第五章2MOSFET

1、 場效應(yīng)晶體管（場效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor，F(xiàn)ET）是另一類）是另一類重要的微電子器件。這是一種重要的微電子器件。這是一種電壓控制型多子導(dǎo)電器件電壓控制型多子導(dǎo)電器件，又稱，又稱為為單極型晶體管單極型晶體管。這種器件與雙極型晶體管相比，有以下優(yōu)點。這種器件與雙極型晶體管相比，有以下優(yōu)點 輸入阻抗高；輸入阻抗高； 溫度穩(wěn)定性好；溫度穩(wěn)定性好； 噪聲??；噪聲?。?大電流特性好；大電流特性好； 無少子存儲效應(yīng)，開關(guān)速度高；無少子存儲效應(yīng)，開關(guān)速度高； 制造工藝簡單；制造工藝簡單； 各管之間存在天然隔離，適宜于制作各管之間存在天然隔離，適宜于制作 VLSI 。結(jié)型柵場

2、效應(yīng)晶體管結(jié)型柵場效應(yīng)晶體管（ J FET ）肖特基勢壘柵場效應(yīng)晶體管（肖特基勢壘柵場效應(yīng)晶體管（ MESFET ）絕緣柵場效應(yīng)晶體管絕緣柵場效應(yīng)晶體管（ IGFET 或或 MOSFET ) 場效應(yīng)晶體管（場效應(yīng)晶體管（FET）的分類的分類 JFET 和和 MESFET 的工作原理相同。以的工作原理相同。以 JFET 為例，用一為例，用一個低摻雜的半導(dǎo)體作為導(dǎo)電溝道，在半導(dǎo)體的一側(cè)或兩側(cè)制作個低摻雜的半導(dǎo)體作為導(dǎo)電溝道，在半導(dǎo)體的一側(cè)或兩側(cè)制作 PN 結(jié)，并加上反向電壓。結(jié)，并加上反向電壓。利用利用 PN 結(jié)勢壘區(qū)寬度隨反向電壓的結(jié)勢壘區(qū)寬度隨反向電壓的變化而變化的特點來控制導(dǎo)電溝道的截面積，

3、從而控制溝道的變化而變化的特點來控制導(dǎo)電溝道的截面積，從而控制溝道的導(dǎo)電能力。導(dǎo)電能力。兩種兩種 FET 的不同之處僅在于，的不同之處僅在于，JFET 是利用是利用 PN 結(jié)結(jié)作為控制柵，而作為控制柵，而 MESFET 則是利用金則是利用金- 半結(jié)（肖特基勢壘結(jié)）半結(jié)（肖特基勢壘結(jié)）來作為控制柵。來作為控制柵。 IGFET 的工作原理略有不同，利用電場能來控制半導(dǎo)體的的工作原理略有不同，利用電場能來控制半導(dǎo)體的表面狀態(tài)，從而控制溝道的導(dǎo)電能力。表面狀態(tài)，從而控制溝道的導(dǎo)電能力。 根據(jù)溝道導(dǎo)電類型的不同，每類根據(jù)溝道導(dǎo)電類型的不同，每類 FET 又可分為又可分為 N 溝道器件溝道器件 和和 P

4、溝道器件溝道器件。 絕緣柵場效應(yīng)晶體管絕緣柵場效應(yīng)晶體管 按其早期器件的縱向結(jié)構(gòu)按其早期器件的縱向結(jié)構(gòu)又被稱為又被稱為 “金屬金屬 -氧化物氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管”，簡稱為，簡稱為 MOSFET ， 但現(xiàn)在這種器件的柵電極實際不一定是金屬，但現(xiàn)在這種器件的柵電極實際不一定是金屬，絕緣絕緣柵柵也不一定也不一定是是氧化物，但氧化物，但仍被習(xí)慣地稱為仍被習(xí)慣地稱為 MOSFET 。P 型襯底型襯底 以以 N 溝道溝道 MOSFET 為例，為例， 當(dāng)當(dāng) VGS VT 時，柵下時，柵下的的 P 型硅表面發(fā)生型硅表面發(fā)生 強(qiáng)反型強(qiáng)反型 ，形成連通源、漏區(qū)的，形成連通源、漏區(qū)的 N 型

5、型 溝道溝道 ，在在 VDS 作用下產(chǎn)生漏極電流作用下產(chǎn)生漏極電流 ID 。對于恒定的。對于恒定的 VDS ，VGS 越大越大 ，溝道中的電子就越多溝道中的電子就越多 ，溝道電阻就越小，溝道電阻就越小，ID 就越大。就越大。 所以所以 MOSFET 是通過改變是通過改變 VGS 來控制溝道的導(dǎo)電性，從來控制溝道的導(dǎo)電性，從而控制漏極電流而控制漏極電流 ID ，是一種電壓控制型器件。，是一種電壓控制型器件。 轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線：VDS 恒定時的恒定時的 VGS ID 曲線。曲線。MOSFET 的的轉(zhuǎn)移特性反映了柵源電壓轉(zhuǎn)移特性反映了柵源電壓 VGS 對漏極電流對漏極電流 ID 的控制能力的

6、控制能力。 N 溝道溝道 MOSFET 當(dāng)當(dāng)VT 0 時，稱為時，稱為增強(qiáng)型增強(qiáng)型 ，為，為常關(guān)型常關(guān)型。VT 0 時，稱為時，稱為耗盡型耗盡型 ，為，為常開型常開型。IDVGSVT0IDVGSVT0 P 溝道溝道 MOSFET 的特性與的特性與 N 溝道溝道 MOSFET 相對稱，即：相對稱，即： (1) 襯底為襯底為 N 型，源漏區(qū)為型，源漏區(qū)為 P+ 型。型。 (2) VGS 、VDS 的極性以及的極性以及 ID 的方向均與的方向均與 N 溝相反。溝相反。 (3) 溝道中的可動載流子為空穴。溝道中的可動載流子為空穴。 (4) VT 0 時稱為耗盡型時稱為耗盡型（常開型）。（常開型）。 線

7、性區(qū)線性區(qū) 當(dāng)當(dāng) VDS 很小時，溝道就象一個阻值與很小時，溝道就象一個阻值與 VDS 無關(guān)的無關(guān)的 固定電阻固定電阻，這時這時 ID 與與 VDS 成線性關(guān)系，如圖中的成線性關(guān)系，如圖中的 OA 段所示。段所示。 輸出特性曲線：輸出特性曲線：VGS VT 且恒定時的且恒定時的 VDS ID 曲線?？煞譃榍€?？煞譃橐韵乱韵?4 段段 過渡區(qū)過渡區(qū) 隨著隨著 VDS 增大，漏附近的溝道變薄，溝道電阻增大，曲線增大，漏附近的溝道變薄，溝道電阻增大，曲線逐漸下彎。當(dāng)逐漸下彎。當(dāng) VDS 增大到增大到 VDsat ( 飽和漏源電壓飽和漏源電壓 ) 時，漏端處的時，漏端處的可動電子消失，這稱為溝道被可

8、動電子消失，這稱為溝道被 夾斷夾斷，如圖中的，如圖中的 AB 段所示。段所示。 線性區(qū)與過渡區(qū)統(tǒng)稱為線性區(qū)與過渡區(qū)統(tǒng)稱為非飽和區(qū)非飽和區(qū)，有時也統(tǒng)稱為，有時也統(tǒng)稱為線性區(qū)線性區(qū)。 飽和區(qū)飽和區(qū) 當(dāng)當(dāng) VDS VD sat 后，溝道夾斷點左移，漏附近只剩下耗盡區(qū)。后，溝道夾斷點左移，漏附近只剩下耗盡區(qū)。這時這時 ID 幾乎與幾乎與 VDS 無關(guān)而保持常數(shù)無關(guān)而保持常數(shù) ID sat ，曲線為水平直線，如，曲線為水平直線，如圖中的圖中的 BC 段所示。段所示。 實際上實際上 ID 隨隨 VDS 的增大而略有增大，曲線略向上翹。的增大而略有增大，曲線略向上翹。 擊穿區(qū)擊穿區(qū) 當(dāng)當(dāng) VDS 繼續(xù)增大到

9、繼續(xù)增大到 BVDS 時，漏結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，或者漏源時，漏結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，或者漏源間發(fā)生穿通，間發(fā)生穿通，ID 急劇增大，如圖中的急劇增大，如圖中的 CD 段所示。段所示。 將各曲線的夾斷點用虛線連接起來，將各曲線的夾斷點用虛線連接起來，虛線左側(cè)為非飽和區(qū)，虛線左側(cè)為非飽和區(qū)，虛線右側(cè)為飽和區(qū)。虛線右側(cè)為飽和區(qū)。 以以 VGS 作為參變量，可得到不同作為參變量，可得到不同 VGS下的下的 VDS ID 曲線族，曲線族，這就是這就是 MOSFET 的的 輸出特性曲線輸出特性曲線。 4 種類型種類型 MOSFET 的特性曲線小結(jié)的特性曲線小結(jié) 定義：定義：使柵下的硅表面處開始發(fā)生強(qiáng)反型時的柵電壓稱

10、為使柵下的硅表面處開始發(fā)生強(qiáng)反型時的柵電壓稱為閾值電壓閾值電壓 ，記為，記為 VT 。 定義：定義：當(dāng)硅表面處的少子濃度達(dá)到或超過體內(nèi)的平衡多子當(dāng)硅表面處的少子濃度達(dá)到或超過體內(nèi)的平衡多子濃度時，稱為表面發(fā)生了濃度時，稱為表面發(fā)生了 強(qiáng)反型強(qiáng)反型 。 在推導(dǎo)閾值電壓的表達(dá)式時可以近似地采用一維分析，即在推導(dǎo)閾值電壓的表達(dá)式時可以近似地采用一維分析，即認(rèn)為襯底表面下空間電荷區(qū)內(nèi)的空間電荷完全由柵極與襯底之認(rèn)為襯底表面下空間電荷區(qū)內(nèi)的空間電荷完全由柵極與襯底之間的電壓所決定，與漏極電壓無關(guān)。間的電壓所決定，與漏極電壓無關(guān)。 下面推導(dǎo)下面推導(dǎo) P 型襯底型襯底 MOS 結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的閾值電壓閾值電壓

11、。 上圖中，上圖中，0ln1iAFiFPnNqkTEEq）（ 1、理想、理想 MOS 結(jié)構(gòu)（金屬與半導(dǎo)體間的功函數(shù)差結(jié)構(gòu)（金屬與半導(dǎo)體間的功函數(shù)差 MS = 0 ，柵氧化層中的電荷面密度柵氧化層中的電荷面密度 QOX = 0 ）當(dāng)）當(dāng) VG = 0 時的能帶圖時的能帶圖稱為稱為 P 型襯底的費米勢型襯底的費米勢 。 上圖中，上圖中， S 稱為稱為 表面勢表面勢，即從硅表面處到硅體內(nèi)平衡處的，即從硅表面處到硅體內(nèi)平衡處的電勢差，等于能帶彎曲量除以電勢差，等于能帶彎曲量除以 q 。COX 代表單位面積的柵氧化代表單位面積的柵氧化層電容，層電容， ，TOX 代表柵氧化層厚度。代表柵氧化層厚度。 2、

12、實際、實際 MOS 結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)（ MS 0）當(dāng)）當(dāng) VG = 0 時的能帶圖時的能帶圖OXOXOXTCOXSMSOXQqqqC 3、實際、實際 MOS 結(jié)構(gòu)當(dāng)結(jié)構(gòu)當(dāng) VG = VFB 時的能帶圖時的能帶圖 當(dāng)當(dāng) 時，可以使能帶恢復(fù)為平帶狀態(tài)，時，可以使能帶恢復(fù)為平帶狀態(tài)，這時這時 S = 0，硅表面呈電中性。，硅表面呈電中性。VFB 稱為稱為 平帶電壓平帶電壓 。OXOXMSFBGCQVV 4、實際、實際 MOS 結(jié)構(gòu)當(dāng)結(jié)構(gòu)當(dāng) VG = VT 時的能帶圖時的能帶圖 要使表面發(fā)生強(qiáng)反型，應(yīng)使表面處的要使表面發(fā)生強(qiáng)反型，應(yīng)使表面處的 EF - Eis = q FP ，這時，這時能帶總的彎曲量是能帶

13、總的彎曲量是 2q FP ，表面勢為，表面勢為 S = 2 FP 。 外加?xùn)烹妷撼^外加?xùn)烹妷撼^ VFB 的部分（的部分（VG - -VFB）稱為）稱為 有效柵電壓有效柵電壓。有效柵電壓可分為兩部分：降在氧化層上的有效柵電壓可分為兩部分：降在氧化層上的 VOX 與降在硅表面與降在硅表面附近的表面電勢附近的表面電勢 S ，即，即 VG VFB = VOX + S 表面勢表面勢 S 使能帶發(fā)生彎曲。表面發(fā)生強(qiáng)反型時能帶的彎曲使能帶發(fā)生彎曲。表面發(fā)生強(qiáng)反型時能帶的彎曲量是量是 2q FP ，表面勢為，表面勢為 2 FP ，于是可得：，于是可得： VT VFB = VOX + 2 FP VT = V

14、FB + VOX + 2 FP 上式中，上式中， QM 和和 QS 分別代表金屬一側(cè)的分別代表金屬一側(cè)的電荷面密度和半導(dǎo)體一側(cè)的電荷面密度，而電荷面密度和半導(dǎo)體一側(cè)的電荷面密度，而 QS 又是耗盡層電荷又是耗盡層電荷QA 與反型層電荷與反型層電荷 Qn 之和。之和。,OXSOXMOXCQCQVQAQMQn中，可得中，可得 MOS 結(jié)構(gòu)的閾電壓為結(jié)構(gòu)的閾電壓為FPOXFPAOXOXMST22CQCQV 再將再將 和上式代入和上式代入 VT = VFB + VOX + 2 FPOXOXMSFBCQV關(guān)于關(guān)于 QA 的進(jìn)一步推導(dǎo)在以后進(jìn)行。的進(jìn)一步推導(dǎo)在以后進(jìn)行。 作為近似，在剛開始強(qiáng)反型時，可忽略

15、作為近似，在剛開始強(qiáng)反型時，可忽略 Qn 。QA 是是 S 的的函數(shù)，在開始發(fā)生強(qiáng)反型時，函數(shù)，在開始發(fā)生強(qiáng)反型時，QA ( S ) = QA ( 2 FP ) ，故得：，故得：OXFPAOX2CQV 1、閾值電壓一般表達(dá)式的導(dǎo)出、閾值電壓一般表達(dá)式的導(dǎo)出 MOSFET 與與 MOS 結(jié)構(gòu)的不同之處是：結(jié)構(gòu)的不同之處是： a) 柵與襯底之間的外加電壓由柵與襯底之間的外加電壓由 VG 變?yōu)樽優(yōu)?(VG - -VB) ，因此有效，因此有效柵電壓由柵電壓由 (VG - -VFB ) 變?yōu)樽優(yōu)?(VG - -VB - - VFB ) 。 b) 有反向電壓有反向電壓 (VS - -VB )加在源、漏及反

16、型層的加在源、漏及反型層的 PN 結(jié)上，使結(jié)上，使之處于非平衡狀態(tài)，之處于非平衡狀態(tài)，EFp- -EFn = q(VS - -VB ) 。 c) 強(qiáng)反型開始時的表面勢強(qiáng)反型開始時的表面勢 S,inv 由由 2 FP 變?yōu)樽優(yōu)? 2 FP + VS - -VB )。 以下推導(dǎo)以下推導(dǎo) QA 的表達(dá)式。對于均勻摻雜的襯底，的表達(dá)式。對于均勻摻雜的襯底， 式中，式中， ，稱為，稱為 體因子體因子。AS,invAd()QqN x OX21sA2CNqKS,invOXS,invAFBBTCQVVV 因此因此 MOSFET 的閾值電壓一般表達(dá)式為的閾值電壓一般表達(dá)式為21BSFP21BSFPOX21sAO

17、XS,invA222VVKVVCNqCQ21AS,invsA2NqNq12AsFPSB2(2)qNVV 于是可得于是可得 N 溝溝 MOSFET 的閾值電壓為的閾值電壓為SFP21BSFPOXOXMSBSFP21BSFPFBBT2222VVVKCQVVVVKVVV 注意上式中，通常注意上式中，通常 VS 0，VB VS 后，產(chǎn)生漂移電流，后，產(chǎn)生漂移電流，yVnqnEqjyddnnnbyVQZyVxqnZI0nnnDddddd 式中，式中， 代表溝道內(nèi)的電子電荷面密度。代表溝道內(nèi)的電子電荷面密度。bxqnQ0nd)( 1、漏極電流的一般表達(dá)式、漏極電流的一般表達(dá)式 （1）VQLZIVVdDSn

18、nDDSddnn0DVVLVQZyIVQZyIddnnDyVQZIddnnD（2）（1） 當(dāng)當(dāng) VG VT 后，溝道中產(chǎn)生的大量電子對來自柵電極的縱向后，溝道中產(chǎn)生的大量電子對來自柵電極的縱向電場起到屏蔽作用，所以能帶的彎曲程度幾乎不再隨電場起到屏蔽作用，所以能帶的彎曲程度幾乎不再隨 VG 增大增大 ，表面勢表面勢 S 也幾乎維持也幾乎維持 S,inv 不變。于是，不變。于是， 2、溝道電子電荷面密度、溝道電子電荷面密度 Qn AinvS,FBBGOXAOXOXAMASnQVVVCQVCQQQQQ）（QAQMQn 當(dāng)外加當(dāng)外加 VD ( VS ) 后，溝道中將產(chǎn)生電勢后，溝道中將產(chǎn)生電勢 V

19、( y ) ，V (y) 隨隨 y 而增加，從源極處的而增加，從源極處的 V (0) = VS 增加到漏極處的增加到漏極處的 V (L) = VD 。這樣這樣 S,inv 、xd 與與 QA 都成為都成為 y 的函數(shù)，分別為：的函數(shù)，分別為： S,invFPB12sdFPBA12AAdsAFPB( )22( )2( )( )22( )yVV yxyVV yqNQyqN xqNVV y 將上面的將上面的 S,inv 和和 QA 代入溝道電子電荷面密度代入溝道電子電荷面密度 Qn 后，可知后，可知 Qn 也成為也成為 y 的函數(shù)，即：的函數(shù)，即： 21BFPAsFPFBGOXn222)(yVVNq

20、yVVVCyQ 將將 Qn 代入式（代入式（5-37）23SBFP23DBFPOX21As2S2DSDFPFBGOXnD22232212VVVVCNqVVVVVVCLZI 對上式可進(jìn)行簡化。對上式可進(jìn)行簡化。VQLZIVVdDSnnD 3、漏極電流的精確表達(dá)式、漏極電流的精確表達(dá)式 并經(jīng)積分后得：并經(jīng)積分后得： 將將 Qn 中的中的 在在 V = 0 處用級數(shù)展開，處用級數(shù)展開，21BFP)(2yVV 21BFP21BFP21BFP2222VVVyVV 當(dāng)只取一項時，當(dāng)只取一項時， 21BFP21BFP22VyVV 當(dāng)當(dāng) VS = 0 ，VB = 0 時，可將時，可將 VD 寫作寫作 VDS

21、，將，將 VG 寫作寫作 VGS ，則則 Qn 成為：成為： 4、漏極電流的近似表達(dá)式、漏極電流的近似表達(dá)式 將此將此 Qn 代入式（代入式（5-37 2）的）的 ID 中，并經(jīng)積分后得：中，并經(jīng)積分后得：2DSDSTGSOXn0TGSOXnD21)(d)(DSVVVVCLZVyVVVCLZIVOX21FPAsFPFBGSOX22)(2(CNqyVVVC)(TGSOXyVVVC 21FPAsFPFBGSOXn222)(NqyVVVCyQ（3） 再將再將 寫作寫作 ，稱為稱為 MOSFET 的增益因子，的增益因子，則則OXnCLZ2DSDSTGSD21)(VVVVI 式（式（4）表明，）表明，I

22、D 與與 VDS 成成 拋物線關(guān)系拋物線關(guān)系，即：，即： 式（式（4）只在拋物線的左半段有物理意義。）只在拋物線的左半段有物理意義。IDsatIDVDSVDsat0（4）2TGS2DsatDsatTGSDsat2121)(VVVVVVI 此時所對應(yīng)的漏極電流稱為此時所對應(yīng)的漏極電流稱為 飽和漏極電流飽和漏極電流 IDsat ， 這一點正好是拋物線的頂點。所以這一點正好是拋物線的頂點。所以 VDsat 也可由令也可由令而解出。而解出。 0ddDSDVITGSsatDVVV 由由 Qn 的表達(dá)式可知，在的表達(dá)式可知，在 y = L 的漏極處，的漏極處，DSTGSOXn)(VVVCLQ 可見可見 |

23、 Qn(L) | 是隨是隨 VDS 增大而減小的。當(dāng)增大而減小的。當(dāng) VDS 增大到被稱增大到被稱為為 飽和漏源電壓飽和漏源電壓 的的 VDsat 時，時，Qn ( L ) = 0 ，溝道被夾斷溝道被夾斷。顯然，。顯然，（5）（6） 當(dāng)當(dāng) VDS VD sat 后，簡單的處理方法是從拋物線頂點以水平方后，簡單的處理方法是從拋物線頂點以水平方向朝右延伸出去。向朝右延伸出去。 以不同的以不同的 VGS 作為參變量，可得到一組作為參變量，可得到一組 ID VDS 曲線，這曲線，這就是就是 MOSFET 的輸出特性曲線。的輸出特性曲線。 對于對于 P 溝道溝道 MOSFET，可得類似的結(jié)果，可得類似的

24、結(jié)果，2TGSDsatTGSDsat2DSDSTGSD)(2121)(VVIVVVVVVVI 式中，式中，OXpCLZ 以上公式雖然是近似的，但因計算簡單，在許多場合得到以上公式雖然是近似的，但因計算簡單，在許多場合得到了廣泛的應(yīng)用。了廣泛的應(yīng)用。 5、溝道中的電勢和電場分布、溝道中的電勢和電場分布 DnnddVIZQy 將將 代入式（代入式（1），得：），得：nOXGST( )( )QyCVVV y （7）nOXGSTd( )dVZCVVV yy 令上式與式（令上式與式（4） 將上式沿溝道積分，可解得溝道中沿將上式沿溝道積分，可解得溝道中沿 y 方向的電勢分布方向的電勢分布 V(y) 為為2

25、GSTDSDSGST11()d()d2VVVVyVVVVL相等，得到一個微分方程：相等，得到一個微分方程：2DnOXGSTDSDS1()2ZICVV VVL 12GSTGSTeff( )1yV yVVVVy式中，式中，DSGST1VVV 對對 V(y) 求導(dǎo)數(shù)可得到溝道中沿求導(dǎo)數(shù)可得到溝道中沿 y 方向的電場分布方向的電場分布 Ey(y) 為為 DSGSTGSTDSy1122effeffeff2d( )d2211VVVVVVVE yyLyyyyyeff21Ly 當(dāng)當(dāng) VDS = VDsat 時，時， = 0，yeff = L ，溝道電勢分布和溝道電，溝道電勢分布和溝道電場分布分別成為場分布分別

26、成為 12GSTGST( )1yV yVVVVLGSTy122( )2VVEyLLy （8）（9） 6、漏極電流的一級近似表達(dá)式、漏極電流的一級近似表達(dá)式 當(dāng)在當(dāng)在 級數(shù)展開式中取前兩項時，得：級數(shù)展開式中取前兩項時，得：FPFPFP2222VV21FP2）（V式中，式中，F(xiàn)PFPOXAs2212KCNq 以上公式與不對以上公式與不對 做簡化的精確公式已極為接近。做簡化的精確公式已極為接近。1)(211)1 (21)(2TGSDsatTGSDsat2DSDSTGSDVVIVVVVVVVI 經(jīng)類似的計算后可得：經(jīng)類似的計算后可得：21FP2）（V 實測表明，當(dāng)實測表明，當(dāng) VDS VDsat 后

27、，后，ID 隨隨 VDS 的增大而略有增大，的增大而略有增大，也即也即 MOSFET 的增量輸出電阻的增量輸出電阻 不是無窮大而是一個不是無窮大而是一個有限的值。有限的值。 DDSdsIVr 通常采用兩個模型來解釋通常采用兩個模型來解釋 ID 的增大。的增大。 當(dāng)當(dāng) VDS VDsat 后，溝道中滿足后，溝道中滿足 V = VDsat 和和 Qn = 0 的位置的位置向左移動向左移動 L，即：，即： 1、有效溝道長度調(diào)制效應(yīng)、有效溝道長度調(diào)制效應(yīng) 已知當(dāng)已知當(dāng) VDS = VDsat 時，時，V (L) = VDsat ，Qn (L) = 0 。 satD)(VLLV0)(nLLQ 這意味著有

28、效溝道長度縮短了。這意味著有效溝道長度縮短了。L0yVDsatV(y) L圖中，曲線圖中，曲線 代表代表 VDS VDsat 而而 V ( L - - L ) = VDsat 。 21TGSDSAs21DsatDSAs22VVVqNVVqNL 當(dāng)當(dāng) VDS VDsat 后，可以將后，可以將 VDS 分為兩部分，其中的分為兩部分，其中的 VDsat 降降在有效溝道長度在有效溝道長度 ( L - - L ) 上，超過上，超過 VDsat 的部分的部分 ( VDS - - VDsat ) 則降落在長度為則降落在長度為 L 的耗盡區(qū)上。根據(jù)耗盡區(qū)寬度公式可計算的耗盡區(qū)上。根據(jù)耗盡區(qū)寬度公式可計算出出

29、L 為：為： 由于由于 ，當(dāng)，當(dāng) L 縮短時，縮短時，ID 會增加。會增加。LI1D 若用若用 IDsat 表示當(dāng)表示當(dāng) VDS VDsat 后的漏極電流，可得：后的漏極電流，可得： 當(dāng)當(dāng) L 較長或較長或 NA 較大時，較大時， 較小，電流的增加不明顯，較小，電流的增加不明顯，rds 較大較大 ；反之，則電流的增加較明顯，；反之，則電流的增加較明顯，rds 較小。較小。LLLLILLLVVCLZVVCLLZI11)(21)(21Dsat2TGSOXn2TGSOXnDsat 對于對于L 較短及較短及 NA 較小的較小的 MOSFET，當(dāng)，當(dāng) VDS VD sat 后，耗后，耗盡區(qū)寬度接近于有效

30、溝道長度，這時從漏區(qū)發(fā)出的電力線有一盡區(qū)寬度接近于有效溝道長度，這時從漏區(qū)發(fā)出的電力線有一部分終止于溝道上，使溝道電子的數(shù)量增多，從而導(dǎo)致電流增部分終止于溝道上，使溝道電子的數(shù)量增多，從而導(dǎo)致電流增大?？梢园汛丝醋魇窃诼﹨^(qū)與溝道之間存在一個電容大?？梢园汛丝醋魇窃诼﹨^(qū)與溝道之間存在一個電容 CdCT ，當(dāng)當(dāng) VDS 增加增加 VDS 時，溝道區(qū)的電子電荷面密度的增量為時，溝道區(qū)的電子電荷面密度的增量為ZLVCQDSdCTAV 2、漏區(qū)靜電場對溝道的反饋作用、漏區(qū)靜電場對溝道的反饋作用 1、閾值電壓、閾值電壓 VT 2、飽和漏極電流飽和漏極電流 IDSS 此參數(shù)不是一般的此參數(shù)不是一般的 IDs

31、at ，它只適用于耗盡型，它只適用于耗盡型 MOSFET ，表示當(dāng)表示當(dāng) VGS = 0 ，VDS VDsat 且一定時的且一定時的 IDsat ，即：，即：2T2TGSDSS2)(2VVVI 4、通導(dǎo)電阻、通導(dǎo)電阻 Ron Ron 表示當(dāng)表示當(dāng) MOSFET 工作于線性區(qū)，且工作于線性區(qū)，且 VDS 很小時的溝道很小時的溝道電阻。當(dāng)電阻。當(dāng) VDS 很小時，很小時，ID 可表示為可表示為DSTGS2DSDTGSD)(21)(VVVVVVVISDSonDGSTnOXGST1()()VLRIVVZCVV 3、截止漏極電流、截止漏極電流 此參數(shù)只適用于增強(qiáng)型此參數(shù)只適用于增強(qiáng)型 MOSFET，表示

32、當(dāng)，表示當(dāng) VGS = 0 ，外加，外加VDS 后的亞閾電流與后的亞閾電流與 PN 結(jié)反向電流引起的微小電流。結(jié)反向電流引起的微小電流。 5、柵極電流、柵極電流 IG 表示從柵極穿過柵氧化表示從柵極穿過柵氧化 層到溝道之間的電流。柵極電流層到溝道之間的電流。柵極電流 IG極小，通常小于極小，通常小于 10- -14 A 。 1 、閾值電壓閾值電壓與溫度的關(guān)系與溫度的關(guān)系 上式中與溫度關(guān)系密切的只有上式中與溫度關(guān)系密切的只有 ，F(xiàn)B21BSFBAsOXOXOXMST2)2(21VqNCCQVFBTVCqNTTVCqNTVdd2)2()2(dd2dd)2(2)2(2ddFB21BSFBOX21As

33、FBFB21BSFBOX21AsTqENNNqkTkTENNNqkTkTENNNqkTnNqkT2ln2ln2explnlnGVCAGVCAGVCAiAFBVCAFBlnddNNNqkT 式中，式中， ，所以對于，所以對于 N 溝溝 MOSFET， ，AVCNNN0ddTTV閾值電壓閾值電壓具有負(fù)溫系數(shù)。具有負(fù)溫系數(shù)。VCA21BSFBOX21AsTln2)2()2(ddNNNqkVCqNTV 無論無論 N 溝道還是溝道還是 P 溝道，溝道， 約為每度幾個約為每度幾個 mV，所以，所以 溫度對于溫度對于閾值電壓閾值電壓的影響不是很大。的影響不是很大。 用同樣的方法可以得到用同樣的方法可以得到

34、P 溝道溝道 MOSFET 的的閾值電壓閾值電壓與溫度與溫度的關(guān)系，并且得到的關(guān)系，并且得到 ，所以，所以 P 溝道溝道 MOSFET 的的閾值電閾值電壓壓具有正溫系數(shù)。具有正溫系數(shù)。0ddTTVTVddTTVVCLZTITVVITITIddddddddddTDSOXnnnDTTDnnDD因因 ， ，又已知，又已知 N 溝溝 MOSFET 的的 所以所以 的正負(fù)取決于的正負(fù)取決于 ID 的大小，也即（的大小，也即（VGS VT ）的大小。）的大小。23nT0ddnT,0ddTTV 2 、漏極電流與溫度的關(guān)系、漏極電流與溫度的關(guān)系 2DSDSTGSOXnD21VVVVCLZI 上式中與溫度關(guān)系密

35、切的有上式中與溫度關(guān)系密切的有 與與 。nTIddDTV(1) 當(dāng)（當(dāng)（VGS VT ）較大時，）較大時，(3) 令令 ，可解得：，可解得：, 0ddDTI(2) 當(dāng)（當(dāng)（VGS VT ）較小時，）較小時，, 0ddDTI0ddDTITTVVVVdddd21nTnDSTGS 當(dāng)滿足上式時，漏極電流的溫度系數(shù)為零，溫度對漏極電當(dāng)滿足上式時，漏極電流的溫度系數(shù)為零，溫度對漏極電流無影響。對流無影響。對 P 溝道溝道 MOSFET 也可得到類似的結(jié)論。也可得到類似的結(jié)論。 總的說來，總的說來，MOSFET 有較好的溫度穩(wěn)定性。有較好的溫度穩(wěn)定性。 (a) 漏漏 PN 結(jié)雪崩擊穿結(jié)雪崩擊穿 由于在漏與

36、柵之間存在由于在漏與柵之間存在附加電場附加電場，使，使 MOSFET 的漏源擊穿的漏源擊穿電壓遠(yuǎn)低于相同摻雜和結(jié)深的電壓遠(yuǎn)低于相同摻雜和結(jié)深的 PN 結(jié)雪崩擊穿電壓。當(dāng)襯底摻雜結(jié)雪崩擊穿電壓。當(dāng)襯底摻雜濃度小于濃度小于 1016 cm- -3 后，后，BVDS 就主要取決于就主要取決于 VGS 的極性、大小和的極性、大小和柵氧化層的厚度柵氧化層的厚度 TOX 。 1、漏源擊穿電壓、漏源擊穿電壓 BVDS2sApt2LqNV (b) 源、漏之間的穿通源、漏之間的穿通21Aptbisd)(2qNVVxL略去略去 Vbi 后得：后得： 可見，可見，L 越短，越短，NA 越小，越小，Vpt 就越低。由

37、于溝道區(qū)摻雜遠(yuǎn)就越低。由于溝道區(qū)摻雜遠(yuǎn)低于源漏區(qū)，所以穿通現(xiàn)象是除工藝水平外限制低于源漏區(qū)，所以穿通現(xiàn)象是除工藝水平外限制 L 縮短的重要縮短的重要因素之一。因素之一。 由于由于 MOS電容上存貯的電荷不易泄放，且電容值很小，故電容上存貯的電荷不易泄放，且電容值很小，故很少的電荷即可導(dǎo)致很高的電壓很少的電荷即可導(dǎo)致很高的電壓 ，使柵氧化層被擊穿，使柵氧化層被擊穿 。由于這。由于這種擊穿是破壞性的，所以種擊穿是破壞性的，所以 MOSFET 在存放與測試時，一定要注在存放與測試時，一定要注意使柵極良好地接地。意使柵極良好地接地。0.79GSOXBVT 當(dāng)當(dāng) TOX VT ，并假設(shè)，并假設(shè)當(dāng)當(dāng) VG

38、S VT 時時 ID = 0 。但實際上當(dāng)。但實際上當(dāng) VGS VT 時，時，MOSFET 仍能微弱導(dǎo)電，這稱為仍能微弱導(dǎo)電，這稱為 亞閾區(qū)導(dǎo)電亞閾區(qū)導(dǎo)電 。這時的漏極電流稱為。這時的漏極電流稱為亞閾電流亞閾電流 ，記為，記為 IDsub 。 定義：定義： 使硅表面處于本征狀態(tài)的使硅表面處于本征狀態(tài)的 VGS 稱為稱為 本征電壓本征電壓 ，記，記為為 Vi 。當(dāng)。當(dāng) VGS = Vi 時，表面勢時，表面勢 S = FB ，能帶彎曲量為，能帶彎曲量為 q FB ，表面處于表面處于 本征狀態(tài)本征狀態(tài)。 當(dāng)當(dāng) Vi VGS VT 時，時， FB S 2 FB ，表面處于，表面處于 弱反型狀弱反型狀態(tài)

39、態(tài)，反型層中的少子（電子）濃度介于本征濃度與襯底平衡多，反型層中的少子（電子）濃度介于本征濃度與襯底平衡多子濃度之間。子濃度之間。 在亞閾區(qū)，表面弱反型層中的電子濃度較小，所以漂移電在亞閾區(qū)，表面弱反型層中的電子濃度較小，所以漂移電流很??；但電子濃度的梯度卻很大，所以擴(kuò)散電流較大。因此流很小；但電子濃度的梯度卻很大，所以擴(kuò)散電流較大。因此在計算在計算 IDsub 時只計入擴(kuò)散電流而忽略漂移電流。時只計入擴(kuò)散電流而忽略漂移電流。ynqDJddnDsubynZbqDIddnDsub式中，式中， kTqnnSp0exp0 kTVqnLnDSS0pexpLLnnZbqD)()0(nMOSFET 的亞閾

40、漏極電流的亞閾漏極電流 設(shè)溝道上下的縱向電勢差為設(shè)溝道上下的縱向電勢差為 ( kT/ /q ) ，則溝道厚度，則溝道厚度 b 可表為可表為xqEkTb 根據(jù)高斯定理，根據(jù)高斯定理，)(2SDA21sSAsACqNqNQEx 定義溝道耗盡區(qū)的勢壘電容為定義溝道耗盡區(qū)的勢壘電容為21SsASASD2dd)(qNQC 于是可得溝道厚度為于是可得溝道厚度為ASD)(qNCqkTb 將將 n(0)、n(L) 和和 b 代入代入 IDsub 中，得：中，得： kTqVkTqnqNCqkTqDLZIDSS0pASDnDsubexp1exp)( kTqVkTqkTqCqkTLZDSSFPSD2nexp1exp

41、2exp)( 表面勢表面勢 S 與柵源電壓與柵源電壓 VGS 之間的關(guān)系可表為之間的關(guān)系可表為nVVCCVVTGSFP1OXSDTGSFPS2)(12式中，式中，OXSD)(1CCn 由于由于 FB S 2 FB ，CD( S ) 中的中的 S 可取為可取為 1.5 FB 。 于是得到亞閾電流的表達(dá)式為于是得到亞閾電流的表達(dá)式為kTqVnVVkTqCqkTLZIDSTGSSD2nDsubexp1exp)( 1、IDsub 與與 VGS 的關(guān)系的關(guān)系 當(dāng)當(dāng) VGS = 0 時時 IDsub 0，IDsub 與與 VGS 之間為指數(shù)關(guān)系。之間為指數(shù)關(guān)系。 2、IDsub 與與 VDS 的關(guān)系的關(guān)系

42、 當(dāng)當(dāng) VDS = 0 時時 IDsub = 0；當(dāng)；當(dāng) VDS 較小時，較小時，IDsub 隨隨 VDS 的增大而的增大而增大；但是當(dāng)增大；但是當(dāng) 后，后，IDsub 變得與變得與 VDS 無關(guān)，即無關(guān)，即 IDsub 對對 VDS 而言會發(fā)生飽和。而言會發(fā)生飽和。qkTVDSMOSFET 的亞閾區(qū)特性的亞閾區(qū)特性kTqVnVVkTqCqkTLZIDSTGSSD2nDsubexp1exp)(ASD,)(NC即OXOX,TC即 定義定義亞閾區(qū)柵源電壓擺幅亞閾區(qū)柵源電壓擺幅 S 為亞閾區(qū)轉(zhuǎn)移特性斜率的倒數(shù)，為亞閾區(qū)轉(zhuǎn)移特性斜率的倒數(shù)，即：即：qkTCCqnkTIVSOXSDDsubGS)(1)(lndd S 的意義：使的意義：使 IDsub 擴(kuò)大擴(kuò)大 e 倍所需的倍所需的 VGS 的增量。的增量。 對于作為開關(guān)管使用的對于作為開關(guān)管使用的 MOSFET，要求，要求 S 的值要盡量小。的值