MOS场效应晶体管

1、1第七章 MOS场效应晶体管7.1 基本工作原理和分类7.2 阈值电压7.3 I-V特性和直流特性曲线7.4 击穿特性7.5 频率特性7.6 功率特性和功率MOSFET结构7.7 开关特性7.8 温度特性7.9 短沟道和窄沟道效应27.1 MOSFET基本工作原理和分类一、MOSFET的基本结构二、MOSFET的基本工作原理三、MOSFET的分类37.1 MOSFET基本工作原理和分类一、MOSFET的基本结构N沟道增强型MOSFET结构示意图47.1 MOSFET基本工作原理和分类一、MOSFET的基本结构567.1 MOSFET基本工作原理和分类一、MOSFET的基本结构77.1 MOSF

2、ET基本工作原理和分类87.1 MOSFET基本工作原理和分类二、MOSFET的基本工作原理MOSFET的基本工作原理是基于半导体的“表面场效应” 当VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。 当栅极加有电压0VGSVT时，通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不足以形成漏极电流ID。97.1 MOSFET基本工作原理和分类二、MOSFET的基本工作原理107.1 MOSFET基本工作原理和分类二、MOS

3、FET的基本工作原理栅源电压对沟道的影响117.1 MOSFET基本工作原理和分类二、MOSFET的基本工作原理漏源电压对沟道的影响127.1 MOSFET基本工作原理和分类三、MOSFET的分类类型n沟MOSFETp沟MOSFET耗尽型增强型耗尽型增强型衬底p型n型S、D区n+区p+区沟道载流子电子空穴VDS00IDS方向由DS由SD阈值电压VT0VT0VT0，则也应减去相应电压32337.2 MOSFET的阈值电压二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析1.偏置电压的影响2.栅电容Cox3.功函数差ms4.衬底杂质浓度的影响5.氧化膜中电荷的影响NA(ND)通过费米势（以及功函数）影响VT

4、FoxBoxoxmsTCQCQVV 2maxiDFniAFpnNqkTnNqkTlnln 每2个数量级约0.1V(eV)影响不大真空E0EFMEcEvEFSEiEc(SiO2)Enm m oxc cc cs s csEE 0c c347.2 MOSFET的阈值电压二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析1.偏置电压的影响2.栅电容Cox3.功函数差ms4.衬底杂质浓度的影响5.氧化膜中电荷的影响NA(ND)通过场感应结耗尽层空间电荷影响VTFoxBoxoxmsTCQCQVV 2max210maxmax2sAdABVqNxqNQoxACNFqF ;20设体效应系数msiABSFoxoxTnVnN

5、qkTVyVCQVln2)(221 35oxAoxoxoxoxoxAdNqdCqFCNF 00002236msiABSFAoxoxoxTnVnNqkTVyVqNCCQVln2)(221210 衬底杂质浓度越大，其变化对VT的影响越大，是因为杂质浓度越大，越不易达到表面强反型37衬底反偏VBS通过NA(ND) 影响QBmax，从而改变VTmsiABSFAoxoxoxTnVnNqkTVyVqNCCQVln2)(221210 即不同的 NA下，VBS对VT的影响也不同 1)22()2(21)2(2121max210210FBSFoxBFAoxBSFAoxTVCQqNCVqNCV向负方向漂移（更负）增

6、大，即随对于向正方向漂移（更正）增大，即随对于TpBSTpBTnBSTnBVVVQVVVQ, 0, 0MOS,沟p, 0, 0MOS,沟nmaxmax 越大下，）越大，同样（增大；且增大，总之，TBSDATBSVVNNVV 38越大下，同样）越大，（且增大；增大，总之，TBSDATBSVVNNVV 1.偏置电压的影响2.栅电容Cox3.功函数差ms4.衬底杂质浓度的影响5.氧化膜中电荷的影响391.偏置电压的影响2.栅电容Cox3.功函数差ms4.衬底杂质浓度的影响5.氧化膜中电荷的影响iAFnNqkTln imgmsnNqkTEqVln)2(1 c c210maxmax2sdBVqNxqNQ

7、衬底杂质浓度N可以通过F、Vms及QBmax影响VT，其中影响最大者为QBmax，故现代MOS工艺中常用离子注入技术调整沟道区局部N来调整VToxsoxBTCqNCQVmax Ns为注入剂量综上所述：407.2 MOSFET的阈值电压二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析1.偏置电压的影响2.栅电容Cox3.功函数差ms4.衬底杂质浓度的影响5.氧化膜中电荷的影响界面态电荷（界面陷阱电荷）半导体表面晶格周期中断，存在“悬挂键”（高密度局部能级）。束缚电子带负电荷，俘获空穴则带正电荷。这种由悬挂键引起的表面电子状态称为表面态，与SiO2交界，又称界面态其带电状态与能带弯曲有关，且有放电驰豫时间

8、，应尽量降低其密度41固定氧化物电荷可动离子电荷电离陷阱电荷位于界面SiO2侧20nm的区域内，密度约1011cm-2，带正电荷。一般认为是界面附近存在未充分氧化的Si离子过剩硅离子及氧空位特点：固定正电荷，不随表面势或能带弯曲程度而变化 与硅掺杂浓度及类型无关，与SiO2膜厚度无关 与生长条件（氧化速率）、退火条件和晶体取向有关起因于进入SiO2层中的Na+、K+、Li+等轻碱金属离子及H+离子特点：室温可动，温度和电场作用可使之移动。X-射线、射线、高能/低能电子束等照射SiO2膜时产生电子-空穴对，若同时存在电场，则电场使电子-空穴分离，正栅压的电场使部分电子移向栅极并泄放，多余空穴在未

9、被硅侧电子补偿时积聚在界面附近形成正电荷层4243 上述4种电荷的作用统归于Qox等效电荷 电荷本身与半导体表面的距离不同，对表面状态的影响也不同。距离越近，影响越强。故等效为界面处的薄层电荷 由VT、Qox及N的共同作用使器件呈增强型或耗尽型 对n-MOS：Qox若较大，则易为耗尽型。欲得增强型，需控制Qox，并适当提高衬底浓度 对p-MOS：VT总是负值，易为增强型。欲得耗尽型，需采用特殊工艺或结构，如制作p预反型层，或利用Al2O3膜的负电荷效应，制作Al2O3 /SiO2复合栅等。44n当NA1015cm-3时， VT随NA上升明显，且逐渐由负变正n随Qox增大，转变点对应的NA增大n

10、当Qox1012cm-2时，即使NA1017cm-3，仍有VT0)，可以n提高衬底浓度NAn降低氧化层中电荷量Qox457.2 MOSFET的阈值电压三、关于反型程度划分的讨论 在以前的讨论中，以表面势达到2倍费米势，即反型层载流子浓度等于体内多子浓度为表面强反型的标志 实际上，MOS器件工作在不同的栅压下，其反型程度和反型载流子浓度变化规律也不同4647kTVqikTqVpskTVqikTqVpssFsFsseneppenenn)(0)(0 MOS结构中半导体表面电荷密度与表面势的关系0000;2;0pspsFsissFspspssnppnVnpnVppnnV 反型：耗尽：平带：48002*

11、,2*)( 0* ：1BssFnBsFsFsFiFspnVQpnVEEV ，强反型很小但开始出现并，弱反型，能带由平带弯曲至，耗尽，划分 ，强反型强反型开始中反型中反型开始弱反型弱反型开始，耗尽：划分sFFFsFFFsFFFsVqkTnqkTnqkTnVVV 2*2 ,22*2 ,2* 0*2HO MOLO49弱反型区dVs/dVGB较大，且近似为常数，而强反型时斜率变得很小，中反型区过渡综上所述：1、Vs=2F时，ns=pB0，但Qn很小，故在前述讨论中忽略是合理的2、 Vs=2F时，Qn很小，以至在中反型区内变化缓慢，其屏蔽作用 和xdmax的真正实现都有较大误差。故当VGB较大时，假定V

12、s=2F进入强反型，才不会引入太大误差。3、强反型需要Qn的屏蔽作用，使xd xdmax。 Vs=2F时，ns=pB0是以所用衬底的浓度为标准，若NA很低，则ns也将很小，故是相对标准，不能保证屏蔽作用。50soxGVVV517.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲线一、MOSFET的电流-电压特性二、MOSFET的特性曲线三、MOSFET的直流参数527.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲线一、MOSFET的电流-电压特性目的：方法：获得IDS随VGS和VDS的变化关系，即),(DSGSDSVVfI )()()()()(2)()(2)()(),()(),(),(0yxqNyQyQy

13、QyQVyVVCyQVyVCyQVdxWyxnqyQyxJyxndABBsnFBFGSoxsFBFoxsGSxnd 其中，可求得由形成电流在电场作用下，沟道中根据欧姆定律： BCoxGVFB53xyxnnp0y1y2y3ynxyzx, y, znnn05455假设：1.源接触电极与沟道源端之间、漏接触电极与沟道漏端之间的压降可忽略2.反型层中载流子的迁移率n为常数3.沟道电流为漂移电流4.沟道与衬底之间的反向泄漏电流为零5.跨过氧化层而保持反型层电荷的沿 x 方向的电场分量Ex与沟道中使载流子沿沟道长度y方向运动的电场分量Ey无关，且 即满足缓变沟道近似yExEyx 沟道电场y方向变化很小Y方

14、向电场也很小56计算：强反型情况下，离开源端y处，表面感应总电荷面密度Qs(y)()()(yQyQyQBns 沟道电流ID沿沟道y方向产生压降V(y)，此时表面势FsyVyV 2)()( MOS结构强反型所需栅压FBsoxGSVyVyVV )()(其中oxoxoxsoxtyECyQyV )()()(故表面开始（已经）强反型时2)()(2)()(FBFGSoxsFBFoxsGSVyVVCyQVyVCyQV BCoxGVFB57此时，场感应结耗尽层中（电离受主）电荷面密度2102)(2)()(FAdAByVqNyxqNyQ p-n结外加电压p-n结接触电势差则)(2)()()()(maxTGSox

15、oxBFBFGSoxBsnVyVVCCQVyVVCyQyQyQ 说明强反型后，多余的VGS用于Qn(y)由欧姆定律dydVyxnqEqyxnEyxyxJnyny),()(,(),(),( 2)()(FBFGSoxsVyVVCyQ 58dydVyQWdxyxqndydVWdxWdydVyxnqdSyxJyIdxWdSdydVyxnqEqyxnEyxyxJnnxnxnnnynydd)( ),(),(),()(),()(,(),(),(00 ）积分，则有对沟道横截面积（ DSVTGSoxnLDSTGSoxnnDSTGSoxnnDSdVyVVVCWdyIdVyVVVCWdyyIdyIdydVyVVVC

16、WyII00)()()()()( 21)(2DSDSTGSoxnDSVVVVLCWI n沟MOSFET基本I-V方程5921)(2DSDSTGSoxnDSVVVVLCWI 件结构和材料的参数因子，是一个取决于器称令 LCWoxn 21)(2DSDSTGSVVVV 近似线性关系与即时，当DSDSDSTGSDSTGSDSVIVVVIVVV,)()( 因为，当VDS很小时，沟道压降影响甚微，沟道中各处电子浓度近似相同，整个沟道近似为一个欧姆电阻，其阻值为：TGSnoxTGSDSDSVVWLtVVIVR 1)(10 60VDSIDSVGSVGS IDsatVGS-VTIDsat非饱和区近似线性关系与即

17、时，当DSDSDSTGSDSTGSDSVIVVVIVVV,)()( 因为，当VDS很小时，沟道压降影响甚微，沟道中各处电子浓度近似相同，整个沟道近似为一个欧姆电阻，上升变缓随项增大，增大，随着DSDSDSDSVIVV221* 因为VDS增大，沟道压降V(y)由源到漏上升，使栅绝缘层上压降由源到漏下降，反型层逐渐减薄，QB增加，Qn减小oxoxBTGDDSGSnTGSDSVCyQVVVVLQVVV )(；0)(max）；（时，当 此时，沟道漏端反型层消失，沟道被夹断（预夹断），漏极电流达最大值Idsat称饱和漏源电流2)(2TGSDsatVVI 沟道夹断在y=L点时对应的VDS=VGS-VT，称

18、为饱和漏源电压VDsat=VDsat 夹断点处保持V(y)=VDsat=VGS-VT的沟道压降，并随VDS的增加而向源端移动，夹断点与沟道漏端之间形成夹断区);TDSGSGDTGSDSTGSDSVVVVVVVVVV 时，（当 增加的漏源电压降落在夹断区上，夹断区电场增大，缓变沟道近似不再成立近似在饱和区以2)(2TGSDSVVI 6162关于绝缘层中的电场Eox：在源端y=0，tox两侧压降Vox为VGS(VT)，Eox由栅极指向源极随y增大，V(y)，tox两侧压降为VGS-V(y), Eox由栅极指向沟道区在夹断点，V(y)=VGS-VT(VDsat)， tox两侧压降为VT， Eox由栅

19、极指向沟道区在夹断点漏端侧某处V(y)=VGS，Vox=0， Eox=0对于耗尽型nMOSFET，VTVGS，则在夹断点源端侧有Eox=0金属栅极SiO2n+n+y0LtoxSDGVGSVGSV(y)0VGSVGSVGSVGS-VTEox=0VDS参见p27163曾经假设沟道载流子迁移率为常数实际上，由于Ex的散射，以及半导体表面存在更多的缺陷和其它散射中心，使沟道载流子迁移率比体内的迁移率低得多另外，迁移率的变化与垂直方向场强Ex密切相关关于沟道中载流子迁移率647.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲线二、MOSFET的特性曲线1、输出特性曲线DsatVDSI非饱和区饱和区截止区输出特

20、性曲线描绘IDSVDS(VGS)关系曲线分4个区：非饱和区：VDSVdsat,，IDSVDS近似线性关系，可调电阻区饱和区：VDsatVDSBVDS，沟道漏端夹断，IDS达饱和值IDsat截止区：半导体表面没有强反型导电沟道，仅有反向漏电流击穿区：反偏漏-衬结击穿，IDS剧增65图(a)是以衬底电位为参考点，以VGB为参量的输出特性图(b)是以源极电位为参考点，以VGS为参量的输出特性由于参考电位的不同，图(a)相当于图(b)向右平移VSB，即VDB比VDS大VSB， VDB=VDS+VSB同时，VGB=VGS+VSB（左、右两图中对应曲线的沟道导电状况相同）衬底偏置（背栅）的作用66均以源极

21、为参考电位时，随衬底反偏增大，漏极电流减小 衬底反偏增大使半导体表面耗尽层加宽，电荷增加，反型沟道中载流子（电荷）减少，导电能力减小21)(2DSDSTGSoxnDSVVVVLCWI msiABSsAoxoxoxTnVnNqkTVyVVqNCCQVln2)(21210计算电流-电压方程时仅考虑了V(y)的作用，未计入VBS677.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲线二、MOSFET的特性曲线2、转移特性曲线 作为电压控制器件，转移特性表征栅源输入电压VGS对漏源输出电流IDS的控制能力 与JFET一样，MOSFET的转移特性可从输出特性曲线族上得到耗尽型MOSFET增强型MOSFET68

22、耗尽型增强型P沟n沟P沟n沟电路符号转移特性输出特性697.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲线三、MOSFET的直流参数1、阈值电压VTFoxBoxoxmsTCQCQVV 2maxiDoxdDoxoxmsTpiAoxdAoxoxmsTnnNqkTCxqNCQVVnNqkTCxqNCQVVln2ln2maxmaxiABSFAoxoxoxmsTnnNqkTVyVqNCCQVVln2)(221210对耗尽型器件，又称夹断电压；对增强型器件，又称开启电压它是通过VGS的变化，使导电沟道产生/消失的临界电压，是VGS能够：抵消金-半接触电势差补偿氧化层中电荷建立耗尽层电荷（感应结）提供反型的2倍

23、费米势707.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲线三、MOSFET的直流参数2、（最大）饱和漏源电流IDSS定义：当VGS=0时的饱和漏源电流。对于耗尽型MOSFET，VGS=0时已有导电沟道。IDSS对应于VGS=0时输出特性曲线饱和区的电流值，或者转移特性曲线与纵轴的交点。（不同于IDsat）沟取负号沟取正号pnVLWtVLCWIVVLCWIIIToxToxnDSSTGSoxnDsatVDsatDSSGS 2022022)(2可见：IDSS与原始沟道导电能力有关：宽长比、迁移率、原始沟道厚度(VTns)、Cox 717.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲线三、MOSFET的直流

24、参数3、截止漏电流4、导通电阻 对于增强型MOSFET，VGS=0时，源、漏之间为两背靠背的p-n结，VDS作用下，VGS=0时的IDS为截止漏电流。 实际上是p-n结的反向漏电流，对Si-p-n结主要是势垒产生电流。 工作在非饱和区的MOSFET，当VDSVGS-VT时，输出特性是直线（线性区），沟道的导电能力相当于一个电阻（压控电阻）。定义：VDS很小时，VDS与IDS之比为导通电阻，记为Ron.TGSnoxTGSDSDSonVVWLtVVIVR1)(10 DSononRRRR*727.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲线三、MOSFET的直流参数5、栅源直流输入阻抗RGS6、最大耗

25、散功率PCM栅源直流绝缘电阻。取决于栅氧化层的绝缘电阻值。一般在109以上。MOSFET输入阻抗远高于BJT和JFETDSDSCVIP耗散功率PC将转变为热量使器件升温，性能劣化。保证器件正常工作所允许的PC为PCM，或称最大功耗。MOSFET的耗散功率主要耗散在沟道区，特别是夹断区。737475现象：IDSS很大，超出设计要求，夹断电压高。原因：衬底材料杂质补偿严重；栅绝缘层中正离子过多。现象：夹不断。还有点漏电。原因：栅极断裂；局部沟道穿通；p-n结退化，漏电。现象：漏源穿通，短路。原因：栅氧化层断裂；扩散沾污使漏源短路；光刻针孔 导致漏源经铝栅短路。76现象：跨导小原因：工艺原因造成漏、

26、源串联电阻过大； 工艺原因造成表面迁移率严重下降。现象：驼背，过渡区出现塌陷原因：对版不准现象：饱和特性不好，饱和区不够平坦。原因：衬底材料电阻率太高； 工艺原因导致沟道显著变短。77现象：低击穿，击穿电压低。原因：扩散时磷沾污，在漏结处出现合金点； 各种原因导致沟道变短，源漏势垒穿通； p-n结劣化，击穿电压下降。现象：尾巴原因：源漏电极与源漏扩散区接触不良，测试探针与 电极接触不良；源漏区掺杂浓度低； 使VDS经一个接触压降后才起作用。现象： VGS0时，图示仪显示双线。原因：衬底接地不良。78现象：VGS0的曲线漂移原因：可动离子沾污；磷硅玻璃中磷含量大；现象：栅电流大，栅源短路。原因：

27、栅氧化层针孔；栅氧化层破坏。797.4 MOSFET击穿特性一、漏源击穿二、MOSFET的栅击穿807.4 MOSFET击穿特性一、漏源击穿 1、漏源雪崩击穿n漏-衬底p-n结雪崩击穿n沟道雪崩击穿n雪崩注入现象n雪崩注入现象应用栅调制击穿漏源击穿栅击穿雪崩击穿势垒穿通栅调制沟道雪崩寄生晶体管81栅电极覆盖情况衬底电阻率和结深氧化层厚度栅极电压极性和大小n漏-衬底p-n结雪崩击穿 栅调制击穿82一、漏源击穿 1、漏源雪崩击穿n沟道雪崩击穿（沟道击穿） 在夹断区，特别是短沟器件中，VDS在沟道方向上建立较强电场，使沟道中载流子通过碰撞电离和雪崩倍增产生大量电子-空穴对。与沟道载流子同型的载流子汇

28、入沟道电流，导致漏极电流剧增而击穿，相反型号载流子通常被衬底吸收，形成寄生衬底电流的一部分。83n雪崩注入现象（热载流子效应）漏（源）对衬底的击穿电压蠕变：时间约1秒；在处ID越大，转移越快；在处降低VD，再加压，直接呈现 ；在500退火后，重新测试，呈现并转移到 。此现象由雪崩注入引起：即漏结雪崩过程产生的电子或空穴注入到栅氧化层中，使之带电。栅氧化层带电将屏蔽栅电场，使漏极电场减弱。这时要达到击穿临界场强，必须提高漏极电压VD，故表现为击穿电压增大击穿电流越大，可能注入的载流子（电荷）越多，漏极击穿电压蠕动越快84nSi中电子进入SiO2需越过3.15eV的势垒，越过势垒的概率为2.810

29、-5nSi中空穴进入SiO2需越过3.8eV的势垒，越过势垒的概率为4.610-8n电子比空穴更容易注入最终决定注入载流子类型的是栅源之间电场的方向： n沟器件的电场促进空穴的注入 p沟器件的电场促进电子的注入故p沟MOSFET的雪崩注入现象更为显著85n雪崩注入现象的应用（EPROM）浮置栅雪崩注入MOS器件（FAMOS）Floating gate Avalanche injection MOS迭栅雪崩注入MOS器件（SAMOS）Superposed gate Avalanche injection MOS 多晶硅栅被包在SiO2中，形成浮置栅极。当VDS使漏结雪崩时，电子注入浮栅，并逐渐使

30、表面反型而出现导电沟道（写入）。 在浮栅SiO2上再做一外栅作为控制栅极，浮栅作为存储栅。雪崩时，在控制栅上加正电压可促进电子的注入，故可在较低漏压下使浮栅存储较多电荷 当用紫外光照射或在控制栅上加较大偏压时，浮栅电子吸收光子能量或在电场作用下，再次越过势垒，通过衬底或外栅释放（擦除）86一、漏源击穿 2、漏源势垒穿通短沟器件漏源耐压的限制因素之一 VDS作用于n+-p-n+之间（n-MOSFET)，对源n+-p结为正偏，对漏p-n+为反偏。 在短沟道器件中，沟道杂质浓度又较低时，反偏漏p-n+结空间电荷区向源端扩展至与源n+-p结空间电荷区相连时，发生漏、源势垒穿通。 此时，正偏源结注入，反

31、偏漏结收集，电流IDS急剧增大，发生势垒穿通下的漏源击穿。 按单边突变结近似，BVDS下耗尽层宽度等于沟道长度时：022102)2(LqNBVLqNBVxBCDSBCDSm 87一、漏源击穿 2、漏源势垒穿通短沟器件漏源耐压的限制因素之一漏源穿通导电的机理与双极晶体管基区穿通的机理有相似之处，也有区别: 对于MOST，从开始穿通再增加VDS时，由于两势垒区电场、电势的重新分布，从源到沟道区的电子的势垒高度随之降低，从而导致漏极电流上升。 双极晶体管从基区穿通开始增加Vce时，同样引起势垒区电场、电势重新分布，从发射区到基区的势垒高度降低。结果使集电极电流很快上升。实验发现，MOSFET的Vpt

32、的实测值要比按简单一维理论的估算值高很多， 简单一维理论认为漏源两PN结势垒连通就是穿通。未穿通前M0ST的源结或为零偏或为反偏（取决于衬底偏置），刚开始穿通时源到沟道区的势垒很高，必须将VDS增加到足够高才会使势垒高度降下来，并引起电流急剧增大。 在双极晶体管中未穿通前的发射结是正偏的、穿通时的势垒已经比较低，只要稍稍增加一点Vce就足以使Ic开始急剧增大，所以一维理论的估算值与实测是一致的。更为重要的是，在M0ST中要考虑到栅极电位对穿通电压的作用。 栅极电位低于漏极电位时，漏区发出的场强线的一部分终止在栅电极，改变近表面处漏pn结势垒宽度，使之趋向于缩小，因而更不容易穿通。 881.栅调

33、制击穿2.沟道雪崩倍增击穿3.漏源（势垒）穿通4.寄生NPN晶体管击穿漏源雪崩击穿897.4 MOSFET击穿特性二、MOSFET的栅击穿n当VGS=BVGS时，栅极下面绝缘层被击穿n是不可逆击穿，一般使栅极与衬底短路而使器件失效n理论上，栅氧化膜的击穿场强为(510)8106V/cm，且随氧化膜质量而下降n击穿时，击穿点电流密度可达1061010A/cm2，峰值温度4000Kn由于栅绝缘层有很高的绝缘电阻，栅电容很小，栅氧化层很薄，所以，要特别注意MOS器件的栅保护问题n测试和使用时，要十分小心避免静电，存放时使各极短路及使用防静电包装n在器件设计时，在栅输入端引入保护结构907.5 MOS

34、FET频率特性一、MOSFET的低频小信号等效电路 1、低频小信号参数 2、低频小信号模型 3、交流小信号等效电路二、MOSFET的高频特性 1、跨导与频率的关系 2、截止频率fT 3、最高振荡频率fM 4、沟道渡越时间t三、提高MOSFET频率性能的途径 1、提高迁移率 2、缩短沟道长度 3、减小寄生电容917.5 MOSFET频率特性一、MOSFET的低频小信号等效电路 1、低频小信号参数+ - +- +SDGBVDS0VGS0VSB0IDnMOSFET的栅跨导gm(跨导）n小信号衬底跨导gmbn小信号漏端电导gdsn电压放大系数VGSID+ID+ - +- +SDGBVDS0VGS0VS

35、B0- +cVVGSDSmBSDSVIg ,nMOSFET的栅跨导gm(跨导）n小信号衬底跨导gmbn小信号漏端电导gdsn电压放大系数cVVBSDSmbGSDSVIg ,nMOSFET的栅跨导gm(跨导）n小信号衬底跨导gmbn小信号漏端电导gdsn电压放大系数VBSID+ID+ - +- +SDGBVDS0VGS0VSB0- +cVVDSDSdsBSGSVIg ,nMOSFET的栅跨导gm(跨导）n小信号衬底跨导gmbn小信号漏端电导gdsn电压放大系数VDSID+ID+ - +- +SDGBVDS0VGS0VSB0- +cIGSDSDSVV nMOSFET的栅跨导gm(跨导）n小信号衬底

36、跨导gmbn小信号漏端电导gdsn电压放大系数VGSIDS=c+ - +- +SDGBVDS0VGS0VSB0- +VDS- +92MOSFET的栅跨导gm(跨导）cVVGSDSmBSDSVIg ,漏极电流微分增量与栅源电压微分增量之比，表示栅源电压VGS对漏极电流IDS的控制能力与JFET的跨导有相同的意义21)(2DSDSTGSDSVVVVI DSmVg 器件工作在非饱和区时，跨导gm仅随漏极电压VDS线性增大)()(2 2TGSmsTGSDsatVVgVVI 在饱和区中，跨导gms仅随栅源电压VGS线性变化实际MOSFET中的附加串联电阻导致跨导的实际值低于理论值。实际作用在沟道上的有效

37、栅压： 实际起作用的漏源电压：SDGSGSRIVV)(DSDDSDSRRIVV SmmmsDSdlSmmmRgggRRgRggg 1;)(1*93 两者沟道导电能力随栅源电压变化规律不同。在JFET中是VGS的平方根与沟道厚度关系。 两者VGS的范围也不同。VDSIDSVGS=0VGS0MOSFETJFETJFET的线性关系而不同于因DSnGSIQVMOSFET的跨导 RLWtCggoxoxmsm、：因子),()( 21)(2DSDSTGSDSVVVVI 非饱和区跨导与VGS、VDS有关饱和区跨导仅与VGS有关非饱和区跨导gm仅随VDS线性增大饱和区，跨导gms仅随VGS线性变化欲使94小信号

38、衬底跨导gmbcVVBSDSmbGSDSVIg ,漏极电流微分增量与衬底偏置电压微分增量之比，表示衬底偏置电压VBS对漏极电流IDS的控制能力背栅：衬底偏置表面耗尽层厚度空间电荷面密度反型层 电荷密度沟道导电能力计及空间电荷（耗尽层）影响的I-V方程为：)2()2(3221)2(23232FFDSDSDSFGSDSVVVVI 与空间电荷有关项BSV BSV )2()2(221210BSFBSFDSAnmbVVVLqNWg VDS构成V(y)VBS构成反偏按p-n结电压-电荷规律95半导体器件物理与工艺美施敏p223)(2)()()()(maxTGSoxoxBFBFGSoxBsnVyVVCCQV

39、yVVCyQyQyQ 21)(2DSDSTGSoxnDSVVVVLCWI理想结构中忽略或归入VT关于表面（场感应结）耗尽层电荷关于表面势Vs和2倍费米势)2()2(3221)2(23232FFDSDSDSFGSDSVVVVI 2)(22)()(2)(2)()()()(00maxmaxFAFGSoxnFAdABBsnyVqNyVVCyQyVqNxqNyQyQyQyQ -VFB-VFBBSV BSV BSV BSV 半导体表面电势和其特征值的关系96msiABSFAoxoxoxTnVnNqkTVyVqNCCQVln2)(221210 从VT通式（7-22）(y)带入dydVyVVVCWyIITGS

40、oxnnDS)()( （7-52）dyydVVyVqNCyVVVCWIBSFAoxFFBGSoxnDS)()(2(21)(2210 从y=0,V(0)=0到y=L,V(L)=VDS积分，可得)2()2()2(3221)2(23232102BSFBSFDSoxADSDSFFBGSDSVVVCqNVVVVI 9769)-(7 )2()2(3221)2(23232BSFBSFDSDSDSFFBGSDSVVVVVVVI )2(23)2()2()2(3221)()2(23)2()2()2(3221)2(2)2(21232321022123232102210DSFBSFDSBSFoxADSDSTGSDSF

41、BSFDSBSFoxADSDSoxFADSFFBGSVVVVCqNVVVVVVVVCqNVVCqNVVVQBmax11)-(6 )()(232232300GSDGSDDSDDSDVVVVVqNaVGI张屏英晶体管原理P2579869)-(7 )2()2(3221)2(23232BSFBSFDSDSDSFFBGSDSVVVVVVVI )2(23)2()2()2(3221)()2(23)2()2()2(3221)2(2)2(21232321022123232102210DSFBSFDSBSFoxADSDSTGSDSFBSFDSBSFoxADSDSoxFADSFFBGSVVVVCqNVVVVVVVV

42、CqNVVCqNVVVQBmax 第一项与（7-54）相同，表示栅绝缘层电容控制的表面场效应晶体管的电特性 第二项与（6-11）相似，表示沟道压降和衬底反偏作用下，场感应结非平衡，耗尽层宽度随之变化的电特性，即JFET特性11)-(6 )()(232232300GSDGSDDSDDSDVVVVVqNaVGI 其中，2FVD;VBSVGS 可看作理想MOS与JFET的并联99小信号漏端电导gdscVVDSDSdsBSGSVIg ,漏极电流微分增量与漏源电压微分增量之比，表示漏源电压VDS对漏极电流IDS的控制能力)(21)(2DSTGSdsDSDSTGSDSVVVgVVVVI 得由 gds随VD

43、S增大而线性减小，即由非饱和区向饱和区，IDS随VDS的变化趋缓，以至进入饱和区不再随VDS变化 在线性区，VDS很小，忽略后msTGSdsldsgVVgg)( 且正是导通电阻的倒数。TGSnoxTGSDSDSonVVWLtVVIVR1)(10 100电压放大系数cIGSDSDSVV 漏源电压微分增量与栅源电压微分增量之比，表示漏极电流IDS不变，漏源电压VDS与栅源电压VGS之间的相对变化关系dsmDSTGSDSDSDSTGSDSggVVVVVVVVI 零，得取全微分，并令其等于由21)(20221 dsDSTGSoxnDsatgVVVLWCI无关，得与由)(动态电阻无穷大，但实际MOSFE

44、T的动态电阻都是有限值，因为：1、沟道长度调制效应 2、漏区电场的静电反馈效应在饱和区101沟道长度调制效应VDSVDsat后，夹断点向源端移动，形成夹断区，使沟道有效长度缩短21)(2TGSoxnDsatVVLWCI L减小，则IDsat增大，说明沟道长度减小，电阻减小。DSDsatDSDsatDsatDsatTGSeffoxnDsateffdVLdLLLIdVdIgLLIVVLWCILLL)()1 ()1 ()(22*121* 带入，得以为有限值102漏区电场的静电反馈效应发自漏区的电力线有部分终止在沟道载流子电荷上，导致随漏源电压增大，沟道电子密度增大，沟道电导增大，漏源电流不完全饱和。

45、 沟道较短，衬底浓度较低时，漏-衬结和沟-衬结的耗尽层随VDS很快扩展，103一、MOSFET的低频小信号等效电路 2、低频小信号模型DSdBSmbGSmDSCVVDSDSBSCVVBSDSGSCVVGSDSDSVgVgVgVVIVVIVVIIBSGSDSGSBSDS )()()(,00 BSGSII SDGBgdDSI GSV BSV DSV GSmVg BSmbVg 104一、MOSFET的低频小信号等效电路 3、交流小信号等效电路GSDBgsCgsCgdCgdCbsCbdCTCC本征部分MOSFET小信号参数物理模型SGD0Ly沟道SiO2衬底MOSFET的R、C分布参数模型105DSd

46、GSmDSDSdBSmbGSmDSdVgdVgdIVgVgVgI 衬底偏置不变 dsdgsmdugugi dDSDSidII dtduCdtduCigdgdgsgsg SGDgdCgdCgsCgsRgsCSRDRdsCgsmg dgMOSFET小信号参数等效电路dtduCugugigdgddsdgsmd 1、栅极电位变化引起沟道电导变化形成交变漏极电流2、输出交变电压在漏导上形成电流3、栅极电压变化对栅漏电容充放电电流106SGDgdCgsC1SR2DRgdCgsCgsRgsmg dgB1SR1gR4gR2gR3gR1DR1bR4bR2bR3bRgbCbsCdsCTCCTCCbdC较完整的MO

47、SFET小信号等效电路Cgs栅源之间分布电容的等效电容Cgd等效的栅漏电容Rgs对栅源电容充放电的等效沟道串联电阻(2/5Ron)Rs、Rd源、漏区串联电阻CVGSchgsDSVQC CVGDchgdGSVQC CVVGSIgsGSDSVQC JFET107与JFET比较：（估算）饱和区线性区中gdgsgdgscVDSIgdcVVGSIgsCCCCCCVQCVQCggGSGSDS2121JFET0;3221;MOSFETgdGgsGgdGgscVDSchgdcVGSchgsCCCCCCCVQCVQCGSDS饱和区线性区中1、Cgd定义相同，在线性区各为CG(Cg)的一半2、Cgs定义不同，JF

48、ET为CG的一半；MOSFET为CG3、饱和区MOSFET：Cgs占大半，Cgd0oxGWLCC QI、Qch之与Cgs1087.5 MOSFET频率特性二、MOSFET的高频特性 1、跨导与频率的关系 2、截止频率fT 3、最高振荡频率fM 4、沟道渡越时间tCgsRgsRLrdsgmsug+-+-usuoug+-等效电路输出特性及负载线0 gdC饱和区输入输出+VDDRARBRLMOST线性放大器基本电路109dsLdsLgmsogsgssgsgsgssgrRrRuguCRjuCjRCjuu 111gsuu 低频时dsLdsLmssorRrRguu 低频低频电压放大系数)(msLsoLds

49、gRuuRr 低频时，当)(饱和状态，沟道夹断，沟道电阻增大CgsRgsRLrdsgmsug+-+-usuoug+-110高频时mgmsgsgsmsmsdsLdsLmsdsLdsLgsgsmssojgCRjggrRrRgrRrRCRjguu 11)()(1)(其中高频高频下饱和区跨导msmsggsgsgggCRmm21)(,1 时，当被称为跨导截止角频率mg 21)(也下降为低频值高频souu的结果实际起作用的栅压变化高频分压比的变化导致、也是的，充放电的延迟时间产生通过等效沟道电阻实际上是栅源电容gsgsgsgsgCRRCm 21)(41532)(1521LVVCVVCRTGSnGTGSgs

50、gsgm oxGWLCC LCWoxn 1112、截止频率fTCgsRgsRLrdsgmsug+-+-usuoug+-gdCgsCdsCigid计算fT的等效电路（3个电容）定义：当输入电流ig与交流短路输出电流id相等时对应的频率，记为fT. 输入回路中，Cgs的容抗随f的上升而减小，使ig上升，同时ug下降，gmug也下降。11gdsgsgssmsdgdgsgsgsgssgCjuCRjugiCjCRjCjCjui 21gdgsgsmsTCCCgf 取了一级近似11221gdgsgsmsTCCCgf 2)(432 LVVCgfCCCTGSngsmsTgdgsgs 时，、当LWCVVgWLCC

51、CoxnTGSmsoxGgs )(32322)(415LVVTGSngm 同，但本质相同。不同，因为定义标准不相比，内容相同，系数与gm跨导（截止角频率）从电压对电流的关系（电压放大系数）定义标准截止频率从电流对电流的关系定义标准，要计入3个电容但是，它们都是Cgs上电压ug随频率的变化关系的反映，仅角度不同。113寄生参数的影响：3个电容gsC并联在输入端，对Cgs起分流作用，帮助Cgs增大igdsC并联在输出端，对输出电流起分流作用，gmsug的一部分流过该电容，使id减小数为放大器的电压放大系其中soVuuA gdC连接在输入、输出端之间，使输入电容为)1 (gdVgsgsinCACCC

52、 密勒效应11, 0; 000 VVosVoLAAuuAuR故反相，与由于，实际放大器中)1 (1gdVsgsgssmsdCAjuCRjugi 此时)1 (21gdVgsgsmsTCACCgf 1143、最高振荡频率fMCgsRgsRL=rdsrdsgmsug+-usug+-计算fM的等效电路igidid/2 当功率增益Kp=1时对应的频率为最高振荡频率fM 当输入、输出端均共轭匹配，且认为反馈电容 时，有最大功率增益。0gdCgsdsgsmsioPdsgsgmsLgmsLdogsgiRrCgPPKrCigRugRiPRiP 222222241)(41)2()2( 输出功率输入功率ug115g

53、sdsgsmsioPRrCgPPK 22241 可见，随频率上升，KP下降。当KP=1时，对应的定义为最高振荡频率)2(MMf gsdsgsmsMRrCgf 41Cgs：减小，容抗上升，ug增大，使有效输入功率增大gms：增大，同样输入条件下，输出电流增大rds：增大，提高负载电阻（输出阻抗），同样电流下，功率提高Rgs：减小，提高ug，提高输入效率1164、沟道渡越时间t指载流子从源扩散区到达漏扩散区所需时间。沟道中各处电场不同 LdydVdyddydVdyd0 t tt t t t)(2)()()()(maxTGSoxoxBFBFGSoxBsnVyVVCCQVyVVCyQyQyQ 忽略了Q

54、Bmax随y的变化dyydVVyVVWCIdyydVyWQyITGSoxnDSnnn)()()()()( 常数，电流连续性）11721212121)1 (21)()1 (1)()()(,; 0)0(, 0)(21)()()()(LyVVLdyydVLyVVyVVVVVLVLyVycycyVyVVVcdyydVVyVVTGSTGSTGSDSDSTGSTGS 时得：边界条件：积分得)(34)1 ()(220210TGSnLTGSnLVVLdyLyVVLdydVdyd t tt tt t t t 25 Tgm1187.5 MOSFET频率特性三、提高MOSFET频率性能的途径 1、提高迁移率 2、缩

55、短沟道长度 3、减小寄生电容2)(415LVVTGSngm t t t t 25 Tgm)1 (21gdVgsgsmsTCACCgf 2)(432 LVVCgfTGSngsmsT1197.5 MOSFET频率特性三、提高MOSFET频率性能的途径 1、提高迁移率改进工艺：MOST的表面迁移率与SiO2-Si界面及其附近的带电中心、缺陷以及界面平整度密切相关，若采用合理的工艺，以获得低界面电荷、高平整度的优质栅氧化层，将会使表面迁移率大为提高。采用高迁移率材料：最有希望的材料是InP和GaAs。InP薄膜中的电子场效应迁移率的实测值高达7350cm2Vs。GaAs带隙宽，其电子迁移率也很高，然而

56、其相当高的界面态电荷密度又使其应用受到限制。利用Si3N4 膜做栅绝缘层可大大降低界面态密度。尽可能采用n沟MOSFET结构，np1207.5 MOSFET频率特性三、提高MOSFET频率性能的途径 1、提高迁移率采用埋沟结构：利用体内迁移率高于表面迁移率的特点，将导电沟道从表面移至体内。 导电沟道层用外延或离子注入法形成。MOST工作时，栅压使沟道最表面耗尽(甚至反型)。栅压变化时表面耗尽层宽度改变，导电沟道截面随之变化，从而调制漏极电流。可见，埋沟MOST的工作原理与JFET 或MESFET十分相似。埋沟器件一般工作于耗尽模式，但也可工作于增强模式。 1217.5 MOSFET频率特性三、

57、提高MOSFET频率性能的途径 2、缩短沟道长度Lateral Double Diffused MOSFETV-Groove MOSFET先后进行p及n+扩散，L取决于两次扩散结深之差轻掺杂漂移区有利于提高漏极耐压1227.5 MOSFET频率特性三、提高MOSFET频率性能的途径 3、减小寄生电容123与双极器件相比： MOSFET为多子器件，因其沟道迁移率随温度上升而下降，在大电流下沟道电流具有负的温度系数。这种电流随温度上升而下降的负反馈效应使MOS器件不存在电流集中和二次击穿的限制问题。 在小信号下，MOS器件的输出电流id与输入电压ug呈线性关系，而双极型器件电流与电压呈指数关系变化

58、。故其可在足够宽的电流范围内用作线性放大器。 MOS器件输入阻抗高，作功率开关时需要的驱动电流小，转换速度快；作功率放大时增益大且稳定性好。 MOSFET的不足之处在于饱和压降及导通电阻都较双极器件大。解决这方面的问题将是发展MOSFET的努力方向。 7.6 MOSFET功率特性和功率MOSFET结构1247.6 MOSFET功率特性和功率MOSFET结构一、MOSFET的功率特性 1、MOSFET的高频功率增益 2、输出功率和耗散功率 3、MOSFET的安全工作区(SOA)二、功率MOSFET结构三、功率MOS器件的导通电阻1257.6 MOSFET功率特性和功率MOSFET结构一、MOSF

59、ET的功率特性 1、MOSFET的高频功率增益 2、输出功率和耗散功率 3、MOSFET的安全工作区(SOA)1267.6 MOSFET功率特性和功率MOSFET结构一、MOSFET的功率特性 1、MOSFET的高频功率增益gsgssgssiRCjRRuP2)1( 输入功率：LgsmLooRugRiP22)21( 输出功率：2222)(414 TdsgsgsgsLmiopmgRRCRgppk CgsRgsRL=rdsrdsgmsug+-usug+-计算fM的等效电路igidid/2 当输入、输出端均共轭匹配，且认为反馈电容 时，有最大功率增益。0 gdC计入了源极串联电阻Rs但仅考虑Rgs上的

60、输入功率，故Kpm与Rs无关1277.6 MOSFET功率特性和功率MOSFET结构一、MOSFET的功率特性 2、输出功率和耗散功率MOSFET在甲类状态下运用时，输出电压的最大摆幅值为电流的最大摆幅值为)(21DsatDSVBV DsatI21)(81DsatDSDsatOMVBVIP 最大输出功率为：TAjmCMRTTP 最大耗散功率为：1287.6 MOSFET功率特性和功率MOSFET结构一、MOSFET的功率特性 3、MOSFET的安全工作区（SOA）不存在局部电流集中问题由： 最大漏极电流 漏源击穿电压 最大功耗线组成MOSFET的安全工作区大于双极型器件的安全工作区1297.6