MOSFET基礎(chǔ)MOSFET工作原理頻率學(xué)習(xí)課程

1、11.3 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溝道耗盡型MOSFET零柵壓時(shí)已存在反型溝道，VTN0按照零柵壓時(shí)有無導(dǎo)電溝道可分為：按照零柵壓時(shí)有無導(dǎo)電溝道可分為：2第2頁/共43頁第二頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。11.3 MOSFET原理 MOSFET分類(3)p溝道增強(qiáng)型MOSFET零柵壓時(shí)不存在反型溝道，VTP03第3頁/共43頁第三頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。增強(qiáng)型：柵壓為0時(shí)不導(dǎo)通N溝（正電壓開啟 “1”導(dǎo)通）P溝（負(fù)電壓開啟 “0”導(dǎo)通）耗

2、盡型：柵壓為0時(shí)已經(jīng)導(dǎo)通N溝（很負(fù)才關(guān)閉）P溝（很正才關(guān)閉）4第4頁/共43頁第四頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。11.3.2 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(gè)背靠背的漏源之間相當(dāng)于兩個(gè)背靠背的 PN 結(jié)，無論漏源之間加何種極結(jié)，無論漏源之間加何種極性電壓，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(shí)，柵逐漸增大時(shí)，柵氧化層下方的半導(dǎo)體表面會氧化層下方的半導(dǎo)體表面會發(fā)生什么變化？發(fā)生什么變化？BPGSiO2SDN+N+

3、5第5頁/共43頁第五頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。( (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)的一側(cè)的空穴，空穴，形成由負(fù)離子組成的耗盡層。形成由負(fù)離子組成的耗盡層。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(shí)繼續(xù)升高時(shí), 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

4、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(shí)，在這時(shí)，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VDS6第6頁/共43頁第六頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。 閾值電壓：使半導(dǎo)體表面達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)所需加的柵源電壓。閾值電壓：使半導(dǎo)體表面達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)所需加的柵源電壓。用用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)電荷感應(yīng)電荷”的多少，來改變溝道電阻，從而控

5、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 表面表面必須有必須有導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道，而只有表面達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)才會有溝道形成。，而只有表面達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)才會有溝道形成。 7第7頁/共43頁第七頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。2. VDS對導(dǎo)電溝道的影響對導(dǎo)電溝道的影響(VGSVT)c.VDS=VGSVT，即即VGD=VT：靠近漏極溝道達(dá)到臨界開啟程度，出靠近漏極溝道達(dá)到臨界開啟程度，出現(xiàn)預(yù)夾斷?，F(xiàn)預(yù)夾斷。VDS=VDSatb.0VDSVT:導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)一個(gè)楔形?？拷鼘?dǎo)電

6、溝道呈現(xiàn)一個(gè)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(shí)：，但值較小時(shí)：VDS對溝道影響可忽略，溝道對溝道影響可忽略，溝道厚度均勻厚度均勻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 8第8頁/共43頁第八頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。3 . N 溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型 MOS 場效應(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)

7、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=IDSat9第9頁/共43頁第九頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。VT VGS /VID /mAO2 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，

8、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)，有輸出狀態(tài)，有輸出電流。且電流。且VGS越大，溝道導(dǎo)越大，溝道導(dǎo)電能力越強(qiáng)，輸出電流越電能力越強(qiáng)，輸出電流越大大 轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線10第10頁/共43頁第十頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。4. 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SGDB11第11頁/共43頁第十一頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。ID/mAVGS /VOVP(b)(b)轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性IDSS(a)(a)輸出輸出特性特

9、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. 當(dāng)當(dāng)VGS=0時(shí)，時(shí)，VDS加正向電壓，產(chǎn)加正向電壓，產(chǎn)生漏極電流生漏極電流ID,此時(shí)的漏極電流稱為此時(shí)的漏極電流稱為漏極飽和電流漏極飽和電流，用，用IDSS表示表示b. 當(dāng)VGS0時(shí)，ID進(jìn)一步增加。c. 當(dāng)VGS0時(shí)，隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小。直至ID=0。對應(yīng)ID=0的VGS稱為夾斷電壓，用符號VP表示。12第12頁/共43頁第十二頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。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出特性曲線 NMOS增強(qiáng)

10、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+ +13第13頁/共43頁第十三頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。14第14頁/共43頁第十四頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。11.3 MOSFET原理 I-V特性:基本假設(shè) 溝道中的電流是由漂移而非擴(kuò)散產(chǎn)生的（長溝器件） 柵氧化層中無電流 緩變溝道近似，即垂直于溝道方向

11、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)) 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 耗盡層厚度沿溝道方向上是一 個(gè)常數(shù) 溝道中的載流子遷移率與空間 坐標(biāo)無關(guān) 襯底與源極之間的電壓為零15第15頁/共43頁第十五頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。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：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：16第16頁/共43頁第十六頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。11.3 MOSFET原理 I-V特性:電中性

12、條件17第17頁/共43頁第十七頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。高斯定理相互抵消E5=E6=0，即使有也相互抵消E30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11.3 MOSFET原理 I-V特性:表面電荷dxW24315618第18頁/共43頁第十八頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。fpe211.3 MOSFET原理 I-V特性:氧化層電勢19第19頁/共43頁第十九頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。11.3 MOSFET原理 I-V特性:反型層電荷與電場msfpoxxGSVVV+-2氧化層電勢氧化層電勢半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)半導(dǎo)體表面空

13、間電荷區(qū)的單位面積電荷的單位面積電荷氧化層中垂直于溝氧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反由上三式可得反型層單位面積的型層單位面積的電荷電荷不應(yīng)是x或Vx的函數(shù)（電流連續(xù)性定律）20第20頁/共43頁第二十頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。11.3 MOSFET原理 I-V特性:線性區(qū)與飽和區(qū)21第21頁/共43頁第二十一頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。11.3 MOSFET原理 和VT的測試提取方法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22第22頁/共43頁第二十二頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。11.3 MOSFET原理 p溝增強(qiáng)型MOSFET的

14、I-V特性注：Vds=-Vsd Vgs=-Vsg,等23第23頁/共43頁第二十三頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。11.3 MOSFET原理 跨導(dǎo)(晶體管增益):模型跨導(dǎo)用來表征MOSFET的放大能力：令材料參數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)工藝參數(shù)影響跨導(dǎo)的因素：24第24頁/共43頁第二十四頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。小節(jié)內(nèi)容 電流電壓關(guān)系推導(dǎo) 跨導(dǎo) 器件結(jié)構(gòu) 遷移率 閾值電壓 W L (p350第二段有誤：L增加，跨導(dǎo)降低) tox)0()(22)(2satDSDSTGSDSDSTGSoxnDVVVVVVVVLCWI-，當(dāng)25第25頁/共43頁第二十五頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。思考題：思考題：

15、 試分析試分析VGS,VDS對增強(qiáng)型對增強(qiáng)型PMOS及耗及耗盡型盡型PMOS導(dǎo)電溝道及輸出電流的導(dǎo)電溝道及輸出電流的影響，并推導(dǎo)其電流電壓方程。影響，并推導(dǎo)其電流電壓方程。26第26頁/共43頁第二十六頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。11.3 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)出來的電子全跑掉了27第27頁/共43頁第二十七頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。11.3 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：0SBV0S

16、BV28第28頁/共43頁第二十八頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。11.3 MOSFET原理 襯底偏置效應(yīng)(3)現(xiàn)象 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； 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伲?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；29第29頁/共43頁第二十九頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。11.3 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)30第30頁/共43頁第三十頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。小

17、節(jié)內(nèi)容 襯底偏置效應(yīng) P阱更負(fù)，n管閾值上升 N襯底更正，p管閾值更負(fù) 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=0.66V31第31頁/共43頁第三十一頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。11.4 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)32第32頁/共43頁第三十二頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。11.4 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-V

18、DS曲線的斜率有關(guān)33第33頁/共43頁第三十三頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。11.4 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)入本征參數(shù)低頻條件下只計(jì)入低頻條件下只計(jì)入rds34第34頁/共43頁第三十四頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。11.4 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(shí)間容充電需要時(shí)間限制因素限制因素1：溝道載流子從源到漏：溝道載流子從源到漏運(yùn)動需要時(shí)間運(yùn)動需要時(shí)間溝道渡越時(shí)間通常不是主要頻率限制因素對Si MOSFET，飽和漂移速度35第35頁/共43頁第三十五頁，

19、編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。11.4 頻率限制特性 電流-頻率關(guān)系負(fù)載電阻輸入電流輸出電流對柵電容充電需要時(shí)間消去電壓變量VD36第36頁/共43頁第三十六頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。11.4 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(shí)，器件飽和時(shí)，Cgd=0，寄，寄生電容成為影響輸入阻生電容成為影響輸入阻抗的重要因素?？沟闹匾蛩?。37第37頁/共43頁第三十七頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。11.4 頻率限制特 截止頻率推導(dǎo)截止頻率：電流增益為截止頻率：電流增益為1時(shí)的頻率。時(shí)的頻率。提高頻率特性：提高遷移率（100方向

20、，工藝優(yōu)質(zhì)）；縮短L；減小寄生電容；增大跨導(dǎo)；38第38頁/共43頁第三十八頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。11.5 CMOS技術(shù) 什么是CMOS？n溝溝MOSFETp溝溝MOSFET CMOS（Complentary MOS，互補(bǔ)CMOS）使n溝MOSFET與p溝MOSFET取長補(bǔ)短 實(shí)現(xiàn)低功耗、全電平擺幅數(shù)字邏輯電路的首選工藝場氧（用作管間、互連-襯底間隔離）柵氧（用作MOS電容的介質(zhì)）通常接電路最低電位通常接電路最高電位39第39頁/共43頁第三十九頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 三十九分。11.6 小結(jié) 1 MOS電容是MOSFET的核心。隨表面勢的不同，半導(dǎo)體表面可以處于堆積、平帶、耗盡、本征、弱反型、強(qiáng)反型等狀態(tài)。 MOSFET導(dǎo)通時(shí)工作在強(qiáng)反型狀態(tài) 柵壓、功函