半导体器件 第十章 含作业

1、说明n这样我就可以光明正大的水经验了，哈哈，我得意地笑，我得意地笑 第十章第十章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管基础基础MOSFET：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor（金属氧化物半导体场效应管）（金属氧化物半导体场效应管）n+n+P型硅基板型硅基板栅极（金属）栅极（金属）绝缘层（绝缘层（SiO2） 场场 效效 应应 管管场效应管：场效应管：一种电压控制器件，它是利用电场效一种电压控制器件，它是利用电场效应来控制其电流的大小，从而实现放大。工作时，应来控制其电流的大小，从而实现放大。工作时，内部参与导

2、电的只有多子一种载流子，因此又称内部参与导电的只有多子一种载流子，因此又称为单极性器件。为单极性器件。原理：原理：利用改变垂直于导电沟道的电场强度来控制利用改变垂直于导电沟道的电场强度来控制沟道的导电能力而实现放大作用沟道的导电能力而实现放大作用; ; 输入阻抗高：输入阻抗高：栅和其他端点之间不存在直流通道。栅和其他端点之间不存在直流通道。 噪声系数小。多子输运电流，不存在散粒噪声和配分噪声。噪声系数小。多子输运电流，不存在散粒噪声和配分噪声。 功耗小，可用于制造高密度的半导体集成电路。功耗小，可用于制造高密度的半导体集成电路。输入功率很低输入功率很低而有较高的输出能力。而有较高的输出能力。

3、温度稳定性好。多子器件，电学参数不易随温度而变化（温度稳定性好。多子器件，电学参数不易随温度而变化（n与与 ）。一种载流子参与导电。一种载流子参与导电。 抗辐射能力强：双极型晶体管的抗辐射能力强：双极型晶体管的 下降（非平衡少子的寿命降下降（非平衡少子的寿命降低），而场效应管的特性变化小（与载流子寿命关系不大）。低），而场效应管的特性变化小（与载流子寿命关系不大）。 其它：工艺卫生要求较高，速度较低。其它：工艺卫生要求较高，速度较低。特点特点n+n+P型硅基板型硅基板栅极（金属）栅极（金属）绝缘层（绝缘层（SiO2）半半导导体体基基板板漏极漏极源极源极源极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)

4、MOSFET的类型的类型沟道中导电的沟道中导电的载流子类型载流子类型N沟道沟道（电子型）（电子型）P沟道沟道（空穴型）（空穴型）强反型时，导电沟道中的电子漂移运动形成电流强反型时，导电沟道中的空穴漂移运动形成电流VG0时，是时，是否有导电沟道否有导电沟道增强型增强型耗尽型耗尽型VG0时，无导电沟道VG0时，有导电沟道比较常用的是比较常用的是NMOS管，原因是导通电阻小，且容易制造。管，原因是导通电阻小，且容易制造。n两个两个PN结结： 1）N型漏极与型漏极与P型衬底；型衬底； 2）N型源极与型源极与P型衬底。型衬底。一个电容器结构一个电容器结构： 栅极与栅极下面的区域形成一个电容器，是栅极与栅

5、极下面的区域形成一个电容器，是MOS管的核心。管的核心。10.1 MOS电容结构氧化层厚度氧化层介电常数Al或高掺杂的多晶Sin型Si或p型SiSiO2MOS电容的组成电容的组成MOS电容是一个相当复杂的电容，有电容是一个相当复杂的电容，有多层介质：多层介质：在栅极电极下面有一层在栅极电极下面有一层SiO2介质。介质。SiO2下面是下面是P型衬底，衬底是比较厚型衬底，衬底是比较厚的。最后，是一个衬底电极，它同的。最后，是一个衬底电极，它同衬底之间必须是欧姆接触。衬底之间必须是欧姆接触。MOS电容还与外加电压有关。电容还与外加电压有关。 MOS电容的特性与栅极上所加的电电容的特性与栅极上所加的电

6、压紧密相关，压紧密相关， 这是因为半导体的表这是因为半导体的表面状态随栅极电压的变化可处于积面状态随栅极电压的变化可处于积累层、累层、 耗尽层、耗尽层、 反型层三种状态。反型层三种状态。 SiO2V（a）MOS结构 p-SiMCoxCsd（b）MOS结构等效电路MOS+ V -a. MOS结构结构b. 电场效应电场效应双端双端MOSMOS场效应场效应n当栅源之间加上正向电压，则栅极当栅源之间加上正向电压，则栅极和和p型硅片之间构成了以二氧化硅为型硅片之间构成了以二氧化硅为介质的平板电容器，在正的栅源电介质的平板电容器，在正的栅源电压作用下，介质中便产生了一个垂压作用下，介质中便产生了一个垂直于

7、半导体表面的由栅极指向直于半导体表面的由栅极指向p型衬型衬底的电场（由于绝缘层很薄，即使底的电场（由于绝缘层很薄，即使只有几伏的栅源电压只有几伏的栅源电压VGS ，也可产，也可产生高达生高达105106V/cm数量级的强数量级的强电场）。电场）。n这个电场排斥空穴而吸引电子，这个电场排斥空穴而吸引电子，因此，使栅极附近的因此，使栅极附近的p型衬底中的型衬底中的空穴被排斥，留下不能移动的受主空穴被排斥，留下不能移动的受主离子（负离子），形成耗尽层，离子（负离子），形成耗尽层，同同时时p型衬底中的少子（电子）被吸型衬底中的少子（电子）被吸引到衬底表面。引到衬底表面。10.1 表面能带图:p型衬底负

8、栅压情形负栅压情形导带底能级禁带中心能级费米能级价带顶能级空穴积累：空穴积累：表面的多子浓度表面的多子浓度大大于体内的多子浓度于体内的多子浓度。表面表面）（vFEE)(表面)(vFSEE)exp(kTEENpvFv表面电场电场电势电势电子能量电子能量以半导体体内为零电势10.1 表面能带图:p型衬底小的正栅压情形小的正栅压情形(耗尽层)空穴耗尽：空穴耗尽：表面的多子浓度表面的多子浓度远小于体内的多子浓度。远小于体内的多子浓度。表面表面）远离（vFEE )(表面)(vFSEE)exp(kTEENpvFv表面10.1 表面能带图:p型衬底表面空穴浓度 =表面电子浓度表面表面)()(FiFEE表面表

9、面nnkTEEnpiFFii)exp(正栅压增大正栅压增大 10.1 表面能带图:p型衬底(反型层+耗尽层)dTX弱反型现象弱反型现象表面表面)()(FiFEE表面表面pnkTEEnniFiFi)exp(正栅压继续增大正栅压继续增大 10.1 表面能带图:p型衬底强反型阈值反型点阈值反型点: 表面电子浓度 = 体内空穴浓度 体表面)()(FFiFiFEEEE表面表面)exp(kTEEnnFiFi体体)exp(kTEEnpFFii体表面pn大的正栅压大的正栅压漏源之间形成的导电通道漏源之间形成的导电通道BPGSiO2SDN+N+ +-+-+VGS- - - - - -反型层反型层iDVDS10.

10、1 表面能带图:n型衬底(1)正栅压情形正栅压情形FScFSCEEEE10.1 表面能带图:n型衬底(2)小的负栅压情形小的负栅压情形大的负栅压情形大的负栅压情形(耗尽层)n型(反型层+耗尽层)n型FScFSFiEEEEFScFSFiEEEE10.1 空间电荷区厚度:表面耗尽情形费米势费米势表面势表面势表面空间电表面空间电荷区厚度荷区厚度s半导体表面电势与半导体表面电势与体内电势之差体内电势之差半导体体内费米能半导体体内费米能级与禁带中心能级级与禁带中心能级之差的电势表示之差的电势表示采用单边突变结的采用单边突变结的耗尽层近似耗尽层近似P型衬底型衬底 22sdxxdE xdxdx aeNx)(

11、saseNxdxxdE)()(单边突变结单边突变结n+pdxx 0 x00PNdxdxE边界条件：边界条件：x= xd 时，时，E=0dsaxeNC1)()(dsaxxeNxE1)()(CxeNdxeNdxxxEsasas根据：根据：假定假定x= xd 处的电势为处的电势为0dxxdxE)()(22)2()()()()(CxxxeNxdxxxeNdxxExdsadsa222dsaxeNC)0(,)(2)(2ddsaxxxxeNx)0(,)(2)(2ddsaxxxxeNx22dsasxeN)0(,)1 ()(2ddsxxxxxassdeNx2sasdaBeNxeNQ2max10.1 空间电荷区厚

12、度:表面反型情形阈值反型点阈值反型点条件：表面处的电子浓度条件：表面处的电子浓度=体内的空穴浓度体内的空穴浓度表面空间电荷表面空间电荷区厚度区厚度表面电子浓度：表面电子浓度：exp()FFiiEEnnkTexp()sfpieenkT体内空穴浓度：体内空穴浓度：exp()FiFiEEpnkTexp()fpienkT2sfpP型衬底型衬底栅电压栅电压=阈值电压阈值电压表面空间电荷区厚度达到最大表面空间电荷区厚度达到最大值值:表面导电性增加，屏蔽外加电场表面导电性增加，屏蔽外加电场10.1 空间电荷区厚度:与掺杂浓度的关系实际器件参数区间10.1 电子反型电荷浓度P型衬型衬底底exp)2(exp)2

13、(expexp)2(expexpexpkTenkTenkTekTenkTeeenkTeenkTEEnnsstfpsstfpsfpifpsfpifpsiFiFifpss2电子反型电荷浓度：电子反型电荷浓度：其中10.1 表面反型层电子密度与表面势的关系kTeNnnsaisexp2316316cm101V695. 02V347. 0K300cm103sfpsfpanTN反型实例：P型衬底型衬底10.1 功函数差:MOS接触前的能带图金属的功函数金属的费米能级二氧化硅的禁带宽度二氧化硅的电子亲和能硅的电子亲和能02gsFsfpEWEEee)2(fpgmsmmseEeWW（电势表示）差金属与半导体的功

14、函数0mFmmWEEe金属的功函数半导体的功函数绝缘体不允许电荷在金属和半导体之间进行交换，要达到热平衡，需要导线连接金属和半导体！10.1 功函数差:MOS结构的能带图条件：零栅压，条件：零栅压， 热平衡热平衡零栅压下氧化物二侧的电势差修正的金属功函数零栅压下半导体的表面势修正的硅的电子亲和能二氧化硅的电子亲和能10.1 功函数差:计算公式00 ()2()gmsmfpoxSEeV V83. 0)cm10,K300(V228. 0:SiSiOAleV11. 1:SiV25. 3:SiOSiV20. 3:SiOAlms314222afpgmNTE00bioxSVV 内建电势差：ms功函数差10.

15、1 功函数差:计算公式00bioxSVV 内建电势差：ms功函数差)(00SoxmsV10.1 功函数差:n掺杂多晶硅栅(P-Si)0MOSFET为增强型VG=0时未反型，加有正栅压时才反型VTN0，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：10.3 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，VTP0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”导导通）通）P沟（负

16、电压开启沟（负电压开启 “0”导导通）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）理想理想MOS 施加偏压后的几种表面状态施加偏压后的几种表面状态 反型层: 表面少子浓度 表面多子浓度 强反型: 表面少子浓度 体内多子浓度 导电沟道: 强反型时漏源之间形成的导电通道 阈值电压 VT ：使半导体表面达到强反型时(ns p0)所需的栅源电压 漏极： 载流子流出沟道 源极： 载流子流入沟道 ( 漏源电压总是使载流子 由源极流入沟道 由漏极流出沟道 )11.3.2 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

17、作原理1. VGS对半导体表面空间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+( (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

18、耗形成由负离子组成的耗尽层。尽层。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

19、增大 弱反型弱反型 强反型强反型VDS 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。 2. V

20、DS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，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，沟道对沟道影响可忽略，沟道厚度均匀厚度均匀VDSVGSBPGN+N+SDd.VDSVGSVT，即即VGDVDsat时，在P点的电压VDsat保持固定 沟道被夹断后，若VG不变，则当漏极电压持续增加时，超过夹断点电压VDsat的那

21、部分即VDS-VDsat将降落在漏端附近的夹断区上，因而夹断区将随VDS的增大而展宽，夹断点P随之向源端移动，但由于P点的电压保持为VDsat不变，反型层内电场增强而同时反型载流子数减少，二者共同作用的结果是单位时间流到P点的载流子数即电流不变。一旦载流子漂移到P点，将立即被夹断区的强电场扫入漏区，形成漏源电流，而且该电流不随VDS的增大而变化，即达到饱和。此即为饱和区，饱和区，如图(c)所示当然，如果VDS过大，漏端p-n结会发生反向击传。L沟道pnn耗尽区TGVV)(D小VDI低漏极电压)(a点为夹断点进入饱和区，p)(bnn耗尽区TGVVsatDDVV)(p夹断点nn耗尽区TGVVsat

22、DDVV)(pLp过饱和)(c图 5. 15 MOSFET 工作方式及其输出的 I-V 特性L沟道pnn耗尽区TGVV)(D小VDIL沟道pnn耗尽区TGVV)(D小VDIL沟道pnn耗尽区TGVV)(D小VDI低漏极电压)(a点为夹断点进入饱和区，p)(bnn耗尽区TGVVsatDDVV)(p夹断点nn耗尽区TGVVsatDDVV)(p夹断点nn耗尽区TGVVsatDDVV)(p夹断点nn耗尽区TGVVsatDDVV)(pLpnn耗尽区TGVVsatDDVV)(pLpnn耗尽区TGVVsatDDVV)(pLp过饱和)(c图 5. 15 MOSFET 工作方式及其输出的 I-V 特性DIDVD

23、IDVDIDVDIDVDIDV0satDIsatDVDIDV0satDIsatDVDIDV0satDIsatDVDIDV0satDIsatDVDIDV0DIDV0DIDV0DIDV03 . N 沟道增强型沟道增强型 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+V

24、DSVGSGSDVGSVGD( (c)Vc)VDS:VGD=VTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVT( (a) )VDS很小很小VGSBPGN+N+SDVDSVGSVGDVGS ID=IDSatVT VGS /VID /mAO2 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4. N 沟道耗尽型沟道耗尽型 MOS 场效应管场效应管BPGN+N+SD

25、SiO2+ + + + + + 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SGDBID/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 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

26、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。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 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 小小 结结 按照导电类型分按照导电类型分MOSMO

27、S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

28、，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11.3 MOSFET原理 I-V特性: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）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xxE)(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

29、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：dxdVxxExxnndVIWQdx 11.3 MOSFET原理 I-V特性:电中性条件0(max)SDnssmQQQQ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

30、电场强度该闭合表面所包围区域的总电荷量(max)oxESDnssoxQQQ11.3 MOSFET原理 I-V特性:表面电荷444oxEEoxSdSWdx dxW243156fpe2msfpoxxGSVVV2 FpFmEE ()22gmsmfpsfpEe11.3 MOSFET原理 I-V特性:氧化层电势()GSxe VV( ) ( )2gmoxsfpEeVe11.3 MOSFET原理 I-V特性:反型层电荷与电场ox(max)(max)EoxssnSDssnSDQQQQQQoxEoxoxVtmsfpoxxGSVVV2氧化层电势氧化层电势(max)2oxnSDssGSxfpmsoxQQQVVt 半

31、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11.3 MOSFET原理 I-V特性:线性区与饱和区，处于饱和区若无关与TGSDSDSTGSoxnsatDVVVVVVLCWI2)()(

32、2，处于线性区若TGSDSDSDSTGSoxnDVVVVVVVLCWI)(0)(satDSDSVVDSDVITGSsatDSVVV)()(222DSDSTGSoxnDVVVVLCWI11.3 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11.3 MOSFET原理 p沟增强型MOSFET的I-V特性)(222SDSDTSGoxpDVVVVLCWI非饱

33、和区DSTSGoxpDVVVLCWI)(线性区2()()2poxD satSGTSD satSGTWCIVVLVVV（饱和区注：注：Vds=-Vsd Vgs=-Vsg,等等11.3 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：DSnoxmLDSGSVWC

34、gVLV与无关()GSTnoxmsGSTDSVVWCgVVLV与无关小节内容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，当作业：作业： 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。11.3 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）在在沟道源端感应出来沟道源端感应

35、出来的电子全跑掉了的电子全跑掉了11.3 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：0SBV0SBV11.3 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；11.3 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

36、小节内容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=0.66V11.4 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11.4 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11.4 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入本征参数

37、msmmmdgsmgssmmgsmdgsgssmsgsmgsgssgrgggIVgVrggVgIVVrgrVgVVr11)1 ()(的影响低频条件下只计入低频条件下只计入rds11.4 频率限制特性 MOSFET频率限制因素限制因素限制因素2：对栅电容充电：对栅电容充电需要时间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11.4 频率限制特性 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 RVgsTMgsjCCV11.4 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