第十章MOSFET基礎(2)(MOSFET工作原理,頻率,CMOS)

1、10.3 MOSFET原理原理2015-1110.3 MOSFET10.3 MOSFET基本工作原理基本工作原理nMOSFETMOSFET結構結構n電流電壓關系電流電壓關系概念概念n電流電壓關系電流電壓關系推導推導n跨導跨導n襯底偏置效應襯底偏置效應210.3 MOSFET原理 MOSFETMOSFET結構結構N N 溝道增強型溝道增強型MOS MOS 場效應管的場效應管的結構示意圖結構示意圖BPGN+N+源源漏漏SDSiO2Ltox1.1.結構結構SGDB2.2.符號符號3.3.基本參數基本參數溝道長度溝道長度 L(L(跟工藝水平有關跟工藝水平有關) )溝道寬度溝道寬度 W W柵氧化層厚度柵

2、氧化層厚度 t toxox310.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 MOSFETMOSFET分類分類(1)(1)n溝道溝道MOSFETp p型襯底，型襯底，n n型溝道，電子導電型溝道，電子導電V VDSDS00，使電子從源流到漏，使電子從源流到漏p溝道溝道MOSFETn n型襯底，型襯底，p p型溝道，空穴導電型溝道，空穴導電V VDSDS000n n溝道溝道耗盡型耗盡型MOSFETMOSFET零柵壓時已存在反型溝道，零柵壓時已存在反型溝道，V VTNTN00按照零柵壓時有無導電溝道可分為：按照零柵壓時有無導電溝道可分為：510.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理

3、MOSFETMOSFET分類分類(3)(3)p p溝道溝道增強型增強型MOSFETMOSFET零柵壓時不存在反型溝道，零柵壓時不存在反型溝道，V VTPTP0006增強型：柵壓為增強型：柵壓為0時不導通時不導通N溝（正電壓開啟溝（正電壓開啟 “1”導通）導通）P溝（負電壓開啟溝（負電壓開啟 “0”導通）導通）耗盡型：柵壓為耗盡型：柵壓為0時已經導通時已經導通N溝（很負才關閉）溝（很負才關閉）P溝（很正才關閉）溝（很正才關閉）710.3.2 N 10.3.2 N 溝道增強型溝道增強型 MOS MOS 場效應管工作原理場效應管工作原理1. 1. V VGSGS對半導體表面空間電荷區(qū)狀態(tài)的影響對半導

4、體表面空間電荷區(qū)狀態(tài)的影響( (1) ) VGS = 0漏源之間相當于兩個背靠背的漏源之間相當于兩個背靠背的 PN PN 結，無論漏源之間加何種極結，無論漏源之間加何種極性電壓，性電壓，總是不導電總是不導電。SBD當當V VGSGS 逐漸增大時，柵氧化逐漸增大時，柵氧化層下方的半導體表面會發(fā)層下方的半導體表面會發(fā)生什么變化？生什么變化？BPGSiO2SDN+N+8( (2) ) VGS 00逐漸增大逐漸增大 柵氧化層中的場強越來越大，柵氧化層中的場強越來越大，它們排斥它們排斥P P型襯底靠近型襯底靠近 SiOSiO2 2 一側一側的空穴，的空穴，形成由負離子組成的耗形成由負離子組成的耗盡層。盡

5、層。增大增大 V VGSGS 耗盡層變寬耗盡層變寬。 當當V VGSGS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V VDSDS的作用下，的作用下，I ID D將進一步增加。將進一步增加。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 P型襯底的電子，會在耗盡層和型襯底的電子，會在耗盡層和 SiOSiO2 2 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 N 型型導電溝道導電溝道。這時，在這時，在V VDSDS的作用下就會形成的作用下就會形成I ID

6、D。(3) V(3) VGSGS 繼續(xù)增大繼續(xù)增大 弱反型弱反型 強反型強反型VDS9 閾值電壓：閾值電壓：使半導體表面達到強反型時所需加的柵使半導體表面達到強反型時所需加的柵源電壓。用源電壓。用V VT T表示。表示。閾值電壓閾值電壓 MOS MOS場效應管利用場效應管利用V VGSGS來控制半導體表面來控制半導體表面“感應感應電荷電荷”的多少，來改變溝道電阻，從而控制漏極電的多少，來改變溝道電阻，從而控制漏極電流流 I ID D。 MOSFETMOSFET是一種是一種電壓控制型器件電壓控制型器件。 MOSFETMOSFET能夠工作的能夠工作的關鍵關鍵是半導體表面是半導體表面必須有導必須有導

7、電溝道電溝道，而只有表面達到強反型時才會有溝道形成。，而只有表面達到強反型時才會有溝道形成。 102. VDS對導電溝道的影響對導電溝道的影響(VGSVT)c.VDS=VGSVT，即即VGD=VT：靠近漏極溝道達到臨界開啟程度，出現預靠近漏極溝道達到臨界開啟程度，出現預夾斷，夾斷，VDS=VDSat；b.0VDSVT:導電溝道呈現一個楔形，靠近漏端的導電溝道呈現一個楔形，靠近漏端的導電溝道減??；導電溝道減??；VDS 0，但值較小時：，但值較小時：VDS對溝道影響可忽略，溝道厚對溝道影響可忽略，溝道厚度均勻；度均勻；VDSVGSBPGN+N+SDd.VDSVGSVT，即即VGDVT：夾斷區(qū)發(fā)生擴

8、展，夾斷點向源端移動。夾斷區(qū)發(fā)生擴展，夾斷點向源端移動。VGD=VGSVDSVGSEL 113 3 . . N N 溝道增強型溝道增強型 MOS MOS 場效應管的特性曲線場效應管的特性曲線1 1）輸出特性曲線）輸出特性曲線( (假設假設V VGSGS=5V)=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預夾斷軌跡預夾斷軌跡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=V

9、TBPN+N+VDSVGSGSDVGSVT( (a) )VDS很小很小VGSBPGN+N+SDVDSVGSVGDVGS ID=IDSat12VT VGS /VID /mAO2 2）轉移特性曲線）轉移特性曲線( (假設假設V VDSDS=5V)=5V) a. Va. VGSGS V V VT T 器件內存在導電溝道，器件內存在導電溝道，器件處于器件處于導通導通狀態(tài)，有輸狀態(tài)，有輸出電流。且出電流。且V VGSGS越大，溝道越大，溝道導電能力越強，輸出電導電能力越強，輸出電流越大。流越大。 轉移特性曲線轉移特性曲線134. N 4. N 溝道溝道耗盡型耗盡型 MOS MOS 場效應管場效應管BPG

10、N+N+SDSiO2+ + + + + + （1 1） N N溝道溝道耗盡型耗盡型MOSMOS場效應管結構場效應管結構1 1、 結構結構2 2、 符號符號SGDB14ID/mAVGS /VOVP(b)(b)轉移特性轉移特性IDSS(a)(a)輸出輸出特性特性ID/mAVDS /VO+1VVGS=0- -3 V- -1 V- -2 V432151015 20（2 2）基本工作原理）基本工作原理a. a. 當當V VGSGS=0=0時，時，V VDSDS加正向電壓，加正向電壓，產生漏極電流產生漏極電流I ID D, ,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I IDSS

11、DSS表示。表示。b. b. 當當V VGSGS0 0時，時，I ID D進一步增加進一步增加。c. c. 當當V VGSGS0 0時，隨著時，隨著V VGSGS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I ID D=0=0。對應對應I ID D=0=0的的V VGSGS稱為夾斷電壓，稱為夾斷電壓，用符號用符號V VP P表示表示。15種種 類類符號符號轉移特性曲線轉移特性曲線輸出特性曲線輸出特性曲線 NMOSNMOS增強型增強型耗盡型耗盡型PMOSPMOS增強型增強型耗盡型耗盡型IDSGDBSGDBIDSGDBIDSGDBIDVGSIDOVTIDVGSVPIDSSOVDSID_

12、VGS=0+_OIDVGSVTOIDVGSVPIDSSO_ _IDVGS=VTVDS_ _o o_ _+VDSID+OVGS=VTIDVGS= 0V+ +_ _VDSo o+ +16小小 結結 工作原理：工作原理：V VGSGS ：耗盡耗盡 弱反型弱反型 強反型強反型 V VDS DS ：減薄減薄 夾斷夾斷 擴展擴展 定性分析定性分析17 耗盡型器件形成的原因，其基本特性與增強型器件之間的不耗盡型器件形成的原因，其基本特性與增強型器件之間的不同點同點。 按照導電類型分按照導電類型分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

13、增強型和耗盡型增強型和耗盡型兩種形式。兩種形式。 NMOSNMOS和和PMOSPMOS結構十分相似，只是兩者的結構十分相似，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)) ) 轉移特性曲線轉移特性曲線( (表征了表征了V VGSGS對對I ID D的的控制控制能力能力) )10.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 I-VI-V特性特性: :基本假設基本假設xEyExyn溝道中的電流是由漂移而非擴散產生的（長溝器件）溝道中的電流是由漂移而非擴散產生的（長溝器件）

14、n柵氧化層中無電流柵氧化層中無電流n緩變溝道近似，即垂直于溝道方向上緩變溝道近似，即垂直于溝道方向上 的電場變化遠大于平行于溝道方向上的電場變化遠大于平行于溝道方向上 的電場變化的電場變化 ( (近似認為方向為常數近似認為方向為常數) )n氧化層中的所有電荷均可等效為氧化層中的所有電荷均可等效為 Si-SiO Si-SiO2 2界面處的有效電荷密度界面處的有效電荷密度n耗盡層厚度沿溝道方向上是一耗盡層厚度沿溝道方向上是一 個常數個常數n溝道中的載流子遷移率與空間溝道中的載流子遷移率與空間 坐標無關坐標無關n襯底與源極之間的電壓為零襯底與源極之間的電壓為零18xxE)(EnxyenJ電流密度電流

15、密度:(漂移電流漂移電流密度為密度為)10.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 I-VI-V特性特性: :溝道電流溝道電流X方向的電流強度：方向的電流強度：x0000( )EccWxWxxxnIJ dydzen ydydz 0( )cxnQen y dy -WWdz0 xEnnWQ -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-xExxnndVIWQdx1910.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 I-VI-V特性特性: :電中性條件電中性條件0(max)+SDnssmQQQQ20高斯定理123456n112233445566EEEEEEES

16、SSSSSSdSdSdSdSdSdSdS+相互抵消相互抵消E5=E6=0，即使有也相互抵消，即使有也相互抵消E30WdxQQQQSDnssT)(max)+STQdSnE表面所在材料表面所在材料的介電常數的介電常數某閉合表面某閉合表面沿閉合表面向外法線方向沿閉合表面向外法線方向的電場強度的電場強度該閉合表面所包圍區(qū)該閉合表面所包圍區(qū)域的總電荷量域的總電荷量(max)oxESDnssoxQQQ+-10.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 I-VI-V特性特性: :表面電荷表面電荷444oxEEoxSdSWdx -dxW24315621fpe2msfpoxxGSVVV+-2 FpFmEE

17、- ()22gmsmfpsfpEe-+10.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 I-VI-V特性特性: :氧化層電勢氧化層電勢()GSxe VV-( ) ( )2gmoxsfpEeVe+-+-+2210.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 I-VI-V特性特性: :反型層電荷與電場反型層電荷與電場ox(max)(max)EoxssnSDssnSDQQQQQQ-+-oxEoxoxVtmsfpoxxGSVVV+-2氧化層電勢氧化層電勢(max)2oxnSDssGSxfpmsoxQQQVVt -+-+半導體表面空間電荷半導體表面空間電荷區(qū)的單位面積電荷區(qū)的單位面積電荷氧化層中

18、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不應是不應是x或或Vx的函數的函數（電流連續(xù)性定律（電流連續(xù)性定律）x00IDSLVDxI dxdV)0()(22)(2satDSDSTGSDSDSTGSoxnDVVVVVVVVLCWI-，當2310.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 I-VI-V特性特性: :線性區(qū)與飽和區(qū)線性區(qū)與飽和區(qū)，處于飽和區(qū)若無關與TGSDSDSTGSoxnsatDVVVVV

19、VLCWI-2)()(2，處于線性區(qū)若TGSDSDSDSTGSoxnDVVVVVVVLCWI-)(0)(satDSDSVVDSDVITGSsatDSVVV-)()(222DSDSTGSoxnDVVVVLCWI-2410.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 和和V VT T的測試提取方法的測試提取方法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-高場下遷移率隨高場下遷移率隨電場上升而下降電場上升而下降存在亞閾值電流n溝耗盡型溝耗盡型n

20、溝增強型溝增強型25存在亞閾值電流存在亞閾值電流存在亞閾值電流存在亞閾值電流10.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 p p溝增強型溝增強型MOSFETMOSFET的的I-VI-V特性特性)(222SDSDTSGoxpDVVVVLCWI-+非飽和區(qū)DSTSGoxpDVVVLCWI)(+線性區(qū)2()()2poxD satSGTSD satSGTWCIVVLVVV+（飽和區(qū)注：注：Vds=-Vsd Vgs=-Vsg,等等2610.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 跨導跨導( (晶體管增益晶體管增益):):模型模型常數DSVGSDmVIg()20)2()2DSDS satn

21、oxDGSTDSDSVVWCIVV VVL-非飽和區(qū)（含線性區(qū)，()2)()2DSDS satnoxDGSTVVWCIVVL-飽和區(qū)（含線性區(qū)，跨導用來表征跨導用來表征MOSFETMOSFET的的放大能力：放大能力：noxnoxoxWCWLL t 令材料參數材料參數設計參數設計參數工藝參數工藝參數nW Loxt影響跨導的因素：影響跨導的因素：DSnoxmLDSGSVWCgVLV與無關()GSTnoxmsGSTDSVVWCgVVLV-與無關27小節(jié)內容小節(jié)內容n電流電壓關系電流電壓關系推導推導n跨導跨導n器件結構器件結構n遷移率遷移率n閾值電壓閾值電壓nW WnL L nt toxox)0()(

22、22)(2satDSDSTGSDSDSTGSoxnDVVVVVVVVLCWI-，當2810.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 襯底偏置效應襯底偏置效應(1)(1)0必須反偏或必須反偏或零偏零偏Vsb=Vs-Vb0,即Vb更負（這樣才反偏）在溝道源端感應出來在溝道源端感應出來的電子全跑掉了的電子全跑掉了2910.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 襯底偏置效應襯底偏置效應(2)(2)能帶圖能帶圖襯底偏壓襯底偏壓表面準費米能級表面準費米能級反型條件反型條件耗盡層電荷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：0SBV0SBV3010.3 MOSFET

23、10.3 MOSFET原理原理 襯底偏置效應襯底偏置效應(3)(3)現象現象n反型層電子勢能比源端電子勢能高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電子更容易從反型層流到源區(qū)源區(qū)達到反型所需的電子濃度需更高的柵壓；達到反型所需的電子濃度需更高的柵壓；n反型層反型層- -襯底之間的電勢差更大襯底之間的電勢差更大表面耗盡層更寬、電荷更多表面耗盡層更寬、電荷更多同樣柵壓下反型層電荷更少；同樣柵壓下反型層電荷更少；n表面費米能級更低表面費米能級更低要達到強反型條件需要更大的表面勢；要達到強反型條件需要更大的表面勢；3110.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 襯底偏置效應襯底偏

24、置效應(4)(4)閾值電壓閾值電壓負的耗盡層負的耗盡層電荷更多電荷更多需更大的正柵壓才能反型，需更大的正柵壓才能反型，且且V VSBSB越大，越大，V VT T越大越大體效應系數體效應系數32小節(jié)內容小節(jié)內容n襯底偏置效應襯底偏置效應nP P阱更負，阱更負，n n管閾值上升管閾值上升nN N襯底更正，襯底更正，p p管閾值更負管閾值更負n此種類型偏置經常做模擬用途。此種類型偏置經常做模擬用途。例例11.1011.10：T=300KT=300K，Na=3Na=310101616cmcm-3-3，t toxox=500=500埃，埃，V VSBSB=1V=1VV VT T=0.66V=0.66V3

25、3 10.4 10.4頻率限制特性頻率限制特性 交流小信號參數交流小信號參數源極串聯(lián)源極串聯(lián)電阻電阻柵源交疊柵源交疊電容電容漏極串聯(lián)漏極串聯(lián)電阻電阻柵漏交疊柵漏交疊電容電容漏漏-襯底襯底pn結電容結電容柵源電容柵源電容柵漏電容柵漏電容跨導跨導寄生參數寄生參數本征參數本征參數3410.4 10.4 頻率限制特性頻率限制特性 完整的小信號等效電路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源電容總的柵漏電容總的柵漏電容與與ID-VDS曲線曲線的斜率有關的斜率有關3510.4 10.4 頻率限制特性頻率限制特性 簡化的小信號等效電路簡化的小信號等效電路

26、低頻條件下只計入低頻條件下只計入rs只計入本征參數只計入本征參數msmmmdgsmgssmmgsmdgsgssmsgsmgsgssgrgggIVgVrggVgIVVrgrVgVVr+11)1 ()(的影響低頻條件下只計入低頻條件下只計入rds3610.4 10.4 頻率限制特性頻率限制特性 MOSFETMOSFET頻率限制因素頻率限制因素限制因素限制因素2 2：對柵電極或電容充電需要時間對柵電極或電容充電需要時間限制因素限制因素1 1：溝道載流子從源到漏運動需要時間溝道載流子從源到漏運動需要時間710 cm/s; 1msatvLGHz1001ps10ttsltfvL截止頻率溝道渡越時間溝道渡越

27、時間通常不溝道渡越時間通常不是主要頻率限制因素是主要頻率限制因素對對Si MOSFETSi MOSFET，飽和漂移速度，飽和漂移速度3710.4 10.4 頻率限制特性頻率限制特性 電流電流- -頻率關系頻率關系負載電阻負載電阻-+-+)(/)(gsdTgdgsmLdddgsTgdgsTgsiVVCjVgRVIVVCjVCjI11mLigsTgdTgsLgdTg RIjCCVj R C+)1 (LmTgdMRgCC+密勒電容1TgdLCR通常輸入電流輸入電流輸出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消去電壓變量VD(1)gsTgdTmLgsjCCg RV+gsTMgs

28、jCCV+3810.4 10.4 頻率限制特性頻率限制特性 密勒電容等效密勒電容等效)1 (LmTgdMRgCC+密勒電容只計入本征參數只計入本征參數器件飽和時，器件飽和時，C Cgdgd=0=0，寄生電容，寄生電容成為影響輸入阻抗的重要因素。成為影響輸入阻抗的重要因素。3910.4 10.4 頻率限制特頻率限制特 截止頻率推導截止頻率推導igsTMgsdmgsIjCCVIg V+輸入電流輸出電流12 ()2dimmmTIgsTMGIGgsTMgggffCCCCCC+跨導截止頻率等效輸入柵極電容G0, (1)0 , ()gdMgdTmLgsTgsoxnoxmGSTCCCg RCCCC WLWC

29、gVVL+-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 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：提高頻率特性：提高遷移率（提高遷移率（100100方向，工藝優(yōu)質）；縮短方向，工藝優(yōu)質）；縮短L L；減小寄生電容；增大跨導；減小寄生電容；增大跨導；12()dmigsTMIgIf CC+電流增益4010.5 CMOS10.5 CMOS技術技術 什么是什么是CMOSCMOS？n n溝溝MOSFETMOSFETp溝溝MOSFETnCMOSCMOS（Complentary MOSComplentar

30、y MOS，互補，互補CMOSCMOS）n使使n n溝溝MOSFETMOSFET與與p p溝溝MOSFETMOSFET取長補短取長補短n實現低功耗、全電平擺幅實現低功耗、全電平擺幅n數字邏輯電路的首選工藝數字邏輯電路的首選工藝場氧（用作管場氧（用作管間、互連間、互連-襯底襯底間隔離）間隔離）柵氧（用作柵氧（用作MOS電容的電容的介質）介質）通常接電路最低電位通常接電路最低電位通常接電路最高通常接電路最高電位電位4110.6 10.6 小結小結 1nMOSMOS電容是電容是MOSFETMOSFET的核心。隨表面勢的不同，半導體表面可以的核心。隨表面勢的不同，半導體表面可以處于堆積、平帶、耗盡、本征、弱反型、強反型等狀態(tài)。處于堆積、平帶、耗盡、本征、弱反型、強反型等狀態(tài)。 MOSFETMOSFET導通時工作在強反型狀態(tài)導通時工作在強反型狀態(tài)n柵壓、功函數差、氧化層電荷都會引起半導體表面能帶的彎曲柵壓、功函數差、氧化層電荷都會引起半導體表面能帶的彎曲或表面勢?；虮砻鎰?。n表面處于平帶時的柵壓為平帶電