11、DSS表示。表示。b. b. 当当V VGSGS0 0时，时，I ID D进一步增加进一步增加。c. c. 当当V VGSGS0 0时，随着时，随着V VGSGS的减小的减小漏极电流逐渐漏极电流逐渐减小减小。直至。直至I ID D=0=0。对应对应I ID D=0=0的的V VGSGS称为夹断电压，称为夹断电压，用符号用符号V VP P表示表示。15种种 类类符号符号转移特性曲线转移特性曲线输出特性曲线输出特性曲线 NMOSNMOS增强型增强型耗尽型耗尽型PMOSPMOS增强型增强型耗尽型耗尽型IDSGDBSGDBIDSGDBIDSGDBIDVGSIDOVTIDVGSVPIDSSOVDSID_

12、VGS=0+_OIDVGSVTOIDVGSVPIDSSO_ _IDVGS=VTVDS_ _o o_ _+VDSID+OVGS=VTIDVGS= 0V+ +_ _VDSo o+ +16小小 结结 工作原理：工作原理：V VGSGS ：耗尽耗尽 弱反型弱反型 强反型强反型 V VDS DS ：减薄减薄 夹断夹断 扩展扩展 定性分析定性分析17 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同点。 按照导电类型分按照导电类型分MOSMOS管分为管分为NMOSNMOS和和PMOSPMOS。按照零栅压时有无沟道又分为按照零栅压时有无沟道又分为

13、增强型和耗尽型增强型和耗尽型两种形式。两种形式。 NMOSNMOS和和PMOSPMOS结构十分相似，只是两者的结构十分相似，只是两者的衬底及源漏区掺杂类衬底及源漏区掺杂类型刚好相反型刚好相反。 特性曲线：输出特性曲线特性曲线：输出特性曲线( (非饱和区、饱和区、击穿区非饱和区、饱和区、击穿区) ) 转移特性曲线转移特性曲线( (表征了表征了V VGSGS对对I ID D的的控制控制能力能力) )10.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 I-VI-V特性特性: :基本假设基本假设xEyExyn沟道中的电流是由漂移而非扩散产生的（长沟器件）沟道中的电流是由漂移而非扩散产生的（长沟器件）

14、n栅氧化层中无电流栅氧化层中无电流n缓变沟道近似，即垂直于沟道方向上缓变沟道近似，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远大于平行于沟道方向上 的电场变化的电场变化 ( (近似认为方向为常数近似认为方向为常数) )n氧化层中的所有电荷均可等效为氧化层中的所有电荷均可等效为 Si-SiO Si-SiO2 2界面处的有效电荷密度界面处的有效电荷密度n耗尽层厚度沿沟道方向上是一耗尽层厚度沿沟道方向上是一 个常数个常数n沟道中的载流子迁移率与空间沟道中的载流子迁移率与空间 坐标无关坐标无关n衬底与源极之间的电压为零衬底与源极之间的电压为零18xxE)(EnxyenJ电流密度电流

15、密度:(漂移电流漂移电流密度为密度为)10.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 I-VI-V特性特性: :沟道电流沟道电流X方向的电流强度：方向的电流强度：x0000( )EccWxWxxxnIJ dydzen ydydz 0( )cxnQen y dy -WWdz0 xEnnWQ -反型层中平行于沟道方向的电场：反型层中平行于沟道方向的电场：dxdVx-xExxnndVIWQdx1910.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 I-VI-V特性特性: :电中性条件电中性条件0(max)+SDnssmQQQQ20高斯定理123456n112233445566EEEEEEES

16、SSSSSSdSdSdSdSdSdSdS+相互抵消相互抵消E5=E6=0，即使有也相互抵消，即使有也相互抵消E30WdxQQQQSDnssT)(max)+STQdSnE表面所在材料表面所在材料的介电常数的介电常数某闭合表面某闭合表面沿闭合表面向外法线方向沿闭合表面向外法线方向的电场强度的电场强度该闭合表面所包围区该闭合表面所包围区域的总电荷量域的总电荷量(max)oxESDnssoxQQQ+-10.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 I-VI-V特性特性: :表面电荷表面电荷444oxEEoxSdSWdx -dxW24315621fpe2msfpoxxGSVVV+-2 FpFmEE

17、- ()22gmsmfpsfpEe-+10.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 I-VI-V特性特性: :氧化层电势氧化层电势()GSxe VV-( ) ( )2gmoxsfpEeVe+-+-+2210.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 I-VI-V特性特性: :反型层电荷与电场反型层电荷与电场ox(max)(max)EoxssnSDssnSDQQQQQQ-+-oxEoxoxVtmsfpoxxGSVVV+-2氧化层电势氧化层电势(max)2oxnSDssGSxfpmsoxQQQVVt -+-+半导体表面空间电荷半导体表面空间电荷区的单位面积电荷区的单位面积电荷氧化层中

18、垂直于沟氧化层中垂直于沟道方向的电场道方向的电场由上三式可得由上三式可得反型层单位面反型层单位面积的电荷积的电荷oxoxoxtC/xxnndVIWQdx -nOXGSTxQCVVV -()xxnoxGSTxdVIWCV-V -Vdx不应是不应是x或或Vx的函数的函数（电流连续性定律（电流连续性定律）x00IDSLVDxI dxdV)0()(22)(2satDSDSTGSDSDSTGSoxnDVVVVVVVVLCWI-，当2310.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 I-VI-V特性特性: :线性区与饱和区线性区与饱和区，处于饱和区若无关与TGSDSDSTGSoxnsatDVVVVV

19、VLCWI-2)()(2，处于线性区若TGSDSDSDSTGSoxnDVVVVVVVLCWI-)(0)(satDSDSVVDSDVITGSsatDSVVV-)()(222DSDSTGSoxnDVVVVLCWI-2410.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 和和V VT T的测试提取方法的测试提取方法DSTGSoxnDVVVLCWI)(-特性基于线性区GSDVITnDSoxnVLVCW横轴截距斜率特性基于饱和区SDVIGTnoxnVLCW横轴截距斜率2)(2)(TGSoxnsatDVVLCWI-高场下迁移率随高场下迁移率随电场上升而下降电场上升而下降存在亚阈值电流n沟耗尽型沟耗尽型n

20、沟增强型沟增强型25存在亚阈值电流存在亚阈值电流存在亚阈值电流存在亚阈值电流10.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 p p沟增强型沟增强型MOSFETMOSFET的的I-VI-V特性特性)(222SDSDTSGoxpDVVVVLCWI-+非饱和区DSTSGoxpDVVVLCWI)(+线性区2()()2poxD satSGTSD satSGTWCIVVLVVV+（饱和区注：注：Vds=-Vsd Vgs=-Vsg,等等2610.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 跨导跨导( (晶体管增益晶体管增益):):模型模型常数DSVGSDmVIg()20)2()2DSDS satn

21、oxDGSTDSDSVVWCIVV VVL-非饱和区（含线性区，()2)()2DSDS satnoxDGSTVVWCIVVL-饱和区（含线性区，跨导用来表征跨导用来表征MOSFETMOSFET的的放大能力：放大能力：noxnoxoxWCWLL t 令材料参数材料参数设计参数设计参数工艺参数工艺参数nW Loxt影响跨导的因素：影响跨导的因素：DSnoxmLDSGSVWCgVLV与无关()GSTnoxmsGSTDSVVWCgVVLV-与无关27小节内容小节内容n电流电压关系电流电压关系推导推导n跨导跨导n器件结构器件结构n迁移率迁移率n阈值电压阈值电压nW WnL L nt toxox)0()(

22、22)(2satDSDSTGSDSDSTGSoxnDVVVVVVVVLCWI-，当2810.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 衬底偏置效应衬底偏置效应(1)(1)0必须反偏或必须反偏或零偏零偏Vsb=Vs-Vb0,即Vb更负（这样才反偏）在沟道源端感应出来在沟道源端感应出来的电子全跑掉了的电子全跑掉了2910.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 衬底偏置效应衬底偏置效应(2)(2)能带图能带图衬底偏压衬底偏压表面准费米能级表面准费米能级反型条件反型条件耗尽层电荷耗尽层电荷不同衬偏电压条件下的能带图：不同衬偏电压条件下的能带图：0SBV0SBV3010.3 MOSFET

23、10.3 MOSFET原理原理 衬底偏置效应衬底偏置效应(3)(3)现象现象n反型层电子势能比源端电子势能高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电子更容易从反型层流到源区源区达到反型所需的电子浓度需更高的栅压；达到反型所需的电子浓度需更高的栅压；n反型层反型层- -衬底之间的电势差更大衬底之间的电势差更大表面耗尽层更宽、电荷更多表面耗尽层更宽、电荷更多同样栅压下反型层电荷更少；同样栅压下反型层电荷更少；n表面费米能级更低表面费米能级更低要达到强反型条件需要更大的表面势；要达到强反型条件需要更大的表面势；3110.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 衬底偏置效应衬底偏

24、置效应(4)(4)阈值电压阈值电压负的耗尽层负的耗尽层电荷更多电荷更多需更大的正栅压才能反型，需更大的正栅压才能反型，且且V VSBSB越大，越大，V VT T越大越大体效应系数体效应系数32小节内容小节内容n衬底偏置效应衬底偏置效应nP P阱更负，阱更负，n n管阈值上升管阈值上升nN N衬底更正，衬底更正，p p管阈值更负管阈值更负n此种类型偏置经常做模拟用途。此种类型偏置经常做模拟用途。例例11.1011.10：T=300KT=300K，Na=3Na=310101616cmcm-3-3，t toxox=500=500埃，埃，V VSBSB=1V=1VV VT T=0.66V=0.66V3

25、3 10.4 10.4频率限制特性频率限制特性 交流小信号参数交流小信号参数源极串联源极串联电阻电阻栅源交叠栅源交叠电容电容漏极串联漏极串联电阻电阻栅漏交叠栅漏交叠电容电容漏漏-衬底衬底pn结电容结电容栅源电容栅源电容栅漏电容栅漏电容跨导跨导寄生参数寄生参数本征参数本征参数3410.4 10.4 频率限制特性频率限制特性 完整的小信号等效电路完整的小信号等效电路共源共源n沟沟MOSFET小信号等效电路小信号等效电路总的栅源电容总的栅源电容总的栅漏电容总的栅漏电容与与ID-VDS曲线曲线的斜率有关的斜率有关3510.4 10.4 频率限制特性频率限制特性 简化的小信号等效电路简化的小信号等效电路

26、低频条件下只计入低频条件下只计入rs只计入本征参数只计入本征参数msmmmdgsmgssmmgsmdgsgssmsgsmgsgssgrgggIVgVrggVgIVVrgrVgVVr+11)1 ()(的影响低频条件下只计入低频条件下只计入rds3610.4 10.4 频率限制特性频率限制特性 MOSFETMOSFET频率限制因素频率限制因素限制因素限制因素2 2：对栅电极或电容充电需要时间对栅电极或电容充电需要时间限制因素限制因素1 1：沟道载流子从源到漏运动需要时间沟道载流子从源到漏运动需要时间710 cm/s; 1msatvLGHz1001ps10ttsltfvL截止频率沟道渡越时间沟道渡越

27、时间通常不沟道渡越时间通常不是主要频率限制因素是主要频率限制因素对对Si MOSFETSi MOSFET，饱和漂移速度，饱和漂移速度3710.4 10.4 频率限制特性频率限制特性 电流电流- -频率关系频率关系负载电阻负载电阻-+-+)(/)(gsdTgdgsmLdddgsTgdgsTgsiVVCjVgRVIVVCjVCjI11mLigsTgdTgsLgdTg RIjCCVj R C+)1 (LmTgdMRgCC+密勒电容1TgdLCR通常输入电流输入电流输出电流输出电流对栅电容充电需要时间对栅电容充电需要时间消去电压变量消去电压变量VD(1)gsTgdTmLgsjCCg RV+gsTMgs

28、jCCV+3810.4 10.4 频率限制特性频率限制特性 密勒电容等效密勒电容等效)1 (LmTgdMRgCC+密勒电容只计入本征参数只计入本征参数器件饱和时，器件饱和时，C Cgdgd=0=0，寄生电容，寄生电容成为影响输入阻抗的重要因素。成为影响输入阻抗的重要因素。3910.4 10.4 频率限制特频率限制特 截止频率推导截止频率推导igsTMgsdmgsIjCCVIg V+输入电流输出电流12 ()2dimmmTIgsTMGIGgsTMgggffCCCCCC+跨导截止频率等效输入栅极电容G0, (1)0 , ()gdMgdTmLgsTgsoxnoxmGSTCCCg RCCCC WLWC

29、gVVL+-gdpgsp在理想情况下，交叠或寄生电容C,C=0饱和区截止频率：电流增益为截止频率：电流增益为1 1时的频率。时的频率。22()2nnGSTTVVfLL-迁移率沟道长度的平方提高频率特性：提高频率特性：提高迁移率（提高迁移率（100100方向，工艺优质）；缩短方向，工艺优质）；缩短L L；减小寄生电容；增大跨导；减小寄生电容；增大跨导；12()dmigsTMIgIf CC+电流增益4010.5 CMOS10.5 CMOS技术技术 什么是什么是CMOSCMOS？n n沟沟MOSFETMOSFETp沟沟MOSFETnCMOSCMOS（Complentary MOSComplentar

30、y MOS，互补，互补CMOSCMOS）n使使n n沟沟MOSFETMOSFET与与p p沟沟MOSFETMOSFET取长补短取长补短n实现低功耗、全电平摆幅实现低功耗、全电平摆幅n数字逻辑电路的首选工艺数字逻辑电路的首选工艺场氧（用作管场氧（用作管间、互连间、互连-衬底衬底间隔离）间隔离）栅氧（用作栅氧（用作MOS电容的电容的介质）介质）通常接电路最低电位通常接电路最低电位通常接电路最高通常接电路最高电位电位4110.6 10.6 小结小结 1nMOSMOS电容是电容是MOSFETMOSFET的核心。随表面势的不同，半导体表面可以的核心。随表面势的不同，半导体表面可以处于堆积、平带、耗尽、本征、弱反型、强反型等状态。处于堆积、平带、耗尽、本征、弱反型、强反型等状态。 MOSFETMOSFET导通时工作在强反型状态导通时工作在强反型状态n栅压、功函数差、氧化层电荷都会引起半导体表面能带的弯曲栅压、功函数差、氧化层电荷都会引起半导体表面能带的弯曲或表面势。或表面势。n表面处于平带时的栅压为平带电