MOSFET基础(MOSFET工作原理频率CMOS)

1、11.3MOSFET基本工作原理nMOS结构n电流电压关系概念n电流电压关系推导n跨导n衬底偏置效应111.3 MOSFET原理 MOSFET结构N 沟道增强型沟道增强型MOS 场效应管场效应管的结构示意图的结构示意图BPGN+N+氮氮氮氮SDSiO2Ltox1. 结构结构SGDB2.符号符号3.基本参数基本参数沟道长度沟道长度 L(跟工艺水平有关跟工艺水平有关)沟道宽度沟道宽度 W栅氧化层厚度栅氧化层厚度 tox211.3 MOSFET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VDS0n沟

2、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：按照零栅压时有无导电沟道可分为：411.3 MOSFET原理 MOSFET分类(3)p沟道增强型MOSFET零栅压时不存在反型沟道，VTP05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）611.3.2 N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效应管工作原理场效应管工作原理1. VGS对半导体表面空间

3、电荷区状态的影响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漏源之间相当于两个背靠背的背的 PN 结，无论漏源之间加何结，无论漏源之间加何种极性电压，种极性电压，总是不导电总是不导电。SBD 当当VGS 逐渐增大时，栅逐渐增大时，栅氧化层下方的半导体表面氧化层下方的半导体表面会发生什么变化？会发生什么变化？BPGSiO2SDN+N+7( (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型衬底靠近型衬底靠近 SiO2 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。尽层

4、。增大增大 VGS 耗尽层变宽。耗尽层变宽。 当当VGS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VDS的作用下，的作用下，ID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型衬底的电子，型衬底的电子，会在耗尽层和会在耗尽层和 SiO2 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 型导型导电沟道电沟道。这时，在这时，在VDS的作用下就会形成的作用下就会形成ID。( (3) ) VGS 继续增大继续增大 弱反型弱反型 强反型强反型

5、VDS8 阈值电压：使半导体表面达到强反型时所需加的栅阈值电压：使半导体表面达到强反型时所需加的栅源电压。用源电压。用VT表示。表示。阈值电压阈值电压MOS场效应管利用场效应管利用VGS来控制半导体表面来控制半导体表面“感应电感应电荷荷”的多少，来改变沟道电阻，从而控制漏极电流的多少，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。是一种电压控制型器件。 MOSFET能够工作的能够工作的关键关键是半导体是半导体 表面表面必须必须有导电沟道有导电沟道，而只有表面达到强反型时才会有沟道，而只有表面达到强反型时才会有沟道形成。形成。 92. VDS对导电沟道的影响对导电沟

6、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，靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。出现预夹断。VDS=VDSatb.0VDSVT:导电沟道呈现一个楔形。靠近导电沟道呈现一个楔形。靠近漏端的导电沟道减薄。漏端的导电沟道减薄。a. VDS 0，但值较小时：，但值较小时：VDS对沟道影响可忽略，沟对沟道影响可忽略，沟道厚度均匀道厚度均匀VDSVGSBPGN+N+SDd.VDSVGSVT，即即VGDVT：夹断区发生扩展，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 103 . N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效

7、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VGS=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=VTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVT( (a) )VDS很小很小VGSBPGN+N+SDVDSVGSVGDVGS ID=IDSat11VT VGS /VID /mA

8、O2 2）转移特性曲线）转移特性曲线( (假设假设VDS=5V) ) a. VGS VT 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VGS越大，沟越大，沟道导电能力越强，输出道导电能力越强，输出电流越大电流越大 转移特性曲线转移特性曲线124. N 沟道耗尽型沟道耗尽型 MOS 场效应管场效应管BPGN+N+SDSiO2+ + + + + + 1） N沟道沟道耗尽型耗尽型MOS场效应管结构场效应管结构1、 结构结构2、 符号符号SGDB13ID/mAVGS /VOVP(b)(b)转移特性转移特性IDSS(a)(a)输出输出特性特性I

9、D/mAVDS /VO+1VVGS=0- -3 V- -1 V- -2 V432151015 202）基本工作原理）基本工作原理a. 当当VGS=0时，时，VDS加正向电压，加正向电压，产生漏极电流产生漏极电流ID,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IDSS表示表示b. 当当VGS0时，时，ID进一步增加进一步增加。c. 当当VGS0时，随着时，随着VGS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ID=0。对应对应ID=0的的VGS称为夹断电压，称为夹断电压，用符号用符号VP表示。表示。14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

10、出特性曲线 NMOS增强型增强型耗尽型耗尽型PMOS增强型增强型耗尽型耗尽型IDSGDBSGDBIDSGDBIDSGDBIDVGSIDOVTIDVGSVPIDSSOVDSID_VGS=0+_OIDVGSVTOIDVGSVPIDSSO_ _IDVGS=VTVDS_ _o o_ _+VDSID+OVGS=VTIDVGS= 0V+ +_ _VDSo o+ +15小小 结结 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

11、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VGS对对ID的的控制控制能力能力) 工作原理：工作原理：VGS ：耗尽耗尽 弱反型弱反型 强反型强反型 VDS ：减薄减薄 夹断夹断 扩展扩展 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。定性分析定性分析1611.3 MOSFET原理 I-V特性:基本假设xEyExyn沟道中的电流是

12、由漂移而非扩散产生的（长沟器件）n栅氧化层中无电流n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 (近似认为方向为常数)n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n耗尽层厚度沿沟道方向上是一 个常数n沟道中的载流子迁移率与空间 坐标无关n衬底与源极之间的电压为零17xxE)(EnxyenJ电流密度电流密度:(漂移电流漂移电流密度为密度为)11.3 MOSFET原理 I-V特性: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 xEn

13、nWQ -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-xExxnndVIWQdx1811.3 MOSFET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E30WdxQQQQSDnssT)(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)oxESDnssoxQQQ+-11.3 MOSFET原理 I-V特性:表面电荷444oxEE

14、oxSdSWdx - dxW24315620fpe2msfpoxxGSVVV+-2 FpFmEE- ()22gmsmfpsfpEe-+11.3 MOSFET原理 I-V特性:氧化层电势()GSxe VV-( ) ( )2gmoxsfpEeVe+-+-+2111.3 MOSFET原理 I-V特性: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垂直于沟氧

15、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x或Vx的函数（电流连续性定律）x00IDSLVDxI dxdV)0()(22)(2satDSDSTGSDSDSTGSoxnDVVVVVVVVLCWI-，当2211.3 MOSFET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-

16、)(0)(satDSDSVVDSDVITGSsatDSVVV-)()(222DSDSTGSoxnDVVVVLCWI-2311.3 MOSFET原理 和VT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2411.3 MOSFET原理 p沟增强型MOSFET的I-V特性)(222SDSDTSGoxpDVVVVLCWI-+非饱和区DSTSGoxpDVVVLCWI)(+线性区2

17、()()2poxD satSGTSD satSGTWCIVVLVVV+（饱和区注：注：Vds=-Vsd Vgs=-Vsg,等等2511.3 MOSFET原理 跨导(晶体管增益):模型常数DSVGSDmVIg()20)2()2DSDS satnoxDGSTDSDSVVWCIVV 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MOSFET的放大能力：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：DSnoxmLDSGSVWCgVLV与无关()GSTnoxmsGS

18、TDSVVWCgVVLV-与无关26小节内容n电流电压关系推导n跨导n器件结构n迁移率n阈值电压nWnL (p350第二段有误：L增加，跨导降低)ntox)0()(22)(2satDSDSTGSDSDSTGSoxnDVVVVVVVVLCWI-，当27思考题：思考题： 试分析试分析VGS,VDS对增强型对增强型PMOS及及耗尽型耗尽型PMOS导电沟道及输出电流导电沟道及输出电流的影响，并推导其电流电压方程。的影响，并推导其电流电压方程。2811.3 MOSFET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在沟道源端感应出来的电子全跑掉了

19、的电子全跑掉了2911.3 MOSFET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：不同衬偏电压条件下的能带图：0SBV0SBV3011.3 MOSFET原理 衬底偏置效应(3)现象n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；n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；n表面费米能级更低要达到强反型条件需要更大的表面势；3111.3 MOSFET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

20、节内容n衬底偏置效应nP阱更负，n管阈值上升nN衬底更正，p管阈值更负n此种类型偏置经常做模拟用途。例11.10：T=300K，Na=31016cm-3，tox=500埃，VSB=1VVT=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漏电容与ID-VDS曲线的斜率有关3511.4 频率限制特性 简化的小信号等效电路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

21、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rds3611.4 频率限制特性 MOSFET频率限制因素限制因素限制因素2：对栅电极或电：对栅电极或电容充电需要时间容充电需要时间限制因素限制因素1：沟道载流子从源：沟道载流子从源到漏运动需要时间到漏运动需要时间710 cm/s; 1msatvLGHz1001ps10ttsltfvL截止频率沟道渡越时间沟道渡越时间通常不是主要频率限制因素对对Si MOSFET，饱和，饱和漂移速度漂移速度3711.4 频率限制特性

22、 电流-频率关系负载电阻-+-+)(/)(gsdTgdgsmLdddgsTgdgsTgsiVVCjVgRVIVVCjVCjI11mLigsTgdTgsLgdTg RIjCCVj R C+)1 (LmTgdMRgCC+密勒电容1TgdLCR通常输入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VD(1)gsTgdTmLgsjCCg RV+gsTMgsjCCV+3811.4 频率限制特性 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，Cgd=0，寄生电容成为影响输入寄生电容成为影响输入阻抗的重要因素。阻抗的重要因素。3911

23、.4 频率限制特 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 WLWCgVVL+-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：提高迁移率（100方向，工艺优质）；缩短L；减小寄生电容；增大跨导；12()dmigsTMIgIf CC+电流增益4011.5 CMOS技术 什么是CMOS？n沟沟MOSFE