MOS場效應管的特性學習教案

1、會計學1MOS場效應管的特性場效應管的特性(txng)第一頁，共69頁。5.7 MOS器件的二階效應2第1頁/共68頁第二頁，共69頁。3第2頁/共68頁第三頁，共69頁。4第3頁/共68頁第四頁，共69頁。n通常選取L= Lmin，由此，設計者只需選取WnW影響MOSFET的速度，決定電路驅(qū)動(q dn)能力和功耗5第4頁/共68頁第五頁，共69頁。6第5頁/共68頁第六頁，共69頁。7dsdsVLELL 2為載流子速度，Eds= Vds/L為漏到源方向電場強度(qingd)，Vds為漏到源電壓。 為載流子遷移率： n = 650 cm2/(V.s) 電子遷移率(NMOS) p = 240

2、cm2/(V.s) 空穴遷移率(PMOS)第6頁/共68頁第七頁，共69頁。82221()2 1 1 22geoxoxdsgedsgsTdsdsoxoxdsoxgsTdsdsoxgegsTdsCVWLQWIV VVVVVLtLtLVWVVVVLVVVtV = .0 柵極(shn j)-溝道間氧化層介電常數(shù), = 4.5, 0 .10-11 C.V-1.m-1Vge：柵級對襯底的有效控制電壓第7頁/共68頁第八頁，共69頁。9當Vgs-VT=Vds時，滿足:Ids達到最大值Idsmax，其值為 Vgs-VT=Vds，意味著近漏端的(dund)柵極有效控制電壓Vge=Vgs-VT-Vds=Vgs-

3、Vds-VT = Vgd-VT =0感應電荷為0，溝道夾斷，電流不會再增大，因而，這個 Idsmax 就是飽和電流。0dsdsdVdI2Tgsoxoxdsmax21VVLWtI第8頁/共68頁第九頁，共69頁。10IdsVds0線性區(qū)飽和區(qū)擊穿區(qū)11bVaIgsCVdsds22TgsdsVVaI212oxdsgsTdsdsoxWIVVVVtL 2oxdsgsTox12WIVVtL 第9頁/共68頁第十頁，共69頁。11oxoxoxoxoxtWLtWLC第10頁/共68頁第十一頁，共69頁。12111SioxCCC第11頁/共68頁第十二頁，共69頁。13ASiSiqN1 1221pSiAASi

4、XqNdxdxqNASipNqX2第12頁/共68頁第十三頁，共69頁。14ASiASiApAqNWLNqWLNWLXqNQ22q 221221ASiASiSiqNWLqNWLdvdQC在耗盡層中束縛電荷的總量為是耗盡層兩側(lin c)電位差的函數(shù)，耗盡層電容為第13頁/共68頁第十四頁，共69頁。15第14頁/共68頁第十五頁，共69頁。16第15頁/共68頁第十六頁，共69頁。174） 當Vgs增加，達到VT值，Si表面電位(din wi)的下降，能級下降已達到P型襯底的費米能級與本征半導體能級差的二倍。它不僅抵消了空穴，成為本征半導體，而且在形成的反型層中，電子濃度已達到原先的空穴濃度

5、這樣的反型層就是強反型層。顯然，耗盡層厚度不再增加，CSi也不再減小。這樣， 就達到最小值Cmin。 最小的CSi是由最大的耗盡層厚度Xpmax計算出來的。oxSioxSiCCCCC第16頁/共68頁第十七頁，共69頁。18第17頁/共68頁第十八頁，共69頁。19第18頁/共68頁第十九頁，共69頁。20第19頁/共68頁第二十頁，共69頁。21第20頁/共68頁第二十一頁，共69頁。22第21頁/共68頁第二十二頁，共69頁。23dsdsTgsoxdsVVVVLWtI21第22頁/共68頁第二十三頁，共69頁。242ds21TgsoxVVLWtI2ds21TgsoxVVLLWtIn 若處于

6、(chy)飽和狀態(tài)，則表明溝道電荷(dinh)已與Vds無關，溝道已夾斷。那么，在飽和狀態(tài)下，溝道長度受到Vds的調(diào)制，有效溝道長度L-L變小第23頁/共68頁第二十四頁，共69頁。25第24頁/共68頁第二十五頁，共69頁。26Cap.N+Act.P+Act.PolyM1M2M3UnitsArea (sub.)5269378325108aF/um2Area (poly)541811aF/um2Area (M1)46 17aF/um2Area (M2)49aF/um2Area (N+act.)3599aF/um2Area (P+act.)3415aF/um2Fringe (sub.)24926

7、1aF/um第25頁/共68頁第二十六頁，共69頁。27PolyPolyElectrodeMetal1Metal2PolyP+P+P+N+N+Metal3N_wellSUB88013832213109514503452648159864463614308363214086734123517383929625762Cross view of parasitic capacitor of TSMC_0.35um CMOS technology第26頁/共68頁第二十七頁，共69頁。增強型(Enhancement)：在正常情況下它是截止的，只有當Vgs“正”到一定程度，才會導通，故用作開關。28第2

8、7頁/共68頁第二十八頁，共69頁。29=概念上講, VT就是(jish)將柵極下面的Si表面從P型Si變?yōu)镹型Si所必要的電壓。 它由兩個分量組成, 即: VT= Us+ Vox=Us : Si表面電位; =Vox: SiO2層上的壓降。第28頁/共68頁第二十九頁，共69頁。30iabpSnNqkTqUln22第29頁/共68頁第三十頁，共69頁。31aiaSioxaNqnNkTCqNV2ox/ln40XMOS-toxXmEoxE0ExmE(X)第30頁/共68頁第三十一頁，共69頁。32aiaSioxaiaoxsTNqnNkTCqNnNqkTVUV2/ln4ln2在工藝環(huán)境確定后，MOS

9、管的閾值電壓VT主要決定(judng) 1. 襯底的摻雜濃度Na。 2. CoxoxoxoxoxoxtWLtWLC第31頁/共68頁第三十二頁，共69頁。必接地, 源極不接地時對VT值的影響稱為 體 效 應 ( B o d y Effect)。33第32頁/共68頁第三十三頁，共69頁。34某一CMOS工藝(gngy)條件下，NMOS閾值電壓隨源極-襯底電壓的變化曲線第33頁/共68頁第三十四頁，共69頁。35MOSFET的溫度特性主要來源于溝道(u do)中載流子的遷移率 和閾值電壓VT隨溫度的變化。載流子的遷移率隨溫度變化的基本特征是： T 由于 所以，T gm閾值電壓VT的絕對值同樣是隨

10、溫度的升高而減?。篢 VTVT(T) (2 4) mV/CVT的變化還與襯底的雜質(zhì)濃度Ni和氧化層的厚 度tox有關： (Ni , tox) VT(T) Tgsoxm VVLWtg第34頁/共68頁第三十五頁，共69頁。36MOSFET的噪聲(zoshng)來源主要由兩部分： 熱噪聲(zoshng)(thermal noise) 閃爍噪聲(zoshng)(flicker noise，1/f-noise) 第35頁/共68頁第三十六頁，共69頁。37fgTvm2eg32DSoxm2ILtWg2eg vW2eg vIdsn是由溝道內(nèi)載流子的無規(guī)則熱運動造成 的，通過溝道電阻生成(shn chn)熱

11、噪聲電壓 veg(T，t)，其等效電壓值可近似表達為f為所研究yi的頻帶寬度, T是絕對溫度.n設MOS模擬電路(dinl)工作在飽和區(qū), gm可寫為結論：增加MOS的柵寬和偏置電流，可減小器件的熱噪聲第36頁/共68頁第三十七頁，共69頁。38ffWLtKvf1ox22/1 形成機理：溝道處SiO2與Si界面(jimin)上電子的充放電閃爍噪聲的等效(dn xio)電壓值系數(shù)K2典型值為31024V2F/Hz。因為 1，所以閃爍噪聲被稱之為1/f 噪聲。 電路設計時，增加柵寬W，可降低閃爍噪聲。 第37頁/共68頁第三十八頁，共69頁。39和振蕩器等模擬電路的設計是至關重要的；FET(MOS

12、FET, MESFET等)的1/f 噪聲都高出相應的BJT的1/f 噪聲約10倍。這一特征在考慮振蕩器電路方案時必須(bx)要給予重視。第38頁/共68頁第三十九頁，共69頁。402dsdsTgsoxds21 VVVVLWtI2Tgsoxds2 VVLWtIl MOSFET尺寸(ch cun)縮小對器件性能的影響非飽和區(qū)飽和(boh)區(qū)第39頁/共68頁第四十頁，共69頁。41第40頁/共68頁第四十一頁，共69頁。42第41頁/共68頁第四十二頁，共69頁。43第42頁/共68頁第四十三頁，共69頁。44第43頁/共68頁第四十四頁，共69頁。45constantgsdsmds VVIgTg

13、soxm VVLWtg)(Tgs2gm0VVLCg根據(jù)(gnj)MOSFET的跨導 gm的定義為：MOSFET I-V特性(txng)求得MOSFET的優(yōu)值:第44頁/共68頁第四十五頁，共69頁。46oxgdgsg tLWCCCL第45頁/共68頁第四十六頁，共69頁。47第46頁/共68頁第四十七頁，共69頁。48oxggsgdox (, , )W LLWtCCCt D 基本(jbn)不變, 但是結論：器件尺寸連同VDD同步縮小，器件的速度提高。第47頁/共68頁第四十八頁，共69頁。49第48頁/共68頁第四十九頁，共69頁。50第49頁/共68頁第五十頁，共69頁。51第50頁/共68

14、頁第五十一頁，共69頁。52第51頁/共68頁第五十二頁，共69頁。53第52頁/共68頁第五十三頁，共69頁。54FPSaSioxFPFBTUqNCVV2212第53頁/共68頁第五十四頁，共69頁。55場注入(zh r)第54頁/共68頁第五十五頁，共69頁。式中W就是bird beak侵入部分，其大小(dxio)差不多等于氧化區(qū)厚度的數(shù)量級。當器件尺寸還不是很小時，這個W影響不大；當器件縮小后，這個W是可觀的，它影響了開啟電壓。56第55頁/共68頁第五十六頁，共69頁。57另一方面，注入?yún)^(qū)也有影響。由于P+區(qū)是先做好的，后來在高溫氧化時，這個P+區(qū)中的雜質(zhì)也擴散了，侵入到管子區(qū)域，改變

15、了襯底的濃度Na，影響了開啟(kiq)電壓。同時，擴散電容也增大了，N+區(qū)與P+區(qū)的擊穿電壓降低。另外，柵極長度L不等于原先版圖上所繪制的Ldrawn，也減小了，如圖所示。Ldrawn是圖上繪制的柵極長度(chngd)。Lfinal是加工完后的實際柵極長度(chngd)。Lfinal = Ldrawn2Lpoly第56頁/共68頁第五十七頁，共69頁。58第57頁/共68頁第五十八頁，共69頁。59第58頁/共68頁第五十九頁，共69頁。60 MTTTT121020第59頁/共68頁第六十頁，共69頁。61cvvvccvvVVVVVVf對對 /1 Vc是臨界電壓，Vc=ctox，c是臨界電場，

16、c=2105 V/cm 。垂直(chuzh)值退化大約為25%50%。第60頁/共68頁第六十一頁，共69頁。62第61頁/共68頁第六十二頁，共69頁。63DsatdsSiVVqN2簡化的MOS原理中，認為飽和后，電流(dinli)不再增加。事實上，飽和區(qū)中，當Vds增加時，Ids仍然增加的。這是因為溝道兩端的耗盡區(qū)的寬度增加(zngji)了，而反型層上的飽和電壓不變，溝道距離減小了，于是溝道中水平電場增強了，增加(zngji)了電流。故器件的有效溝道長度為 L = L漏極區(qū)的耗盡區(qū)的寬度VdsVDsat是耗盡區(qū)上的電壓如果襯底摻雜高，那么這種調(diào)制效應就減小了第62頁/共68頁第六十三頁，共69頁。64第63頁/共68頁第六十四頁，共69頁。65柵極感應