Lecure 第六章MOS场效应晶体管ppt课件

1、 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui ProvinceMOSMOS场效应晶体管场效应晶体管及其及其I-VI-V特性特性 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui ProvinceOutline1 1、根本构造与任务原理、根本构造与任务原理2 2、线性区、线性区I-VI-V特性特性3 3、饱和区、饱和区I-VI-V特性特性4 4、截止

2、区、截止区I-VI-V特性特性5 5、亚阈值区、亚阈值区I-VI-V特性特性 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province场区场区有源区 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province是四端器件，氧化物栅的金属电极是栅极。通常把源和漏下是四端器件，氧化物栅的金属电极是栅极。通常把源和漏下方称为场区，而把栅极下区域

3、称为有源区。方称为场区，而把栅极下区域称为有源区。器件的根本参数是沟道长度器件的根本参数是沟道长度L两个两个PN+结之间的间隔，沟结之间的间隔，沟道宽度道宽度Z，氧化层厚度，氧化层厚度x0，结深，结深xj，以及衬底掺杂浓度，以及衬底掺杂浓度Na等。等。 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province以源极作为电压的参考点。当漏极加上正电压以源极作为电压的参考点。当漏极加上正电压VD，而栅极，而栅极未加电压时，从源极到漏极相当于两个背靠背的未加电压时，从源

4、极到漏极相当于两个背靠背的PN结。从结。从源到漏的电流只不过是反向漏电流。当栅极加上足够大的正源到漏的电流只不过是反向漏电流。当栅极加上足够大的正电压电压VG时，中间的时，中间的MOS构造发生反型，在两个构造发生反型，在两个N+区之间的区之间的P型半导体构成一个外表反型层即导电沟道。于是源和型半导体构成一个外表反型层即导电沟道。于是源和漏之间被能经过大电流的漏之间被能经过大电流的N型外表沟道衔接在一同。这个沟型外表沟道衔接在一同。这个沟道的电导可以用改动栅电压来调制。反面接触道的电导可以用改动栅电压来调制。反面接触(称为下栅称为下栅)，可以接参考电压或负电压，这个电压也会影响沟道电导。可以接参

5、考电压或负电压，这个电压也会影响沟道电导。 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Pr

6、ovince Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province1. 1. 忽略源区和漏区体电阻和电极接触电阻。忽略源区和漏区体电阻和电极接触电阻。2. 2. 沟道内掺杂均匀。沟道内掺杂均匀。3. 3. 载流子在反型层内的迁移率为常数。载流子在反型层内的迁移率为常数。4. 4. 长沟道近似和渐近沟道近以，即假设垂直电场和程度长沟道近似和渐近沟道近以，即假设垂直电场和程度电场是相互独立的。电场是相互独立的。5. 5. 长沟道近似矩形沟道近似，即沿沟道长度方向上

7、长沟道近似矩形沟道近似，即沿沟道长度方向上 沟道宽度的变化量与沟道长度相比可以忽略沟道宽度的变化量与沟道长度相比可以忽略 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province栅极上加一正电压使半导体外表反型。假设加一小的漏源电压，栅极上加一正电压使半导体外表反型。假设加一小的漏源电压，电子将经过沟道从源流到漏。沟道的作用相当于一个电阻，且电子将经过沟道从源流到漏。沟道的作用相当于一个电阻，且漏电流漏电流ID和漏电压和漏电压VD成正比，这是线性区。可用一条恒定电

8、阻成正比，这是线性区。可用一条恒定电阻的直线来表示。的直线来表示。yx Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province支撑感应载流子电荷支撑感应载流子电荷QI在加上源漏之间的电压在加上源漏之间的电压VD之后，在之后，在y处建立电位处建立电位V(y) ，感应沟，感应沟道电荷修正为：道电荷修正为：由于沟道内载流子分布均匀，不存在浓度梯度，沟道电流只含由于沟道内载流子分布均匀，不存在浓度梯度，沟道电流只含电场作用的漂移项，且漂移电流为电子电流：电场作用的漂移项

9、，且漂移电流为电子电流：)(THG0IyVVVCQ(6-5-1)(6-5-2)yyyxnqyxj),(),(nI0nDd),(xyxyxnqZIyxQZxyxnyVZqIIn0nDId),(dd无关与xyVyd/d Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Provincey(0, L); V (0, VD)积分，得：积分，得：漏电流方程，称为萨支唐漏电流方程，称为萨支唐(Sah)方程。是描画方程。是描画MOSFET非饱和非饱和区直流特性的根本方程。区直流特性的根本

10、方程。由：由：留意：该方程假设留意：该方程假设VTH与与V无关无关yQZIInD)(THG0IyVVVCQyyddVVVVVCZyId)(dTHG0nD2)(2DTHGn0DVVVVLZCID(6-5-3)(6-5-4) Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province由阈值电压的方程：由阈值电压的方程：由于，由于，QB与沟道电压有关。思索沟道电压作用：与沟道电压有关。思索沟道电压作用：QB修正为：修正为：Si0B00msSi0BFBTHCQCQCQVVf

11、asSiasdmaB42NqNqxqNQ2/1SiasB)(2VNqQ(6-5-6)V( 2 2fSifSiy强反型条件变化强反型条件变化 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province修正为：修正为：于是，漏电流方程需求修正，即：于是，漏电流方程需求修正，即： )( 232)2(2/3Si2/3SiD0asD00SimsGn0DVCNqVVCQVLZCID2)(2DTHGn0DVVVVLZCID(6-5-7)(6-5-7)(6-5-4)(6-5-4)

12、Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province由于导电沟道上存在电压降，使栅绝缘层上的有效电压降从源由于导电沟道上存在电压降，使栅绝缘层上的有效电压降从源端到漏端逐渐减小，当端到漏端逐渐减小，当VDS很大时，沟道压降对有效栅压的影很大时，沟道压降对有效栅压的影响不可以

13、忽略，降落在栅下各处绝缘层上的电压不相等，反型响不可以忽略，降落在栅下各处绝缘层上的电压不相等，反型层厚度不相等，因此导电沟道中各处的电子浓度不一样，当漏层厚度不相等，因此导电沟道中各处的电子浓度不一样，当漏源电压继续添加到漏端栅绝缘层上的有效电压降低于外表强反源电压继续添加到漏端栅绝缘层上的有效电压降低于外表强反型所需的阈值电压型所需的阈值电压VTH 时，漏端绝缘层中的电力线将由半导时，漏端绝缘层中的电力线将由半导体外表耗尽区中的空间电荷所终止，漏端半导体外表的反型层体外表耗尽区中的空间电荷所终止，漏端半导体外表的反型层厚度减小到零，即在漏端处沟道消逝，而只剩下耗尽区，这就厚度减小到零，即在

14、漏端处沟道消逝，而只剩下耗尽区，这就称为沟道夹断。称为沟道夹断。)(THG0IyVVVCQ Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province进一步添加漏极电压，会使夹断点向源端挪动，但漏电流不会显著添加或进一步添加漏极电压，会使夹断点向源端挪动，但漏电流不会显著添加或者说根本不变，到达饱和；器件的任务进入饱和区。使者说根本不变，到达饱和；器件的任务进入饱和区。使MOS管进入饱和任管进入饱和任务区所加的漏一源电压为务区所加的漏一源电压为VDsat 。由：由：

15、0)(THG0IyVVVCQDsatTHG)(VVVLV2)(2DTHGn0DVVVVLZCID2THG0nDsat)(2VVLZCI(6-5-9)(6-5-9)(6-5-8)(6-5-8) Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province沟道被夹断后，当沟道被夹断后，

16、当VGS不变时，在漏不变时，在漏-源电压源电压VDS VDsat后，后，随着随着VDS的添加只是漏端空间电荷区展宽，对沟道厚度添加几的添加只是漏端空间电荷区展宽，对沟道厚度添加几乎没有作用。当漏一源电压继续添加到乎没有作用。当漏一源电压继续添加到VDS比比VDsat大得多时，大得多时，超越夹断点电压超越夹断点电压VDsat的那部分，即的那部分，即VDSVDsat将降落将降落在漏端附近的夹断区上，因此夹断区将随在漏端附近的夹断区上，因此夹断区将随VDS的增大而展宽，的增大而展宽，夹断点将随夹断点将随VDS的增大而逐渐向源端挪动，栅下面半导体外表的增大而逐渐向源端挪动，栅下面半导体外表被分成反型导

17、电沟道区和夹断区两部分。被分成反型导电沟道区和夹断区两部分。导电沟道中的载流子在漏源电压的作用下，源源不断地由源端导电沟道中的载流子在漏源电压的作用下，源源不断地由源端向漏端漂移，当这些载流子经过漂移到达夹断点时，立刻被夹向漏端漂移，当这些载流子经过漂移到达夹断点时，立刻被夹断区的强电场扫入漏区，构成漏极电流。断区的强电场扫入漏区，构成漏极电流。 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province假设假设MOS管进入饱和任务区后，继续添加管进入饱和任务区后，

18、继续添加VDS，那么沟道夹断点，那么沟道夹断点向源端方向挪动，在漏端将出现耗尽区，耗尽区的宽度向源端方向挪动，在漏端将出现耗尽区，耗尽区的宽度xd 随着随着VDS的增大而不断变大，经过单边突变结的公式可得的增大而不断变大，经过单边突变结的公式可得:aTHGSDSSd)(2qNVVVLLxDsataTHGSDSSDsatdDsatDsat)(2/IqNVVVLLIxLLLLII Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province漏源饱和电流随着沟道长度的减小漏

19、源饱和电流随着沟道长度的减小(由于由于VDS增大，漏端耗尽增大，漏端耗尽区扩展所致区扩展所致)而增大的效应称为沟道长度调变效应。这个效应会而增大的效应称为沟道长度调变效应。这个效应会使使MOS场效应晶体管的输出特性曲线明显发生倾斜，导致它的场效应晶体管的输出特性曲线明显发生倾斜，导致它的输出阻抗降低。输出阻抗降低。 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province用沟道调制系数用沟道调制系数来描画沟道长度调制效应：来描画沟道长度调制效应：饱和区的电流饱和区

20、的电流: :DSd1VLxDsatdDsatDsat/IxLLLLII2THG2THG0nDsat)(21)(2VVVVLZCI)1 ()(21SD2THGDsatVVVI(6-77)(6-78)(6-79)LZC0n Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province假设栅电压小于阈值电压，不会构成反型层，结果是假设栅电压小于阈值电压，不会构成反型层，结果是MOSFETMOSFET像是背对背衔接的两个像是背对背衔接的两个PNPN结一样，相互阻挠任何一方的电流结一样，相互阻挠任何一方的电流流过。晶体管在这一任务区域与开路类似。流过。晶体管在这一任务区域与开路类似。 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province当栅极电压略微低于阈值电压时，沟道处于弱反型形状，流当栅极电压略微低于阈值电压时