半导体器件物理-MOSFET2

西安电子科技大学XIDIDIANUNIVERSITY第四章MOS场效应晶体管MOSFET结构和基本工作原理

2023/2/11场效应器件物理2023/2/1XIDIANUNIVERSITY4.1MOSFET结构MOSFET:Metal-Oxide-Semiconductorfield-effecttransistorMOS器件：四端器件，G、S、D、B一般情况下，VBS=0，则成为三端器件与JFET相比：控制栅为MOS结构

源、漏掺杂与类型与衬底相反简单看作：MOS电容和两个背靠背PN结构成2023/2/14.1MOSFET结构MOS电容：外加VG，氧化层下方半导体表面形成强反型层，连接SD区

强反型层------MOSFET的导电沟道VDS在沟道上产生电场，载流子从源漂移到漏，被漏极收集形成ID重要参数：沟道长度L：栅氧下方源漏之间半导体的长度.沟道宽度W：与沟长垂直的水平方向的源漏区宽度栅氧厚度tox2023/2/14.1MOSFET

MOSFET分类(1)

n沟道MOSFET：NMOSP衬，n型反型层，电子导电VDS>0,

ID>0p沟道MOSFET：PMOSN衬，p型反型层，空穴导电VDS<0,ID<0按照沟道载流子的导电类型分:每种器件只有一种载流子参与导电——单极性器件2023/2/14.1MOSFET

MOSFET分类(2)0栅压是否存在反型沟道分：n沟耗尽型MOSFET零栅压时已存在反型沟道，VTN<0加栅压VGS<VTN,沟道关闭n沟增强型MOSFET零栅压时不存在反型沟道，VTN>0，加栅压VGS>VTN,沟道开启思考：不进行专门的N型掺杂，能否形成耗尽型NMOS？2023/2/14.1MOSFET

MOSFET分类(3)

p沟增强型MOSFET零栅压时不存在反型沟道VTP<0加栅压VGS<VTP,沟道开启p沟耗尽型MOSFET零栅压时存在反型沟道VTP>0加栅压VGS>VTP,沟道关闭4.1MOSFET

MOSFET分类（4）四种类型MOS晶体管的电路符号n沟、p沟的箭头：衬底与沟道之间可形成的场感应pn结的正偏方向耗尽型：代表沟道区的线为实线，即VGS=0时已存在沟道增强型：代表沟道区的线为虚线，即VGS=0时不存在沟道4.1MOSFET

MOSFET分类（5）四种类型MOS晶体管的的偏置条件4.1MOSFET

MOSFET的阈值电压VBS=0，即衬底接地；

VGS

即为中间MOS电容两侧电势差MOS电容VT：MOS电容半导体表面是否强反型的临界电压，

强反型层-MOSFET的导电沟道VGS＜VT：半导体表面未形成强反型层，导电沟道未形成，器件截止VGS>VT：半导体表面形成强反型层，导电沟道形成，器件导通MOSFET的阈值电压VT：表面刚刚产生沟道所需的栅源电压沟道内可动电荷Qn，面电荷密度Q`n=COX(VGS-VT)：只有VGS大于>VT，表面才产生导电沟道，根据电容电压电荷关系得Q`n2023/2/1n沟增强型4.1MOSFET

I-V定性分析偏置特点：VBS=0,源衬短接；VGS>VT,沟道形成；

VDS≥0，形成漏极电流ID，造成沟厚不等厚：

VDS≥0→沟道中从源到漏电位不断增大→沟道上一点X，

VXS，

X从S往D移动，VXS↑,VGX(=VGS-VXS)↓

→VGX>VT,X点处才形成沟道,反型层可动电荷Q`n(x)=COX(VGX-VT)，→X从S往D移动，Q`n(x)不断↓，源端Q`n(0)最大，漏端Q`n(L)最小沟道面电荷密度不相等可等效为沟道截面积不相等2023/2/1n沟增强型2023/2/14.1MOSFETID随VDS的变化(1)线性区VDS＜＜VDS(sat),VDS对Vox的抵消作用可忽略→反型层和耗尽层近似均匀→沟道等效电阻不变

→ID∝VDS（线性区）2023/2/14.1MOSFET

ID随VDS的变化(2)过渡区脱离线性区后，VDS↑,VDS对Vox的抵消作用不可忽略→沟道厚度不等→沟道等效电阻增加

→ID随VDS的增长率减小（过渡区）2023/2/14.1MOSFETID随VDS的变化(3)饱和点饱和点：沟道夹断点X：

反型层电荷密度刚好≈0→VGX=VT,

→VGS-VXS=VT

→VXS=VGS-VT=VDS(sat)

→2023/2/14.1MOSFETID随VDS的变化(4)饱和区原沟道区：导电沟道区和夹断区。电流被夹断了吗？导电沟道区可导电，又有电势差，所以有电流，根据电流连续性原理，整个器件的电流仍存在，大小由导电沟道区决定漂移到夹断点的电子在夹断区大电场的作用下被扫向漏极，形成ID长沟MOSFET，L变化可略，导电区形状和该区上压降不变，ID保持刚夹断时的IDS(sat)不变，即饱和区内ID不随VDS的增加而增加击穿区：

VDS再继续↑→漏极和衬底之间PN结反偏电压过大

→导致pn结耗尽层内发生雪崩击穿，ID急剧增大，进入击穿区，→此时电压为BVDS输出特性曲线：VGS>VT的某常数时，ID随VDS的变化曲线4.1MOSFETI-V特性定性分析n沟增强型MOSFET器件源漏ID-VDS特性曲线簇VGS不同，ID随VDS变化物理过程与上述分析相同，曲线变化趋势也相同VGS的影响：

非饱和区：VGS增大，Q`n=COX(VGS-VT)增大，所以对同一VDS，ID增大饱和点：VDS(sat)=VGS-VT，VGS增大，VDS(sat)也增大。饱和区：VGS增大，

Q`n=COX(VGS-VT)增大，饱和电流也增大4.1MOSFETI-V特性定性分析4.1MOSFETI-V转移特性转移特性曲线：VDS为>0的某常数时，ID随VGS的变化曲线VGS增大，

Q`n=COX(VGS-VT)增大，饱和电流也增大VGSPMOSFETNMOSFET增强型NMOS耗尽型NMOS增强型PMOS耗尽型PMOS4.1MOSFETI-V输出特性4.1MOSFETI-V特性定量分析p型衬底、n型沟道MOSFET0沟道电流沿水平方向（X方向），栅与沟道之间电流=0沟道电流为多子漂移电流，载流子迁移率为常数缓变沟道近似（长沟器件），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，EX为常数沟道中可动面电荷密度Q`n(x)=COX(VGX-VT)沿X方向“缓变”面电荷密度另一种表示Q`n(x)=en(x)h(x)

式中h(x)为X处导电沟道的厚度2023/2/14.1MOSFETI-V特性:基本假设4.1MOSFETI-V特性定量分析欧姆定律：dVx=IDdR(x),根据定义Q`n(x)=en(x)h(x)，根据MOS结构Q`n(x)=COX(VGX-VT)2023/2/14.1MOSFETI-V特性:沟道电流漏源电流强度成立条件非饱和区IV公式2023/2/14.1MOSFETI-V特性:线性区与饱和区2023/2/14.1MOSFETI-V特性:提高器件ID驱动能力的途径同一个IC中，不同晶体管的COX以及VT相同，控制不同MOS器件沟道的W/L可控制电流大小。L最小值取决于工艺水平.在工作电压范围内，适当提高器件偏置电压VGS材料参数设计参数工艺参数2023/2/14.1MOSFETμ和VT的测试提取方法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2023/2/14.1MOSFET跨导:模型跨导：VDS一定时，漏电流随VGS变化率：

又称晶体管增益:表征FET放大能力的重要参数，反映了VGS

对ID

的控制能力单位S(西门子)，一般为几毫西(mS)

2023/2/14.1MOSFET跨导:表达式器件放大应用，一般工作在饱和区。原因？VGS一定时，饱和区跨导>线性区跨导

2023/2/14.1MOSFET跨导:提高途径增大(W/L)，（通过版图设计保证）增大COX，（减小氧化层厚度；采用高k介质）增大(VGS-VT)，（增大VGS，减小VT）2023/2/14.1MOSFET（沟道电导）漏导:模型沟道电导（漏导）：VGS一定时，漏电流随VDS的变化率2023/2/14.1MOSFET源漏间的有效电阻Rds源漏间的有效电阻Rds:沟道电导的倒数线性区导通电阻：表明线性区导通能力饱和区输出电阻增加线性区沟道电导的途径？非饱和区漏导等于饱和区跨导同增加饱和区跨导的途径2023/2/14.1MOSFET衬底偏置效应(1)≥0必须反偏或零偏P衬最低电位N衬最高电位4.1MOSFET衬底偏置效应(2)源衬结能带图：衬底0势能参考点阈值反型点时，反型层沟道连接源漏，VDS=0，沟道和源区电子势能近似相等,沟道区电势能=-eΦsVSB=0时，源区电势=VD,阈值反型点,半导体Φs=2Φfp,2Φfp≈VDVSB>0时，源区电势=VD+VSB,阈值反型点,半导体Φs

≈V