微电子器件第七章MOS场效应晶体管

1、微 电 子 器 件 原 理第七章 MOS场效应晶体管2第七章 MOS场效应晶体管7.1 基本结构和工作原理7.2 阈值电压7.3 I-V特性和直流特性曲线7.4 频率特性7.5 功率特性和功率MOSFET结构7.6 开关特性7.7 击穿特性7.8 温度特性7.9 短沟道和窄沟道效应37.1 MOSFET基本结构和工作原理一、MOSFET的基本结构二、MOSFET的基本工作原理三、MOSFET的分类4一、MOSFET的基本结构N沟道增强型MOSFET结构示意图7.1 MOSFET基本结构和工作原理图7-1 n沟MOSFET结构示意图 5一、MOSFET的基本结构7.1 MOSFET基本结构和工作

2、原理67一、MOSFET的基本结构7.1 MOSFET基本结构和工作原理87.1 MOSFET基本结构和工作原理9二、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” 当当VGS=0V时，漏源之间相当两个背时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在靠背的二极管，在D、S之间加上电压不之间加上电压不会在会在D、S间形成电流。间形成电流。 当栅极加有电压当栅极加有电压0VGSVT时，通过时，通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出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

3、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，所以不足形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不足以形成漏极电流以形成漏极电流ID。7.1 MOSFET基本结构和工作原理图7-2 MOSFET的物理模型10二、MOSFET的基本工作原理7.1 MOSFET基本结构和工作原理11二、MOSFET的基本工作原理栅源电压对沟道的影响7.1 MOSFET基本结构和工作原理12二、MOSFET的基本工作原理漏源电压对沟道的影响7.1 MOSFET基本结构和工作原理13三、MOSFET的分类类型n沟MOSFETp沟MOSFE

4、T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，则则也应减去相应电压也应减去相应电压33347.2 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)通过通过费米势（以及功函数）费米势（以及功函数）影响影响VTFoxBoxoxmsTCQCQVV 2maxiDFniAFpnNqkTnNqkTlnln 每每2个数量级约个数量级约0.1V(eV)影响不大影响不大真空真空E0EFMEcEvEFSEi

5、Ec(SiO2)Enm m oxc cc cs s csEE 0c c357.2 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)通过通过场感应结耗尽层空间电荷场感应结耗尽层空间电荷影响影响VTFoxBoxoxmsTCQCQVV 2max210maxmax2sAdABVqNxqNQoxACNFqF ;20设体效应系数体效应系数msiABSFoxoxTnVnNqkTVyVCQVln2)(221 36msiABSFAoxoxoxTnVnNqkTVyVqNCCQVln2)(2212

6、10 衬底杂质浓度越大，衬底杂质浓度越大，其变化对其变化对VT的影响越的影响越大，是因为杂质浓度大，是因为杂质浓度越大，越不易达到表越大，越不易达到表面强反型。面强反型。同时可见：同时可见：tox通过通过Cox影响影响VT图7-10 衬底杂质浓度对阈值电压的影响 37衬底反偏衬底反偏VBS通过通过NA(ND) 影响影响QBmax，从而改变从而改变VTmsiABSFAoxoxoxTnVnNqkTVyVqNCCQVln2)(221210 即不同的即不同的 NA下，下，VBS对对VT的影响也不同的影响也不同 1)22()2(21)2(2121max210210FBSFoxBFAoxBSFAoxTVC

7、QqNCVqNCV向负方向漂移（更负）增大，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图7-11 衬底偏置电压所产生的阈值 电压漂移随衬底浓度的变化 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iA

8、FnNqkTln imgmsnNqkTEqVln)2(1 c c210maxmax2sdBVqNxqNQ衬底杂质浓度衬底杂质浓度N可以通过可以通过F、Vms及及QBmax影响影响VT，其中影响其中影响最大者为最大者为QBmax，故现代故现代MOS工艺中常用离子注入技术调整工艺中常用离子注入技术调整沟道区局部沟道区局部N来调整来调整VToxsoxBTCqNCQVmax Ns为注入剂量综上所述：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态电荷（界面陷

9、阱电荷）（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，应尽量降低其密度图7-12 SiO2-Si系统中的电荷41固定氧化物电荷固定氧化物电荷可动离子电荷可动离子电荷电离陷阱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

10、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Vms、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

11、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Qox图7-13 室温下Al栅MOS结构VT随N、Qox变化的理论曲线（VBS = 0） 457.2 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

12、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图7-6 表面电子浓度与表面势的关系 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*,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

13、反型弱反型开始，耗尽：划分sFFFsFFFsFFFsVqkTnqkTnqkTnVVV 2*2 ,22*2 ,2* 0*2HO MOLO图7-14 耗尽层及反型层电荷及其总电荷 与表面势的关系曲线49弱反型区弱反型区dVs/dVGB较大，较大，且近似为常数，而强反且近似为常数，而强反型时斜率变得很小，中型时斜率变得很小，中反型区过渡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Vs=2F进入强反型，才不会引入太大误差。3、强反型

14、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。图7-15 表面势与栅-衬底电压的关系50soxGVVV图7-16 单位面积反型层电荷与栅-衬底电压的关系 517.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲线一、MOSFET的电流-电压特性三、MOSFET的特性曲线四、MOSFET的直流参数二、弱反型（亚阈值）区的伏安特性 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 )()(

15、)()()(2)()(2)()(),()(),(),(0yxqNyQyQyQyQVyVVCyQVyVCyQVdxWyxnqyQyxJyxndABBsnFBFGSoxsFBFoxsGSxnd 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： BCoxGVFB53xnnp0y1y2y3ynxyzx, y, znnn0MOSFET沟道中载流子分布示意图沟道中载流子分布示意图JFET沟道中载流子分布示意图沟道中载流子分布示意图xyy1y2y354图7-17 n沟MOSFET结构(a)及电荷分布(b)示意图55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

16、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)()(

17、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)()()()(maxTGSoxoxBFBFGSoxBsnVyVVCCQVyVVCyQyQyQ 说明强反型后，多余的VGS用于Qn(y)由欧姆定律dydVyxnqEqyxnEyxyxJnyny),()(,(),(),( 2)()(FBFGSoxsVyVVCyQ 58dydVyQWdxyxqndydVWdxWdydVyxnqdSyxJyIdxWdSdydVyxnqEqyxnEy

18、xyxJnnxnxnnnynydd)( ),(),(),()(),()(,(),(),(00 ）积分，则有对沟道横截面积（ DSVTGSoxnLDSTGSoxnnDSTGSoxnnDSdVyVVVCWdyIdVyVVVCWdyyIdyIdydVyVVVCWyII00)()()()()( 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,)()(

19、 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 60VDSDSI IDSDSV VGSGSV VGS GS IDsatVGS-VTIDsat非饱和区非饱和区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，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

20、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

21、)(2TGSDSVVI 6162关于绝缘层中的电场Eox：在源端在源端y=0，tox两侧压降两侧压降Vox为为VGS(VT)，Eox由栅极指向源极由栅极指向源极随随y增大，增大，V(y)，tox两侧压降为两侧压降为VGS-V(y), Eox由栅极指向沟道区由栅极指向沟道区在夹断点，在夹断点，V(y)=VGS-VT(VDsat)， tox两侧压降为两侧压降为VT， Eox由栅极指向沟道区由栅极指向沟道区在夹断点漏端侧某处在夹断点漏端侧某处V(y)=VGS，Vox=0， Eox=0对于耗尽型对于耗尽型nMOSFET，VTVGS，则在夹断点源端侧有则在夹断点源端侧有Eox=0金属栅极SiO2n+n+

22、y0LtoxSDGVGSVGSV(y)0VGSVGSVGSVGS-VTEox=0VDS63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关于沟道中载流子迁移率64亚阈值电流亚阈值电流 ：VGSVT时，器件处于弱反型状态的漏极电流时，器件处于弱反型状态的漏极电流从转移特性曲线可以看出：强反型导电到亚阈值导电是连续过渡的。从转移特性曲线可以看出：强反型导电到亚阈值导电是连续过渡的。亚阈值电流对器件的影响：亚阈值电流对器件的影响： 1.增大截止漏

23、极电流增大截止漏极电流 2.开关特性变坏（开关时间）开关特性变坏（开关时间） 3.增大动态功耗增大动态功耗 4.开关电路动态噪声容限开关电路动态噪声容限 5.动态电路结点电平的保持动态电路结点电平的保持 6.信号失真以及噪声信号失真以及噪声弱反型状态：弱反型状态：FSFV 2 7.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲线二、弱反型（亚阈值）区的伏安特性 存在亚阈值电流，且与强反型电流规律不同。65 无论长沟或短沟无论长沟或短沟MOSFET，ID并不在并不在VGSVT时突然截止，时突然截止，VGSVT时仍有微（较）小电流从漏极流向源极，这个电流被称为亚阈值电流或时仍有微（较）小电流从漏极流向源

24、极，这个电流被称为亚阈值电流或次开启电流，通常用次开启电流，通常用IDsub表示。表示。 亚阈值导电与强反型导电的机构不相同。亚阈值导电与强反型导电的机构不相同。 强反型沟道电子的主要运动方式是漂移，强反型沟道电子的主要运动方式是漂移， 沟道电流的主要成分是漂沟道电流的主要成分是漂移流。移流。 而在亚阈值区，漏极电流仍然是电子电流，但是沟道电子的主要运而在亚阈值区，漏极电流仍然是电子电流，但是沟道电子的主要运动方式是扩散亚阈值电流的主要成分是扩散流。动方式是扩散亚阈值电流的主要成分是扩散流。 栅源电压调变沟道区的表面势，栅源电压调变沟道区的表面势，源区到沟道区之间源区到沟道区之间的电子势垒高度

25、的电子势垒高度依赖于沟道区表面势。随着栅极电位升高，表面势数值增大，沟道区源依赖于沟道区表面势。随着栅极电位升高，表面势数值增大，沟道区源端电子势能降低，从源区到沟道区的电子势垒高度因而下降，于是从源端电子势能降低，从源区到沟道区的电子势垒高度因而下降，于是从源 区就会向沟道区注入更多的电子，从而使亚阈值电流增大。区就会向沟道区注入更多的电子，从而使亚阈值电流增大。短沟道中的亚阈值导电与短沟道中的亚阈值导电与npn晶体管基区中的电流传输相似。晶体管基区中的电流传输相似。66670()d ( )( )(0)deeSSDSDSnnnnqVq VVnnpkTkTn yn LnIA qDA qDyLA

26、 qD nL(7-34)根据上述分析可得亚阈值漏极电流根据上述分析可得亚阈值漏极电流: 01 2220e1 ee1 e2SDSSDSqVqVnpkTkTDSSqVqVnikTkTASAqD nWkTIqELqWnkTLqqN VN (7-37)定义反型层内电势下降定义反型层内电势下降kT/q时的距离为有效沟道厚度，则近似有时的距离为有效沟道厚度，则近似有 在阈值电压附近的弱反型区中，漏极电流随表面势在阈值电压附近的弱反型区中，漏极电流随表面势VS的增大而以指的增大而以指数关系上升。对于漏源电压数关系上升。对于漏源电压VDS，当其大于约，当其大于约3kT/q时，其所在指数项迅时，其所在指数项迅速

27、减小而趋于零。即当漏源电压超过速减小而趋于零。即当漏源电压超过3kT/q以后，弱反型亚阈值漏极电流以后，弱反型亚阈值漏极电流几乎与漏源电压无关。几乎与漏源电压无关。 68图7-19 长沟道MOSFET的亚阈值特性6 衬底偏置(VBS)影响阈值电压。 当VGS VT时，亚阈值漏极电流确实是随栅源电压VGS的增大而呈指数规律上升，而且几乎与漏源电压无关。 697.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲线三、MOSFET的特性曲线1、输出特性曲线、输出特性曲线非饱和区非饱和区饱和区饱和区截止区截止区输出特性曲线描绘IDSVDS(VGS)关系曲线分4个区：非饱和区：VDSVDsat,，IDSVDS近

28、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70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）的作用衬底偏置（背栅）的作用71均以源极为参考电位时，随衬底反偏增大，漏极电流减小均以源极为参考电位时，随衬底反

29、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VBS图7-21 不同VSB值下的MOSFET输出特性曲线 727.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲线三、MOSFET的特性曲线2、转移特性曲线、转移特性曲线 作为电压控制器件，转移作为电压控制器件，转移特性

30、表征栅源输入电压特性表征栅源输入电压VGS对对漏源输出电流漏源输出电流IDS的控制能力的控制能力 与与JFET一样，一样，MOSFET的转移特性可从输出特性曲的转移特性可从输出特性曲线族上得到线族上得到耗尽型MOSFET增强型MOSFET73耗尽型增强型P沟n沟P沟n沟电路符号电路符号转移特性转移特性输出特性输出特性747.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲线四、MOSFET的直流参数1、阈值电压阈值电压VTFoxBoxoxmsTCQCQVV 2maxiDoxdDoxoxmsTpiAoxdAoxoxmsTnnNqkTCxqNCQVVnNqkTCxqNCQVVln2ln2maxmaxiAB

31、SFAoxoxoxmsTnnNqkTVyVqNCCQVVln2)(221210对耗尽型器件，又称对耗尽型器件，又称夹断电压夹断电压；对增强型器件，又称；对增强型器件，又称开启电压开启电压它是通过它是通过VGS的变化，使导电沟道产生的变化，使导电沟道产生/消失的临界电压，是消失的临界电压，是VGS能够：能够：抵消金抵消金-半接触电势差半接触电势差补偿氧化层中电荷补偿氧化层中电荷建立耗尽层电荷（感应建立耗尽层电荷（感应结）结）提供反型的提供反型的2倍费米势倍费米势757.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲线四、MOSFET的直流参数2、零栅压、零栅压漏源电流漏源电流IDSS定义：当定义：当V

32、GS=0时的饱和漏源电流。时的饱和漏源电流。对于对于耗尽型耗尽型MOSFET，VGS=0时已有导电沟道。时已有导电沟道。IDSS对应于对应于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，故又称曲线与纵轴的交点，故又称饱和漏极电流饱和漏极电流（不同于（不同于IDsat） 。沟取负号沟取正号pnVLWtVLCWIVVLCWIIIToxToxnDSSTGSoxnDsatVDsatDSSGS 2022022)(2可见：可见：IDSS与原始沟道导电能力有关：宽长比、迁移率、原始沟道厚度与原始沟道导电能力有关：宽长比、迁移率、原始沟道厚度(

33、VTns)、Cox 767.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲线四、MOSFET的直流参数3、导通电阻导通电阻 对于对于增强型增强型MOSFET，VGS=0时，源、漏之间为两背靠背的时，源、漏之间为两背靠背的p-n结，结，VDS作用下，作用下，VGS=0时的时的IDS为为截止漏电流截止漏电流。 实际上是实际上是p-n结的反向漏电流，对结的反向漏电流，对Si-p-n结主要是势垒产生电流。结主要是势垒产生电流。 工作在非饱和区的工作在非饱和区的MOSFET，当当VDSVGS-VT时，输出特性是时，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）。直线（线性区），沟道的导电能

34、力相当于一个电阻（压控电阻）。定义：定义：VDS很小时，很小时，VDS与与IDS之比为导通电阻，记为之比为导通电阻，记为Ron.TGSnoxTGSDSDSonVVWLtVVIVR1)(10 DSononRRRR*777.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲线四、MOSFET的直流参数4、栅源直流输入阻抗栅源直流输入阻抗RGS5、最大耗散功率最大耗散功率PCM栅源直流绝缘电阻。取决于栅氧化层的绝缘电阻值。栅源直流绝缘电阻。取决于栅氧化层的绝缘电阻值。一般在一般在109以上。以上。MOSFET输入阻抗远高于输入阻抗远高于BJT和和JFETDSDSCVIP耗散功率耗散功率PC将转变为热量使器件升

35、温，性能劣化。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保证器件正常工作所允许的PC为为PCM，或称最大功耗。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。的耗散功率主要耗散在沟道区，特别是夹断区。787980现象：现象：IDSS很大，超出设计要求，夹断电压高。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。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。现象：夹不断。还有点漏电。原因：栅极断裂；局部沟道穿通；原因：栅极断裂；局部沟道穿通；p-n结退化，漏电。结退化，漏电。现象：漏源穿通，短路。

36、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；光刻针原因：栅氧化层断裂；扩散沾污使漏源短路；光刻针孔孔 导致漏源经铝栅短路。导致漏源经铝栅短路。81现象：跨导小现象：跨导小原因：工艺原因造成漏、源串联电阻过大；原因：工艺原因造成漏、源串联电阻过大； 工艺原因造成表面迁移率严重下降。工艺原因造成表面迁移率严重下降。现象：驼背，过渡区出现塌陷现象：驼背，过渡区出现塌陷原因：刻铝电极时对版不准。原因：刻铝电极时对版不准。现象：饱和特性不好，饱和区不够平坦。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；原因：衬底材料电阻率太高； 工艺原因导致沟道显著变短。工艺原因导致沟

37、道显著变短。82现象：低击穿，击穿电压低。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；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；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。结劣化，击穿电压下降。现象：尾巴现象：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；电极接触不良；源漏区掺杂浓度低； 使使VDS经一个接触压降后才起作用。经一个接触压降后才起作用。现象：现象： VGS0时，图示仪显示双线。时，图示仪显示双线。原因：衬底接地不良。原

38、因：衬底接地不良。83现象：现象：VGS0的曲线漂移的曲线漂移原因：可动离子沾污；磷硅玻璃中磷含量大；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。现象：栅电流大，栅源短路。原因：栅氧化层针孔；栅氧化层破坏。原因：栅氧化层针孔；栅氧化层破坏。847.4 MOSFET频率特性一、一、MOSFET的交流小信号参数的交流小信号参数二、二、MOSFET的交流小信号等效电路的交流小信号等效电路 三、MOSFET的频率参数的频率参数 1、跨导截止频率、跨导截止频率 2、截止频率、截止频率fT 3、最高振荡频率最高振荡频率fM 4、沟道渡越时间沟道渡越时间四、提高四、提高MOSFET频率

39、性能的途径频率性能的途径 1、提高迁移率、提高迁移率 2、缩短沟道长度、缩短沟道长度 3、减小寄生电容、减小寄生电容857.5 MOSFET频率特性一、一、MOSFET的交流小信号参数的交流小信号参数+ - +- +SDGBVDS0VGS0VSB0IDnMOSFET的栅跨导的栅跨导gm(跨导）跨导）n小信号衬底跨导小信号衬底跨导gmbn小信号漏端电导小信号漏端电导gdsn电压放大系数电压放大系数 VGSID+ID+ - +- +SDGBVDS0VGS0VSB0- +cVVGSDSmBSDSVIg ,nMOSFET的栅跨导的栅跨导gm(跨导）跨导）n小信号衬底跨导小信号衬底跨导gmbn小信号漏端

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

41、跨导的栅跨导gm(跨导）跨导）n小信号衬底跨导小信号衬底跨导gmbn小信号漏端电导小信号漏端电导gdsn电压放大系数电压放大系数 VGSIDS=c+ - +- +SDGBVDS0VGS0VSB0- +VDS- +86MOSFET的栅跨导的栅跨导gm(跨导）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

42、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栅压： 实际起作用的漏源电压：SDGSGSRIVV)(DSDDSDSRRIVV SmmmsDSdlSmmmRgggRRgRggg 1;)(1*87 两者沟道导电能力随栅源电压变化两者沟道导电能力随栅源电压变化规律不同。在规律不同。在JFET中是中是VGS的平方根与的平方根与沟道厚度关系。沟道厚度关系。 两者两者VGS的范围也不同。的范围也不同。VDSIDSVGS=0VGS0MOSFETJFETJFET的线性关系而不同于因21DSnGSIQVMOSFET的跨导 RLWtCggoxoxmsm、：因子)

43、,()( 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线性变化欲使欲使88小信号衬底跨导小信号衬底跨导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(23232BSFBSFDSDSDSFFBGSDSVVVVVVVI与空间电荷有关项)2()2(221210BSFB

44、SFDSAnmbVVVLqNWgVDS构成V(y)VBS构成反偏按p-n结电压-电荷规律)()()1()()()2(2212121002121210GSDGSDDSpmGSDGSDDSDnmVVVVVVGgVVVVVqNLWg89半导体器件物理与工艺美施敏p223)(2)()()()(maxTGSoxoxBFBFGSoxBsnVyVVCCQVyVVCyQyQyQ 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)(

45、)()()(00maxmaxFAFGSoxnFAdABBsnyVqNyVVCyQyVqNxqNyQyQyQyQ -VFB-VFBBSV BSV BSV BSV 半导体表面电势和其特征值的关系半导体表面电势和其特征值的关系90msiABSFAoxoxoxTnVnNqkTVyVqNCCQVln2)(221210 从从VT通式（通式（7-22）(y)带入带入dydVyVVVCWyIITGSoxnnDS)()( （7-52）dyydVVyVqNCyVVVCWIBSFAoxFFBGSoxnDS)()(2(21)(2210 从从y=0,V(0)=0到到y=L,V(L)=VDS积分，可得积分，可得)2()2

46、()2(3221)2(23232102BSFBSFDSoxADSDSFFBGSDSVVVCqNVVVVI 9169)-(7 )2()2(3221)2(23232BSFBSFDSDSDSFFBGSDSVVVVVVVI )2(23)2()2()2(3221)()2(23)2()2()2(3221)2(2)2(21232321022123232102210DSFBSFDSBSFoxADSDSTGSDSFBSFDSBSFoxADSDSoxFADSFFBGSVVVVCqNVVVVVVVVCqNVVCqNVVVQBmax11)-(6 )()(232232300GSDGSDDSDDSDVVVVVqNaVGI

47、张屏英晶体管原理P2579269)-(7 )2()2(3221)2(23232BSFBSFDSDSDSFFBGSDSVVVVVVVI )2(23)2()2()2(3221)()2(23)2()2()2(3221)2(2)2(21232321022123232102210DSFBSFDSBSFoxADSDSTGSDSFBSFDSBSFoxADSDSoxFADSFFBGSVVVVCqNVVVVVVVVCqNVVCqNVVVQBmax 第一项与（第一项与（7-54）相同，表示栅绝缘层电）相同，表示栅绝缘层电容控制的容控制的表面场效应晶体管表面场效应晶体管的电特性的电特性 第二项与（第二项与（6-11

48、）相似，表示沟道压降和）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，即层宽度随之变化的电特性，即JFET特性特性11)-(6 )()(232232300GSDGSDDSDDSDVVVVVqNaVGI 其中，其中，2FVD;VBSVGS 可看作理想可看作理想MOS与与JFET的并联的并联93小信号漏端电导小信号漏端电导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随随V

49、DS增大而线性减小，即由非饱和区向饱和区，增大而线性减小，即由非饱和区向饱和区，IDS随随VDS的变化趋缓，以至进入饱和区不再随的变化趋缓，以至进入饱和区不再随VDS变化变化 在线性区，即在线性区，即VDS很小，忽略后很小，忽略后msTGSdsldsgVVgg)( 且正是导通电阻的倒数。且正是导通电阻的倒数。TGSnoxTGSDSDSonVVWLtVVIVR1)(10 94电压放大系数电压放大系数 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

50、，得取全微分，并令其等于由21)(20)(22dsDSTGSoxnDsatgVVVLWCI无关，得与由动态电阻无穷大，但实际动态电阻无穷大，但实际MOSFET的动态电阻都是有限值，因为：的动态电阻都是有限值，因为：1、沟道长度调制效应、沟道长度调制效应 2、漏区电场的静电反馈效应、漏区电场的静电反馈效应在饱和区95沟道长度调制效应沟道长度调制效应VDSVDsat后，夹断点向源端移动，形成夹断区，使沟道有效长度缩短后，夹断点向源端移动，形成夹断区，使沟道有效长度缩短2)(2TGSoxnDsatVVLWCIL减小，则减小，则IDsat增大，说明沟道长度减小，电阻减小。增大，说明沟道长度减小，电阻减

51、小。DSDsatDSDsatDsatDsatTGSeffoxnDsateffdVLdLLLIdVdIgLLIVVLWCILLL)()1 ()1 ()(22*12*带入，得以为有限值为有限值96漏区电场的静电反馈效应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，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。增大，漏源电流不完全饱和。 沟道较短，衬底沟道较短，衬底浓度较低时，漏浓度较低时，漏-衬衬结和沟结和沟-衬结的耗尽衬结的耗尽层随层随VDS很快扩展，很快

52、扩展，图7-23 漏区电场静电反馈效应示意图97二、二、MOSFET的交流小信号等效电路的交流小信号等效电路DSdBSmbGSmDSCVVDSDSBSCVVBSDSGSCVVGSDSDSVgVgVgVVIVVIVVIIBSGSDSGSBSDS )()()(,00 BSGSII SDGBgdDSI GSV BSV DSV GSmVg BSmbVg 98GSDBgsCgsCgdCgdCbsCbdCTCC本征部分本征部分MOSFET小信号参数小信号参数物理模型物理模型SGD0Ly沟道沟道SiO2衬底衬底MOSFET的R、C分布参数模型二、二、MOSFET的交流小信号等效电路的交流小信号等效电路99D

53、SdGSmDSDSdBSmbGSmDSdVgdVgdIVgVgVgI 衬底偏置不变 dsdgsmdugugi dDSDSidII dtduCdtduCigdgdgsgsg SGDgdCgdCgsCgsRgsCSRDRdsCgsmg dgMOSFET小信号参数小信号参数等效电路等效电路dtduCugugigdgddsdgsmd 1、栅极电位变化引起沟道电导变化、栅极电位变化引起沟道电导变化形成交变漏极电流形成交变漏极电流2、输出交变电压在漏导上形成电流、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、栅极电压变化对栅漏电容充放电电流电流100SGDgdCgsC1SR2DRgdCgs

54、CgsRgsmg dgB1SR1gR4gR2gR3gR1DR1bR4bR2bR3bRgbCbsCdsCTCCTCCbdC较完整的较完整的MOSFET小信号等效电路小信号等效电路Cgs:栅源之间分布电栅源之间分布电容的等效电容容的等效电容Cgd:等效的栅漏电容等效的栅漏电容Rgs:对栅源电容充放对栅源电容充放电的等效沟道串联电的等效沟道串联电阻电阻(2/5Ron)Rs、Rd:源、漏区串源、漏区串联电阻联电阻CVGSchgsDSVQC CVGDchgdGSVQC CVVGSIgsGSDSVQC JFET101与与JFET比较：比较：（估算）饱和区线性区中gdgsgdgscVDSIgdcVVGSIg

55、sCCCCCCVQCVQCggGSGSDS2121JFET0;3221;MOSFETgdGgsGgdGgscVDSchgdcVGSchgsCCCCCCCVQCVQCGSDS饱和区线性区中1、Cgd定义相同，在线性区各为定义相同，在线性区各为CG(Cg)的一半的一半2、Cgs定义不同，定义不同，JFET为为CG的一半；的一半；MOSFET为为CG3、饱和区饱和区MOSFET：Cgs占大半，占大半，Cgd0oxGWLCC QI、Qch之与之与Cgs1027.4 MOSFET频率特性三、MOSFET的频率参数 1、跨导截止频率、跨导截止频率 2、截止频率、截止频率fT 3、最高振荡频率最高振荡频率f

56、M 4、沟道渡越时间沟道渡越时间t tCgsRgsRLrdsgmsug+-+-usuoug+-交流小信号等效电路交流小信号等效电路输出特性及负载线输出特性及负载线0 gdC饱和区输入输入输出输出+VDDRARBRLMOST线性放大器基本电路线性放大器基本电路103dsLdsLgmsogsgssgsgsgssgrRrRuguCRjuCjRCjuu 111gsuu 低频时dsLdsLmssorRrRguu 低频低频电压放大系数)(msLsoLdsgRuuRr 低频时，当)(饱和状态，沟道夹断，沟道电阻增大饱和状态，沟道夹断，沟道电阻增大CgsRgsRLrdsgmsug+-+-usuoug+-104

57、高频时高频时mgmsgsgsmsmsdsLdsLmsdsLdsLgsgsmssojgCRjggrRrRgrRrRCRjguu 11)()(1)(其中高频高频下饱和区跨导高频下饱和区跨导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)(1521LVVCVVCRTGSnGTGSgsgsgm oxGWLCC LCWoxn 1052、截止频率、截止频率fTCgsRgsRLrdsgms

58、ug+-+-usuoug+-gdCgsCdsCigid计算计算fT的等效电路（的等效电路（3个电容）个电容）定义：当输入电流定义：当输入电流ig与交流短路输出电流与交流短路输出电流id相等时对应的频率，记为相等时对应的频率，记为fT. 输入回路中，输入回路中，Cgs的的容抗随容抗随f的上升而减小，的上升而减小，使使ig上升，同时上升，同时ug下降，下降，gmug也下降。也下降。11gdsgsgssmsdgdgsgsgsgssgCjuCRjugiCjCRjCjCjui 21gdgsgsmsTCCCgf 取了一级近似取了一级近似10621gdgsgsmsTCCCgf 2)(432 LVVCgfCC

59、CTGSngsmsTgdgsgs 时，、当LWCVVgWLCCCoxnTGSmsoxGgs )(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，要计入截止频率从电流对电流的关系定义标准，要计入3个电容个电容但是，它们都是但是，它们都是Cgs上电压上电压ug随频率的变化关系的反映，仅角度不同。随频率的变化关系的反映，仅角度不同。107寄生参数的影响：寄生参数的影响：3个电容个电容gsC并联

60、在输入端，对并联在输入端，对Cgs起分流作用，帮助起分流作用，帮助Cgs增大增大igdsC并联在输出端，对输出电流起分流作用，并联在输出端，对输出电流起分流作用，gmsug的一部分流过的一部分流过该电容，使该电容，使id减小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，使输入电容为连接在输入、输出端之间，使输入电容为)1 (gdVgsgsinCACCC 密勒效应密勒效应11, 0; 000 VVosVoLAAuuAuR故反相，与由于，实际放大器中)1 (1gdVsgsgssmsdCAjuCRjugi 此时)1 (21gdVgsgsmsTCACCgf 1083、最高振