微电子器件与ic设计第5章场效应晶体管

1、微电子器件与IC设计第五章 MOSFETMOS场效应晶体管 引言 一、FET(Field-Effect Transistor) 二、场效应器件类型： 场效应晶体管结型场效应晶体管 （JFET）金属半导体场效应晶体管 （MESFET） MOS 场效应 晶体管（MOSFET）Junction FETMetal-Semiconductor FETMetal-Oxide-Semiconductor FET GDGSp+p+nJFETMESFETMOSFET三、FET特点： 单极器件、多子器件 电压控制器件热稳定性好 噪声低 种类多 制作工序少，隔离容易未加偏压时的MOS结构MOS 电容的结构MOS电容

2、中三个分离系统的能带图 5.1 MOS结构及其特性1、MOS场效应与电荷状态理想MOS 施加偏压后的几种表面状态*强反型：半导体表面积累的少子浓度等于甚至超过体内多子浓度的状态ECEVEFEipEisqVsqFECEVEFEipEisqVsqF强反型费米势：强反型条件：ECEVEFEipEisqVsqF（1）关于电容平行板电容器+Q-QEd+-V面积A电容C定义为：QVC斜率直流和交流时均成立2、MOS C-V特性如果C随外加电压变化，是可变电容，则要引入微分电容的概念直流偏压V下的微分电容C定义为：+Q-QEd+-V面积A+Q-QVQVC（V斜率半导体中的电容通常是可变电容例如：突变PN结电

3、容和平行板电容器形式一样+-VP+Nxd偏压改变V（2）MOS C-V特性5.2 MOSFET的基本结构及工作原理5.2.1 MOSFET的基本结构 (1) 构成：MOS结构、4电极（S、G、D、B）、2PN结、导电沟道。.n+n+SGDBPLMOS衬底电极S：源极 G：栅极D：漏极载流子：SD阈值电压VT： S表面达到强反型时的VGS栅源电压：VGS漏源偏置电压：VDS5.2 MOSFET的基本结构及工作原理 (2)主要的结构参数：L, W, tox, NA，ND铝栅：硅栅：(3) 平面图形SDGDSG沟道中导电的载流子类型N沟道（P型衬底）P沟道（N型衬底）强反型时，导电沟道中的电子漂移运

4、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VGS0时，是否有导电沟道增强型耗尽型VG0时，无导电沟道VG0时，有导电沟道共有四种类型5.2.2、MOSFET的基本类型2种分类方法：增强型 Enhancement mode耗尽型 Depletion mode(导电沟道是反型层，故与衬底的类型是相反的)5.2.2、MOSFET的类型GDSBGDSBGDSBGDSB类型N沟道MOSFETP沟道MOSFET耗尽型增强型耗尽型增强型衬底P型N型S、D区np沟道载流子电子空穴VDS00IDS方向DSSDVT00 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

5、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 ) 5.2 MOSFET的基本结构及工作原理5.2.4、 MOSFET的转移特性 ：VDS为常数，IDSVGSE-NMOSFET：VGS0， IDS0VGS ：P型耗尽层 IDS0VGSVT（阈值电压） N反型层VGS ： IDSVT0VGS- 0 +VTIDS5.2 MOSFET的基本结构及工作原理 D-NMOSFET：VGS=0，IDS已存在VGS0很小：IDSVDS线性增大VDS增大： IDSVDS变

6、化减慢5.2.5、 MOSFET的输出特性（VGSVT, IDSVDS）5.2 MOSFET的基本结构及工作原理VDS继续增加：IDSIDSATVDS再增加：IDS基本不变VDS进一步增大：雪崩击穿，电流剧增5.2 MOSFET的基本结构及工作原理MOSFET 输出特性 电学符号 转移特性 输出特性GDSID已有导电沟道VTVGSVT0VT0VGS- 0 +VT+VGSVTIDVDSGDSVDS0VGS- 0 +IDVDS +VGS=0 VT- 0IDGDSVDS0VTVGS- 0 +IDVT0VDS VT -ID- 0n沟耗尽型n沟增强型P沟耗尽型P沟增强型5.3 MOSFET的阈值电压5.

7、3.1阈值电压定义 MOSFET表面呈现强反型、形成导电沟道时的栅源电压，以VT表示5.3.2 平带电压实际MOS结构：无偏压时MOS结构中由于功函数差会引起表面能带弯曲SiO2栅绝缘层中的电荷同样可在半导体表面感应出表面电荷 平带电压使表面势为0，所需在栅上加的偏压5.3 MOSFET的阈值电压 5.3.3 强反型时的电荷分布 QG：金属栅上的面电荷密度 QOX：栅绝缘层中的面电荷密度 Qn ：反型层中电子电荷面密度 QB ：半导体表面耗尽层中空间电荷面密度栅电极栅氧化层P型半导体QnQGQOXQB5.3 MOSFET的阈值电压5.3.4 理想状态MOSFET的阈值电压1. 理想状态：Qox

8、0，Vms02. 沟道形成时的临界状态：Qn03. 出现强反型后：xd xdmax (强反型时可视为np) 栅电极栅氧化层P型半导体QnQGQOXQB5.3 MOSFET的阈值电压5.3.4 理想状态MOSFET的阈值电压理想假设条件下不考虑刚达到强反型时Qn分布在表面很薄的一层内Qn0 场感应结：5.3 MOSFET的阈值电压5.3.5 实际MOSFET的阈值电压（3） 衬偏电压VBS0引起：VBS衬底偏置效应：5.3 MOSFET的阈值电压5.3.6影响阈值电压的因素 （1）栅电容Cox（2）接触电势（3）衬底杂质浓度的影响（4）氧化层电荷密度的影响5.3 MOSFET的阈值电压5.3.6

9、影响阈值电压的因素 （1）栅电容Cox减小氧化层厚度选用较大介电系数的材料作栅介质膜5.3 MOSFET的阈值电压5.3.6影响阈值电压的因素 （2）接触电势差用硅栅工艺（用多晶硅作栅极）修正（由于金半之间有一层氧化层）PSiNSi00.30.60.9NBC 1010 1014 1018Al（n-Si)Al（p-Si)NMOS5.3 MOSFET的阈值电压5.3.6影响阈值电压的因素 （3）衬底杂质浓度的影响费米势：耗尽层电荷：影响最大，可离子注入调整Vms综合起来，耗尽层电荷影响最大，可离子注入调整1013 1017 cm-310510.01tox=100nmVTPMOSNMOS：影响较小5

10、.3 MOSFET的阈值电压5.3.6影响阈值电压的因素 （4）氧化层电荷密度的影响NMOS：1）NA一定时，Qox VT （+ 0 ）2）当 时，NA 在1015cm-3 仍是VTn 1015cm-3，形成EMOS4） NA1015cm-3，VT与NA无关 NMOS易形成耗尽型VT630-3-6 1011 1014 101710111012NANOX5.3 MOSFET的阈值电压 5.3.6影响阈值电压的因素 （4）氧化层电荷密度的影响PMOS：VTp始终小于0，为EMOS欲PMOS成为DPMOS，可预制一层P型预反型层或利用Al2O3膜的负电荷效应，制作Al2O3/SiO2复合栅NOXND

11、5.4 MOSFET的电流电压特性5.4.1 理想模型（以ENMOS为例）一维近似，只考虑电流在y方向的流动；强反型近似：缓变沟道近似：只考虑漂移电流，忽略扩散电流；忽略沟道和衬底间的反向漏电流；忽略源极、漏极、沟道之间的接触电阻；沟道杂质浓度均匀分布；沟道载流子迁移率为常数。Xc5.4 MOSFET的电流电压特性5.4.2 沟道电荷密度Qn(y)设沟道中y处的电荷密度为Qn(y)：设沟道中某一点电位为V(y)则：5.4 MOSFET的电流电压特性5.4.3 漂移电流IDSqn(x,y)：沟道中某点的电荷密度，n：迁移率Xc5.4MOSFET的电流电压特性5.4.3 漂移电流IDS1、线性区：

12、 VDSVGSVT V(y)可忽略，2、可变电阻区：VDS较大，V(y)不能忽略：3、饱和区： VDS继续增大到VDSVGS-VT 沟道夹断NNPSGD夹断点IDSVDS实际0沟长调制效应（CLM）5.4 MOSFET的电流电压特性5.4.4 影响电流电压特性的因素耗尽层电荷的影响高场迁移率的影响栅电场（Ex）的影响横向电场（Ey）的影响5.4 MOSFET的电流电压特性5.4.4 影响电流电压特性的因素（1）耗尽层电荷的影响随VDS变化5.4 MOSFET的电流电压特性5.4.4 影响电流电压特性的因素（2）高场迁移率的影响栅电场的影响（Ex）表面散射效应5.4 MOSFET的电流电压特性5

13、.4.4 影响电流电压特性的因素（2）高场迁移率的影响横向电场(Ey)的影响饱和漂移速度的临界场5.5 MOSFET小信号特性5.5.1交流小信号参数1. 跨导gm 表示栅源电压对漏源电流的控制能力 影响因素: VGS 、VDS、提高gm : 饱和区：5.5 MOSFET小信号特性2 漏导gd 反映漏源电压对漏源电流的控制能力。 表达式1）非饱和区2）线性区3）饱和区 （理想） gds不为0的原因 1）沟长调制效应2）漏区电场静电反馈效应 3）空间电荷限制效应5.5 MOSFET小信号特性5.5 MOSFET小信号特性5.5.2栅源电容Cgs及栅漏电容Cgd1. Cgs：5.5 MOSFET小

14、信号特性5.5.2栅源电容Cgs及栅漏电容CgdCgs：1）当VDS很小，可忽略不计时（线性区）：2）当饱和区5.5 MOSFET小信号特性5.5.2栅源电容Cgs及栅漏电容Cgd2. Cgd： 线性区：饱和区：5.5 MOSFET小信号特性5.5.3 MOSFET交流小信号等效电路（1）电流方程输入端：输出端：DGSRLVDSVGS5.5 MOSFET小信号特性5.5.3 MOSFET交流小信号等效电路（2）本征等效电路5.5 MOSFET小信号特性 5.5.3 MOSFET交流小信号等效电路（3）实际等效电路RS：源极串联电阻RD：漏极串联电阻 ：栅源寄生电容 ：栅漏寄生电容 Cds ：漏极和衬底之间耗尽层电容RS：源极串联电阻RD：漏极串联电阻 ：栅源寄生电容 ：栅漏寄生电容 Cds ：漏极和衬底之间耗尽层电容5.5 MOSFET小信号特性5.5.4 MOSFET频率特征参数1、 跨导截止频率（1）高频跨导gm()电流改变量相同：5.5 MOSFET小信号特性5.5.4 MOSFET频率特征参数1、 跨导截止频率（2）