2022-2023学年高二物理竞赛课件：半导体MOS管的二级效应-理想结果的修正

半导体MOS管的二级效应——理想结果的修正

半导体MOS管的二级效应——理想结果的修正

二级效应——非线性、非一维、非平衡等因素对I-V特性产生的影响，它们包括：非常数表面迁移率效应、体电荷效应、短沟道效应、窄沟道效应等。非常数表面迁移率效应

实际情况，MOS管表面载流子的迁移率与表面的粗糙度、界面的陷阱密度、杂质浓度、表面电场等因素有关。电子表面迁移率的范围为550～950cm2/（V·s），空穴表面迁移率的范围为150～250cm2/（V·s），电子与空穴迁移率的比值为2～4。在低栅极电压情况下测得，即UGS仅大于阈值电压1～2V。长沟MOS管，沟道刚夹断时沟道区的横向电场载流子渡过沟道区L所需要的时间为渡越时间

，，

如果

减小沟道长度L是提高截止频率的重要手段。最高工作频率fMfM

——功率增益等于1时的频率；栅-沟道电容CGC

当栅-源之间输入交流信号之后，从栅极增加流进沟道的载流子分成两部分，其中一部分对栅-沟道电容CGC充电，另一部分径直通过沟道流进漏极，形成漏-源输出电流。当信号频率

增加，流过CGC的信号电流增加，从源流入沟道的载流子用于增加栅沟道电容充电的部分，直至

增大到足够大，使全部沟道电流用于充电，则漏极输出信号为0，即流入电容CGC的电流等于输入信号引起的沟道电流时的频率

是管的最高工作频率

M

。管跨导愈大，最高工作频率愈高；栅极-沟道电容CGC愈小，最高工作频率也愈高;管的高频优值

gm/CGC——衡量管的高频特性，比值愈高，高频特性愈好。提高fM，从结构方面应当使沟道长度缩短到最低限度，也必须尽可能增大电子在沟道表面的有效迁移率

n。硅材料电子迁移率

n比空穴迁移率

p大。n

M

=

2

fM

MOS管的开关特性(Switching

feature)开关状态——管主要工作在两个状态，导通态和截止态；两种开关特性——本征与非本征开关延迟特性；本征延迟：载流子通过沟道的传输所引起的大信号延迟；非本征延迟：被驱动的负载电容充-放电以及管之间的RC延迟；MOS管用来构成数字集成电路，如构成触发器、存储器、移位寄存器等等。构成的集成电路功耗小、集成度高。MOS管瞬态开关过程开关等效电路开和关状态转换即在截止区和可变电阻区间来回切换，且受UGS控制非本征开关过程

(外部状态影响)电阻负载倒相器负载电阻负载电容电源IDS阶跃信号(方波)（1）开通过程

延迟时间上升时间延迟过程——输入栅压UGS增加，信号UG(t)向栅电容CGS和CGD充电，随着栅压增加，经过一定的延迟，栅电容CGS上的栅压达到阈值电压UT时，输出电流开始出现；上升过程——UGS超过UT时，进入线性工作区，UG(t)使反型沟道厚度增厚，电流开始迅速增大；在上升时间tr结束时，电流达到最大值，栅压达到UGS2

；延迟UT理想开波形UGS2为什么输入方波，而实际如此变化？（2）关断过程储存时间下降时间储存过程——去掉栅压，栅电容CGS放电，栅压UGS下降，当UGS下降到上升时间结束时的栅压UGS2时，电流才开始下降；也是管退出饱和的时间；下降过程——储存时间结束后，UGS继续放电，栅压UGS从UGS2进一步下降，反型沟道厚度变薄，电流快速下降，当UGS小于UT后，管截止，关断过程结束；延迟理想关波形UTUGS2非本征开关时间栅峰值电压输入电容电流脉冲发生器的内阻开通和关断时间近似相等ton=toff

非本征开关时间受负载电阻RL、负载电容CL、栅峰值电压UGG以及电容和电阻的影响，减小栅电容及电阻值是很重要的。4.6.2MOS管瞬态开关时间计算

本征延迟开关过程

定义：本征延迟过程的时间是栅极加上阶跃电压，使沟道导通，漏极电流上升到与导通栅压对应的稳态值所需要的时间。载流子渡越沟道长度，该过程与传输的电流的大小和电荷的多少有关，与载流子漂移速度有关，漂移速度越快，本征延迟的过程越短。在线性区，UDS→0时，本征开通延迟时间饱和区本征开通延迟时间减小沟道长度是减小开关时间的主要方法；沟道不太长，本征开通延迟时间较短。如L=5

m，

n

=60cm2/（V·s）的N