MOSFET基礎(chǔ)(MOSFET工作原理頻率CMOS)

1、11.3MOSFET基本工作原理nMOS結(jié)構(gòu)n電流電壓關(guān)系概念n電流電壓關(guān)系推導(dǎo)n跨導(dǎo)n襯底偏置效應(yīng)111.3 MOSFET原理 MOSFET結(jié)構(gòu)N 溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS 場效應(yīng)管場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖的結(jié)構(gòu)示意圖BPGN+N+氮氮氮氮SDSiO2Ltox1. 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)SGDB2.符號符號3.基本參數(shù)基本參數(shù)溝道長度溝道長度 L(跟工藝水平有關(guān)跟工藝水平有關(guān))溝道寬度溝道寬度 W柵氧化層厚度柵氧化層厚度 tox211.3 MOSFET原理 MOSFET分類(1)n溝道MOSFETp型襯底，n型溝道，電子導(dǎo)電VDS0，使電子從源流到漏p溝道MOSFETn型襯底，p型溝道，空穴導(dǎo)電VDS0n溝

2、道耗盡型MOSFET零柵壓時已存在反型溝道，VTN0按照零柵壓時有無導(dǎo)電溝道可分為：按照零柵壓時有無導(dǎo)電溝道可分為：411.3 MOSFET原理 MOSFET分類(3)p溝道增強(qiáng)型MOSFET零柵壓時不存在反型溝道，VTP05增強(qiáng)型：柵壓為增強(qiáng)型：柵壓為0時不導(dǎo)通時不導(dǎo)通N溝（正電壓開啟溝（正電壓開啟 “1”導(dǎo)通）導(dǎo)通）P溝（負(fù)電壓開啟溝（負(fù)電壓開啟 “0”導(dǎo)通）導(dǎo)通）耗盡型：柵壓為耗盡型：柵壓為0時已經(jīng)導(dǎo)通時已經(jīng)導(dǎo)通N溝（很負(fù)才關(guān)閉）溝（很負(fù)才關(guān)閉）P溝（很正才關(guān)閉）溝（很正才關(guān)閉）611.3.2 N 溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型 MOS 場效應(yīng)管工作原理場效應(yīng)管工作原理1. VGS對半導(dǎo)體表面空間

3、電荷區(qū)狀態(tài)的影響對半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)狀態(tài)的影響( (1) ) VGS = 0 漏源之間相當(dāng)于兩個背靠漏源之間相當(dāng)于兩個背靠背的背的 PN 結(jié)，無論漏源之間加何結(jié)，無論漏源之間加何種極性電壓，種極性電壓，總是不導(dǎo)電總是不導(dǎo)電。SBD 當(dāng)當(dāng)VGS 逐漸增大時，柵逐漸增大時，柵氧化層下方的半導(dǎo)體表面氧化層下方的半導(dǎo)體表面會發(fā)生什么變化？會發(fā)生什么變化？BPGSiO2SDN+N+7( (2) ) VGS 00逐漸增大逐漸增大 柵氧化層中的場強(qiáng)越來越大，柵氧化層中的場強(qiáng)越來越大，它們排斥它們排斥P型襯底靠近型襯底靠近 SiO2 一側(cè)一側(cè)的空穴，的空穴，形成由負(fù)離子組成的耗形成由負(fù)離子組成的耗盡層。盡層

4、。增大增大 VGS 耗盡層變寬。耗盡層變寬。 當(dāng)當(dāng)VGS繼續(xù)升高時繼續(xù)升高時, 溝道加厚，溝道電阻減少，在相同溝道加厚，溝道電阻減少，在相同VDS的作用下，的作用下，ID將進(jìn)一步增加將進(jìn)一步增加。BPGSiO2SDN+N+ +-+-+VGS- - - - - -反型層反型層iD由于吸引了足夠多由于吸引了足夠多P型襯底的電子，型襯底的電子，會在耗盡層和會在耗盡層和 SiO2 之間形成可移動的表面電荷層之間形成可移動的表面電荷層 反型層、反型層、N 型導(dǎo)型導(dǎo)電溝道電溝道。這時，在這時，在VDS的作用下就會形成的作用下就會形成ID。( (3) ) VGS 繼續(xù)增大繼續(xù)增大 弱反型弱反型 強(qiáng)反型強(qiáng)反型

5、VDS8 閾值電壓：使半導(dǎo)體表面達(dá)到強(qiáng)反型時所需加的柵閾值電壓：使半導(dǎo)體表面達(dá)到強(qiáng)反型時所需加的柵源電壓。用源電壓。用VT表示。表示。閾值電壓閾值電壓MOS場效應(yīng)管利用場效應(yīng)管利用VGS來控制半導(dǎo)體表面來控制半導(dǎo)體表面“感應(yīng)電感應(yīng)電荷荷”的多少，來改變溝道電阻，從而控制漏極電流的多少，來改變溝道電阻，從而控制漏極電流 ID。 MOSFET是一種電壓控制型器件。是一種電壓控制型器件。 MOSFET能夠工作的能夠工作的關(guān)鍵關(guān)鍵是半導(dǎo)體是半導(dǎo)體 表面表面必須必須有導(dǎo)電溝道有導(dǎo)電溝道，而只有表面達(dá)到強(qiáng)反型時才會有溝道，而只有表面達(dá)到強(qiáng)反型時才會有溝道形成。形成。 92. VDS對導(dǎo)電溝道的影響對導(dǎo)電溝

6、道的影響(VGSVT)c.VDS=VGSVT，即即VGD=VT：靠近漏極溝道達(dá)到臨界開啟程度，靠近漏極溝道達(dá)到臨界開啟程度，出現(xiàn)預(yù)夾斷。出現(xiàn)預(yù)夾斷。VDS=VDSatb.0VDSVT:導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)一個楔形?？拷鼘?dǎo)電溝道呈現(xiàn)一個楔形?？拷┒说膶?dǎo)電溝道減薄。漏端的導(dǎo)電溝道減薄。a. VDS 0，但值較小時：，但值較小時：VDS對溝道影響可忽略，溝對溝道影響可忽略，溝道厚度均勻道厚度均勻VDSVGSBPGN+N+SDd.VDSVGSVT，即即VGDVT：夾斷區(qū)發(fā)生擴(kuò)展，夾斷點(diǎn)向源端移動夾斷區(qū)發(fā)生擴(kuò)展，夾斷點(diǎn)向源端移動VGD=VGSVDSVGSEL 103 . N 溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型 MOS 場效

7、應(yīng)管的特性曲線場效應(yīng)管的特性曲線1 1）輸出特性曲線）輸出特性曲線( (假設(shè)假設(shè)VGS=5V) ) 輸出特性曲線輸出特性曲線非非飽飽和和區(qū)區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)擊擊穿穿區(qū)區(qū)BVDS ID/mAVDS /VOVGS=5VVGS=4VVGS=3V預(yù)夾斷軌跡預(yù)夾斷軌跡VDSat 過過渡渡區(qū)區(qū)線線性性區(qū)區(qū)(d)(d)VDS:VGDVTBPN+N+VDSVGSGSDLVTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVGD(c)V(c)VDS:VGD=VTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVT( (a) )VDS很小很小VGSBPGN+N+SDVDSVGSVGDVGS ID=IDSat11VT VGS /VID /mA

8、O2 2）轉(zhuǎn)移特性曲線）轉(zhuǎn)移特性曲線( (假設(shè)假設(shè)VDS=5V) ) a. VGS VT 器件內(nèi)存在導(dǎo)電溝道，器件內(nèi)存在導(dǎo)電溝道，器件處于器件處于導(dǎo)通導(dǎo)通狀態(tài)，有輸狀態(tài)，有輸出電流。且出電流。且VGS越大，溝越大，溝道導(dǎo)電能力越強(qiáng)，輸出道導(dǎo)電能力越強(qiáng)，輸出電流越大電流越大 轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線124. N 溝道耗盡型溝道耗盡型 MOS 場效應(yīng)管場效應(yīng)管BPGN+N+SDSiO2+ + + + + + 1） N溝道溝道耗盡型耗盡型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)1、 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)2、 符號符號SGDB13ID/mAVGS /VOVP(b)(b)轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性IDSS(a)(a)輸出輸出特性特性I

9、D/mAVDS /VO+1VVGS=0- -3 V- -1 V- -2 V432151015 202）基本工作原理）基本工作原理a. 當(dāng)當(dāng)VGS=0時，時，VDS加正向電壓，加正向電壓，產(chǎn)生漏極電流產(chǎn)生漏極電流ID,此時的漏極電流此時的漏極電流稱為稱為漏極飽和電流漏極飽和電流，用，用IDSS表示表示b. 當(dāng)當(dāng)VGS0時，時，ID進(jìn)一步增加進(jìn)一步增加。c. 當(dāng)當(dāng)VGS0時，隨著時，隨著VGS的減小的減小漏極電流逐漸漏極電流逐漸減小減小。直至。直至ID=0。對應(yīng)對應(yīng)ID=0的的VGS稱為夾斷電壓，稱為夾斷電壓，用符號用符號VP表示。表示。14種種 類類符號符號轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線輸出特性曲線輸

10、出特性曲線 NMOS增強(qiáng)型增強(qiáng)型耗盡型耗盡型PMOS增強(qiáng)型增強(qiáng)型耗盡型耗盡型IDSGDBSGDBIDSGDBIDSGDBIDVGSIDOVTIDVGSVPIDSSOVDSID_VGS=0+_OIDVGSVTOIDVGSVPIDSSO_ _IDVGS=VTVDS_ _o o_ _+VDSID+OVGS=VTIDVGS= 0V+ +_ _VDSo o+ +15小小 結(jié)結(jié) 按照導(dǎo)電類型分按照導(dǎo)電類型分MOSMOS管分為管分為NMOSNMOS和和PMOSPMOS。按照零柵壓時有無溝道又分為按照零柵壓時有無溝道又分為增強(qiáng)型和耗盡型增強(qiáng)型和耗盡型兩種形式。兩種形式。 NMOSNMOS和和PMOSPMOS結(jié)

11、構(gòu)十分相似，只是兩者的結(jié)構(gòu)十分相似，只是兩者的襯底及源漏區(qū)摻雜類襯底及源漏區(qū)摻雜類型剛好相反型剛好相反。 特性曲線：輸出特性曲線特性曲線：輸出特性曲線(非飽和區(qū)、飽和區(qū)、擊穿區(qū)非飽和區(qū)、飽和區(qū)、擊穿區(qū)) 轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線(表征了表征了VGS對對ID的的控制控制能力能力) 工作原理：工作原理：VGS ：耗盡耗盡 弱反型弱反型 強(qiáng)反型強(qiáng)反型 VDS ：減薄減薄 夾斷夾斷 擴(kuò)展擴(kuò)展 耗盡型器件形成的原因，其基本特性與增強(qiáng)型器件之間的不耗盡型器件形成的原因，其基本特性與增強(qiáng)型器件之間的不同點(diǎn)。同點(diǎn)。定性分析定性分析1611.3 MOSFET原理 I-V特性:基本假設(shè)xEyExyn溝道中的電流是

12、由漂移而非擴(kuò)散產(chǎn)生的（長溝器件）n柵氧化層中無電流n緩變溝道近似，即垂直于溝道方向上 的電場變化遠(yuǎn)大于平行于溝道方向上 的電場變化 (近似認(rèn)為方向?yàn)槌?shù))n氧化層中的所有電荷均可等效為 Si-SiO2界面處的有效電荷密度n耗盡層厚度沿溝道方向上是一 個常數(shù)n溝道中的載流子遷移率與空間 坐標(biāo)無關(guān)n襯底與源極之間的電壓為零17xxE)(EnxyenJ電流密度電流密度:(漂移電流漂移電流密度為密度為)11.3 MOSFET原理 I-V特性:溝道電流X方向的電流強(qiáng)度：方向的電流強(qiáng)度：x0000( )EccWxWxxxnIJ dydzen ydydz 0( )cxnQen y dy -WWdz0 xEn

13、nWQ -反型層中平行于溝道方向的電場：反型層中平行于溝道方向的電場：dxdVx-xExxnndVIWQdx1811.3 MOSFET原理 I-V特性:電中性條件0(max)+SDnssmQQQQ19高斯定理123456n112233445566EEEEEEESSSSSSSdSdSdSdSdSdSdS+相互抵消E5=E6=0，即使有也相互抵消E30WdxQQQQSDnssT)(max)+STQdSnE表面所在材料的介電常數(shù)某閉合表面沿閉合表面向外法線方向的電場強(qiáng)度該閉合表面所包圍區(qū)域的總電荷量(max)oxESDnssoxQQQ+-11.3 MOSFET原理 I-V特性:表面電荷444oxEE

14、oxSdSWdx - dxW24315620fpe2msfpoxxGSVVV+-2 FpFmEE- ()22gmsmfpsfpEe-+11.3 MOSFET原理 I-V特性:氧化層電勢()GSxe VV-( ) ( )2gmoxsfpEeVe+-+-+2111.3 MOSFET原理 I-V特性:反型層電荷與電場ox(max)(max)EoxssnSDssnSDQQQQQQ-+-oxEoxoxVtmsfpoxxGSVVV+-2氧化層電勢氧化層電勢(max)2oxnSDssGSxfpmsoxQQQVVt -+-+半導(dǎo)體表面空間電荷半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)的單位面積電荷區(qū)的單位面積電荷氧化層中垂直于溝氧

15、化層中垂直于溝道方向的電場道方向的電場由上三式可得由上三式可得反型層單位面反型層單位面積的電荷積的電荷oxoxoxtC/xxnndVIWQdx -nOXGSTxQCVVV -()xxnoxGSTxdVIWCV-V -Vdx不應(yīng)是x或Vx的函數(shù)（電流連續(xù)性定律）x00IDSLVDxI dxdV)0()(22)(2satDSDSTGSDSDSTGSoxnDVVVVVVVVLCWI-，當(dāng)2211.3 MOSFET原理 I-V特性:線性區(qū)與飽和區(qū)，處于飽和區(qū)若無關(guān)與TGSDSDSTGSoxnsatDVVVVVVLCWI-2)()(2，處于線性區(qū)若TGSDSDSDSTGSoxnDVVVVVVVLCWI-

16、)(0)(satDSDSVVDSDVITGSsatDSVVV-)()(222DSDSTGSoxnDVVVVLCWI-2311.3 MOSFET原理 和VT的測試提取方法DSTGSoxnDVVVLCWI)(-特性基于線性區(qū)GSDVITnDSoxnVLVCW橫軸截距斜率特性基于飽和區(qū)SDVIGTnoxnVLCW橫軸截距斜率2)(2)(TGSoxnsatDVVLCWI-高場下遷移率隨電場上升而下降存在亞閾值電流n溝耗盡型n溝增強(qiáng)型2411.3 MOSFET原理 p溝增強(qiáng)型MOSFET的I-V特性)(222SDSDTSGoxpDVVVVLCWI-+非飽和區(qū)DSTSGoxpDVVVLCWI)(+線性區(qū)2

17、()()2poxD satSGTSD satSGTWCIVVLVVV+（飽和區(qū)注：注：Vds=-Vsd Vgs=-Vsg,等等2511.3 MOSFET原理 跨導(dǎo)(晶體管增益):模型常數(shù)DSVGSDmVIg()20)2()2DSDS satnoxDGSTDSDSVVWCIVV VVL-非飽和區(qū)（含線性區(qū)，()2)()2DSDS satnoxDGSTVVWCIVVL-飽和區(qū)（含線性區(qū)，跨導(dǎo)用來表征MOSFET的放大能力：noxnoxoxWCWLL t 令材料參數(shù)材料參數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)工藝參數(shù)工藝參數(shù)nW Loxt影響跨導(dǎo)的因素：DSnoxmLDSGSVWCgVLV與無關(guān)()GSTnoxmsGS

18、TDSVVWCgVVLV-與無關(guān)26小節(jié)內(nèi)容n電流電壓關(guān)系推導(dǎo)n跨導(dǎo)n器件結(jié)構(gòu)n遷移率n閾值電壓nWnL (p350第二段有誤：L增加，跨導(dǎo)降低)ntox)0()(22)(2satDSDSTGSDSDSTGSoxnDVVVVVVVVLCWI-，當(dāng)27思考題：思考題： 試分析試分析VGS,VDS對增強(qiáng)型對增強(qiáng)型PMOS及及耗盡型耗盡型PMOS導(dǎo)電溝道及輸出電流導(dǎo)電溝道及輸出電流的影響，并推導(dǎo)其電流電壓方程。的影響，并推導(dǎo)其電流電壓方程。2811.3 MOSFET原理 襯底偏置效應(yīng)(1)0必須反偏或零偏Vsb=Vs-Vb0,即Vb更負(fù)（這樣才反偏）在溝道源端感應(yīng)出來在溝道源端感應(yīng)出來的電子全跑掉了

19、的電子全跑掉了2911.3 MOSFET原理 襯底偏置效應(yīng)(2)能帶圖襯底偏壓表面準(zhǔn)費(fèi)米能級反型條件耗盡層電荷不同襯偏電壓條件下的能帶圖：不同襯偏電壓條件下的能帶圖：0SBV0SBV3011.3 MOSFET原理 襯底偏置效應(yīng)(3)現(xiàn)象n反型層電子勢能比源端電子勢能高電子更容易從反型層流到源區(qū)達(dá)到反型所需的電子濃度需更高的柵壓；n反型層-襯底之間的電勢差更大表面耗盡層更寬、電荷更多同樣?xùn)艍合路葱蛯与姾筛?；n表面費(fèi)米能級更低要達(dá)到強(qiáng)反型條件需要更大的表面勢；3111.3 MOSFET原理 襯底偏置效應(yīng)(4)閾值電壓負(fù)的耗盡層電荷更多需更大的正柵壓才能反型，且VSB越大，VT越大體效應(yīng)系數(shù)32小

20、節(jié)內(nèi)容n襯底偏置效應(yīng)nP阱更負(fù)，n管閾值上升nN襯底更正，p管閾值更負(fù)n此種類型偏置經(jīng)常做模擬用途。例11.10：T=300K，Na=31016cm-3，tox=500埃，VSB=1VVT=0.66V3311.4 頻率限制特性 交流小信號參數(shù)源極串聯(lián)電阻柵源交疊電容漏極串聯(lián)電阻柵漏交疊電容漏-襯底pn結(jié)電容柵源電容柵漏電容跨導(dǎo)寄生參數(shù)本征參數(shù)3411.4 頻率限制特性 完整的小信號等效電路共源共源n溝溝MOSFET小信號等效電路小信號等效電路總的柵源電容總的柵漏電容與ID-VDS曲線的斜率有關(guān)3511.4 頻率限制特性 簡化的小信號等效電路低頻條件下只計(jì)入低頻條件下只計(jì)入rs只計(jì)入本征參數(shù)只計(jì)

21、入本征參數(shù)msmmmdgsmgssmmgsmdgsgssmsgsmgsgssgrgggIVgVrggVgIVVrgrVgVVr+11)1 ()(的影響低頻條件下只計(jì)入低頻條件下只計(jì)入rds3611.4 頻率限制特性 MOSFET頻率限制因素限制因素限制因素2：對柵電極或電：對柵電極或電容充電需要時間容充電需要時間限制因素限制因素1：溝道載流子從源：溝道載流子從源到漏運(yùn)動需要時間到漏運(yùn)動需要時間710 cm/s; 1msatvLGHz1001ps10ttsltfvL截止頻率溝道渡越時間溝道渡越時間通常不是主要頻率限制因素對對Si MOSFET，飽和，飽和漂移速度漂移速度3711.4 頻率限制特性

22、 電流-頻率關(guān)系負(fù)載電阻-+-+)(/)(gsdTgdgsmLdddgsTgdgsTgsiVVCjVgRVIVVCjVCjI11mLigsTgdTgsLgdTg RIjCCVj R C+)1 (LmTgdMRgCC+密勒電容1TgdLCR通常輸入電流輸出電流對柵電容充電需要時間對柵電容充電需要時間消去電壓變量VD(1)gsTgdTmLgsjCCg RV+gsTMgsjCCV+3811.4 頻率限制特性 密勒電容等效)1 (LmTgdMRgCC+密勒電容只計(jì)入本征參數(shù)只計(jì)入本征參數(shù)器件飽和時，器件飽和時，Cgd=0，寄生電容成為影響輸入寄生電容成為影響輸入阻抗的重要因素。阻抗的重要因素。3911

23、.4 頻率限制特 截止頻率推導(dǎo)igsTMgsdmgsIjCCVIg V+輸入電流輸出電流12 ()2dimmmTIgsTMGIGgsTMgggffCCCCCC+跨導(dǎo)截止頻率等效輸入柵極電容G0, (1)0 , ()gdMgdTmLgsTgsoxnoxmGSTCCCg RCCCC WLWCgVVL+-gdpgsp在理想情況下，交疊或寄生電容C,C=0飽和區(qū)截止頻率：電流增益為截止頻率：電流增益為1時的頻率。時的頻率。22()2nnGSTTVVfLL-遷移率溝道長度的平方提高頻率特性：提高遷移率（100方向，工藝優(yōu)質(zhì)）；縮短L；減小寄生電容；增大跨導(dǎo)；12()dmigsTMIgIf CC+電流增益4011.5 CMOS技術(shù) 什么是CMOS？n溝溝MOSFE