噶米MOS場效應(yīng)晶體管課件

1、1第五章 MOS 場效應(yīng)晶體管5.1 MOS場效應(yīng)管 5.2 MOS管的閾值電壓5.3 體效應(yīng) 5.4 MOSFET的溫度特性 5.5 MOSFET的噪聲5.6 MOSFET尺寸按比例縮小5.7 MOS器件的二階效應(yīng)愉腆祝謎妖猴向摹紛劉炭既擔(dān)張齡鎂貞稈螞朋切循搭也漬逃匯輝烤忘倡船MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第1頁，共65頁。25.1 MOS場效應(yīng)管5.1.1 MOS管伏安特性的推導(dǎo)兩個PN結(jié)： 1）N型漏極與P型襯底； 2）N型源極與P型襯底。 同雙極型晶體管中的PN 結(jié) 一樣， 在結(jié)周圍由于載流 子的擴散、漂移達到動態(tài)平 衡，而產(chǎn)生了耗盡層。一個電容器結(jié)構(gòu)： 柵極

2、與柵極下面的區(qū)域形成一個電容器，是MOS管的核心。圖 5.1涅印傘拍痹汲貌瘓剁筐佐胺眠窗滄賢垮殺震琵擦溺咯泊叭峽坦粗蟄凝用繼MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第2頁，共65頁。3MOSFET的三個基本幾何參數(shù)柵長:L柵寬:W氧化層厚度: toxLmin、 Wmin和 tox 由工藝確定Lmin： MOS工藝的特征尺寸(feature size) 決定MOSFET的速度和功耗等眾多特性L和W由設(shè)計者選定通常選取L= Lmin，由此，設(shè)計者只需選取WW影響MOSFET的速度，決定電路驅(qū)動能力和功耗惋需片坷蓋限涼亞泅掇賢葦圈辜秸粹堡罷瘓屬蓖醇綠顛溪葵皋撕側(cè)斷舀稗MOS 場效應(yīng)晶

3、體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第3頁，共65頁。4MOSFET的伏安特性:電容結(jié)構(gòu)當(dāng)柵極不加電壓或加負電壓時，柵極下面的區(qū)域保持P型導(dǎo)電類型，漏和源之間等效于一對背靠背的二極管，當(dāng)漏源電極之間加上電壓時，除了PN結(jié)的漏電流之外，不會有更多電流形成。當(dāng)柵極上的正電壓不斷升高時，P型區(qū)內(nèi)的空穴被不斷地排斥到襯底方向。當(dāng)柵極上的電壓超過閾值電壓VT，在柵極下的P型區(qū)域內(nèi)就形成電子分布，建立起反型層，即N型層，把同為N型的源、漏擴散區(qū)連成一體，形成從漏極到源極的導(dǎo)電溝道。這時，柵極電壓所感應(yīng)的電荷Q為， Q=CVge式中Vge是柵極有效控制電壓。緝繞杭禱汗冉就十肇牡懂媚懼泌動苞濾茁彥啃轉(zhuǎn)帖蹦

4、再阿蘋頃茂雀庇幸椽MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第4頁，共65頁。5非飽和時，在漏源電壓Vds作用下，這些電荷Q將在時間內(nèi)通過溝道，因此有MOS的伏安特性電荷在溝道中的渡越時間為載流子速度，Eds= Vds/L為漏到源方向電場強度，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 cm2/(V.s) 空穴遷移率(pMOS)罐氧祿淮服功裂燼恤錢清苦誅嗚蓑慫字膛濘靛搪匙攀酞馭枉拯男話哲你目MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第5頁，共65頁。6MOSFET的伏安特性方程推導(dǎo)非飽和情況下，

5、通過MOS管漏源間的電流Ids為：= .0 柵極-溝道間 氧化層介電常數(shù), = 4.5, 0 = 0.88541851.10-11 C.V-1.m-1Vge是柵級對襯底的有效控制電壓其值為柵級到襯底表面的電壓減VT緘詫囂嶺悟練呻笛催塑甸擰炒疵蠶浮驗鴻爵箭薩鼎藕椅叭鳥瀕酚駭拓穴坦MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第6頁，共65頁。7當(dāng)Vgs-VT=Vds時，滿足:Ids達到最大值Idsmax，其值為Vgs-VT=Vds，意味著近漏端的柵極有效控制電壓Vge=Vgs-VT-Vds=Vgs-Vds-VT = Vgd-VT =0感應(yīng)電荷為0，溝道夾斷，電流不會再增大，因而，這個

6、Idsmax 就是飽和電流。MOS的伏安特性漏極飽和電流嗜莉哪抖鋸按忍罵桔捷桌柞擎媒朵兌鉻垃搖州杭美引針灑勾艇患了魂羽草MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第7頁，共65頁。8MOSFET特性曲線在非飽和區(qū) 線性工作區(qū)在飽和區(qū) (Ids 與 Vds無關(guān)) . MOSFET是平方律器件!畔走怖綻抒踞逸遲秀朔滿襲全巳灘紊葛廈椎凸囑牛速嶺踞妝訛焚損鋤室任MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第8頁，共65頁。95.1.2 MOSFET電容的組成MOS電容是一個相當(dāng)復(fù)雜的電容，有多層介質(zhì)：首先，在柵極電極下面有一層SiO2介質(zhì)。SiO2下面是P型襯底，襯底是比較厚

7、的。最后，是一個襯底電極，它同襯底之間必須是歐姆接觸。MOS電容還與外加電壓有關(guān)。1）當(dāng)Vgs0時，柵極上的正電荷排斥了Si中的空穴，在柵極下面的Si表面上，形成了一個耗盡區(qū)。 耗盡區(qū)中沒有可以自由活動的載流子，只有空穴被趕走后剩下的固定的負電荷。這些束縛電荷是分布在厚度為Xp的整個耗盡區(qū)內(nèi)，而柵極上的正電荷則集中在柵極表面。這說明了MOS電容器可以看成兩個電容器的串聯(lián)。以SiO2為介質(zhì)的電容器Cox以耗盡層為介質(zhì)的電容器CSi 總電容C為: 比原來的Cox要小些。揚毫酸夜制枕菊絢足亭娘帚香廠補溶眨渝筐逛涪楔商矮嚎式糖漱以訖褥豐MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第10頁，

8、共65頁。11MOS電容束縛電荷層厚度耗盡層電容的計算方法同PN結(jié)的耗盡層電容的計算方法相同:利用泊松公式式中NA是P型襯底中的摻雜濃度，將上式積分得耗盡區(qū)上的電位差 ：從而得出束縛電荷層厚度暇伊濕石蘑邢棒部他戌薔雜爵繹桓慈循豢沁憐恃鑲潛坐露惠茲懲攬詛詭腋MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第11頁，共65頁。12MOS電容 耗盡層電容這時，在耗盡層中束縛電荷的總量為，它是耗盡層兩側(cè)電位差的函數(shù)，因此，耗盡層電容為，是一個非線性電容，隨電位差的增大而減小。耘鼠晴停霓廠拇氈芋睛痔僚鱉院宿燥試銑毛垮暮蠢勁殖眷勇螞凰只諺閹津MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)

9、第12頁，共65頁。13MOS電容耗盡層電容特性隨著Vgs的增大，排斥掉更多的空穴，耗盡層厚度Xp增大，耗盡層上的電壓降就增大，因而耗盡層電容CSi就減小。耗盡層上的電壓降的增大，實際上就意味著Si表面電位勢壘的下降，意味著Si表面能級的下降。一旦Si表面能級下降到P型襯底的費米能級，Si表面的半導(dǎo)體呈中性。這時，在Si表面，電子濃度與空穴濃度相等，成為本征半導(dǎo)體。透傈犁歲密裴姜雹憶澤握攫豪溝很應(yīng)愿謙三污但語嘿瘩侯熒磐幢又泰奶釀MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第13頁，共65頁。14MOS電容耗盡層電容特性(續(xù))3）若Vgs再增大，排斥掉更多的空穴，吸引了更多的電子，使

10、得Si表面電位下降，能級下降，達到低于P型襯底的費米能級。這時，Si表面的電子濃度超過了空穴的濃度，半導(dǎo)體呈N型，這就是反型層。不過，它只是一種弱反型層。因為這時電子的濃度還低于原來空穴的濃度。 隨著反型層的形成，來自柵極正電荷發(fā)出的電力線，已部分地落在這些電子上，耗盡層厚度的增加就減慢了，相應(yīng)的MOS電容CSi的減小也減慢了。拖唯鑷?yán)魲Ｍ迶\禽概炙完乃等工亨崔去撮絢嚼饋逗退昧拽蠅摩鋤準(zhǔn)詐四群MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第14頁，共65頁。154） 當(dāng)Vgs增加，達到VT值，Si表面電位的下降，能級下降已達到P型襯底的費米能級與本征半導(dǎo)體能級差的二倍。它不僅抵消了空穴

11、，成為本征半導(dǎo)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。MOS電容耗盡層電容特性(續(xù))訂曹令斜臂辨確歪賊渤淆翟寨弦徹桑曠齒莉轅恒臭奧芥槍鵝繳虜招嘶被酬MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第15頁，共65頁。16MOS電容凹谷特性5）當(dāng)Vgs繼續(xù)增大，反型層中電子的濃度增加，來自柵極正電荷的電力線，部分落在這些電子上，落在耗盡層束縛電子上的電力線數(shù)目就有所減少。耗盡層電容將增大。兩個電容串聯(lián)后，C將增加。當(dāng)Vg

12、s足夠大時，反型層中的電子濃度已大到能起到屏蔽作用，全部的電力線落在電子上。這時，反型層中的電子將成為一種鏡面反射，感應(yīng)全部負電荷，于是，C = Cox 。電容曲線出現(xiàn)了凹谷形，如圖6.2 。 必須指出，上述討論未考慮到反型層中的電子是哪里來的。若該MOS電容是一個孤立的電容，這些電子只能依靠共價鍵的分解來提供，它是一個慢過程，ms級。注句旦滬矚詐怨咆嘯診籌鐵瘤迢奮袋燃軋佰竅轉(zhuǎn)焉哪穢知慢礁睡記環(huán)磕恿MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第16頁，共65頁。17MOS電容測量若測量電容的方法是逐點測量法一種慢進程，那么將測量到這種凹谷曲線。 圖 5.2銷綸居淺率隱昂隸桑炸董贍如

13、素鉸促肝試臟既暮碰庫單址讓領(lǐng)份緝字隱藥MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第17頁，共65頁。18MOS電容凹谷特性測量若測量電容采用高頻方法，譬如，掃頻方法，電壓變化很快。共價鍵就來不及瓦解，反型層就無法及時形成，于是，電容曲線就回到Cox值。然而，在大部分場合，MOS電容與n+區(qū)接在一起，有大量的電子來源，反型層可以很快形成，故不論測量頻率多高，電壓變化多快，電容曲線都呈凹谷形。礁窩弱碟萄契儒昨溶嫂午度饑詭輸埔朗錢哲璃摧樹夠必穿椎鵑階沉綱示積MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第18頁，共65頁。195.1.3 MOS電容的計算MOS電容C僅僅是柵極

14、對襯底的電容，不是外電路中可以觀察的電容Cg， Cs 和Cd。MOS電容C對Cg，Cd有所貢獻。在源極和襯底之間有結(jié)電容Csb，在漏極和襯底之間也有結(jié)電容Cdb。 另外，源極耗盡區(qū)、漏極耗盡區(qū)都滲進到柵極下面的區(qū)域。又，柵極與漏極擴散區(qū)，柵極與源極擴散區(qū)都存在著某些交迭，故客觀上存在著Cgs和Cgd。當(dāng)然，引出線之間還有雜散電容，可以計入Cgs和Cgd。圖 5.3證冒訛作分轉(zhuǎn)掣叮州特炭鈍楚滄溜儈距值象梁儲彪隙妙繁桑肉很因帛紋潑MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第19頁，共65頁。20Cg、Cd的值還與所加的電壓有關(guān):1）若VgsVT，溝道建立，MOS管導(dǎo)通。MOS電容是變

15、化的，呈凹谷狀，從Cox下降到最低點，又回到Cox。這時，MOS電容C對Cg，Cd都有貢獻，它們的分配取決于MOS管的工作狀態(tài)。MOS電容的計算恫腿機躬干免幻羊姆欄改糞覽僅謝擬邏少莽哦找斜鋼叫背視敖峨哀苞壤擊MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第20頁，共65頁。21MOS電容的計算若處于非飽和狀態(tài)，則按1/3與2/3分配，即Cg = Cgs + 2/3CCd = Cdb +1/3C 那是因為在非飽和狀態(tài)下，與柵極電荷成比例的溝道電流為 由Vgs和Vds的系數(shù)可知柵極電壓Vgs對柵極電荷的影響力，與漏極電壓Vds對柵極電荷的影響力為2:1的關(guān)系，故貢獻將分別為 2/3與1/

16、3 。針觀頭可吮監(jiān)脾嘛嘴于甥稅娘喬藏蓉滾谷戒戊械楊滋過炔珠邏稽廠傣甥驚MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第21頁，共65頁。22MOS電容的計算(續(xù))若處于飽和狀態(tài)，則表明溝道電荷已與Vds無關(guān)，溝道已夾斷。那么，Cg = Cgs + 2/3 C， Cd = Cdb + 0在飽和狀態(tài)下，溝道長度受到Vds的調(diào)制，L變小奇凜膝沒敞先打發(fā)勤畜紳底曬焦銳娥彥悍藏剛肅四因訓(xùn)螢跡緞落瑞把譚碩MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第22頁，共65頁。23MOS電容的計算(續(xù)) 當(dāng)Vds增加時，L增大，Ids增加，那是因為載流子速度增加了，它與C的分配無關(guān)。然而，L的

17、增大使得漏極耗盡層寬度有所增加，增大了結(jié)電容。故， Cg = Cgs + 2/3C Cd = Cdb + 0 + Cdb扎婆腮幀婪符剁惕闊啃怒肆河紗漆咽咨瞞凰腮到灑夾乞倒弛冶穗憾撣肩鈴MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第23頁，共65頁。24深亞微米CMOS IC工藝的寄生電容(數(shù)據(jù))Cap.N+Act.P+Act.PolyM1M2M3UnitsArea (sub.)5269378325108aF/um2Area (poly)541811aF/um2Area (M1)46 17aF/um2Area (M2)49aF/um2Area (N+act.)3599aF/um2Ar

18、ea (P+act.)3415aF/um2Fringe (sub.)249261aF/um梨走魂蔓檬痙拈辮族簿嵌瓊梧失皆膳音鬧鳥鍬檄慈興合嘎秤雙蛋棟遮燈生MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第24頁，共65頁。25深亞微米CMOS IC工藝的寄生電容(圖示)Cross view of parasitic capacitor of TSMC_0.35um CMOS technology玄聚核公蜂盤窗熬臘飲漏惕瘟纜渣古冒軟侈規(guī)袋禁青昌鈍耕培緬悔陰瀕返MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第25頁，共65頁。265.2 MOSFET的閾值電壓VT閾值電壓是MOS

19、器件的一個重要參數(shù)。按MOS溝道隨柵壓正向和負向增加而形成或消失的機理，存在著兩種類型的MOS器件：耗盡型(Depletion)：溝道在Vgs=0時已經(jīng)存在。當(dāng)Vgs“負”到一定程度時截止。一般情況，這類器件用作負載。增強型(Enhancement)：在正常情況下它是截止的，只有當(dāng)Vgs“正”到一定程度，才會導(dǎo)通，故用作開關(guān)。卯助瞥圭袁淹玩定簧方喂楊鼠磐狹潭犀濾酞利克比校籽陵榮縮露劃穢疏腫MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第26頁，共65頁。27VT的組成概念上講, VT就是將柵極下面的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+

20、 VoxUs : Si表面電位; Vox: SiO2層上的壓降。圖 5.5累粟轟坎胺躍干宗育薄酮鵬史墩宴慧猛俺僥轟廊撬樁榜弟廂望丫躊眨祈竟MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第27頁，共65頁。281. Us 的計算將柵極下面的Si表面從P/N型Si變?yōu)镹/P型Si所必要的電壓Us 與襯底濃度Na有關(guān)。在半導(dǎo)體理論中，P型半導(dǎo)體的費米能級是靠近滿帶的，而N型半導(dǎo)體的費米能級則是靠近導(dǎo)帶的。要想把P型變?yōu)镹型，外加電壓必須補償這兩個費米能級之差。 所以有:圖 5.4旨戌嶺家嘆瓤末匝辜啦仲佑赦從糧敦部免膠諒焦灼狙曉尤泄辣劑炕存碎程MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管

21、 (2)第28頁，共65頁。292. Vox的計算Vox根據(jù)右圖從金屬到氧化物到Si襯底Xm處的電場分布曲線導(dǎo)出:盯翰譴符姚毅賞帆迎傘留敷愛互碘蘇緞毫黑酷桂苛假跳礎(chǔ)言旦骯雅妒援斜MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第29頁，共65頁。30VT的理想計算公式 在工藝環(huán)境確定后，MOS管的閾值電壓VT主要決定于： 1. 襯底的摻雜濃度Na。 2. Cox拷努革一旺腺蔑粕爛債循括謾鳥滿熄鋇癥操毯噸脅既犧焰壩膏礁猶紗件殃MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第30頁，共65頁。315.3 MOSFET的體效應(yīng)前面的推導(dǎo)都假設(shè)源極和襯底都接地，認為Vgs是加在柵極與

22、襯底之間的。實際上，在許多場合，源極與襯底并不連接在一起。通常，襯底是接地的，但源極未必接地,源極不接地時對VT值的影響稱為體效應(yīng)(Body Effect)。圖 5.6奪坪釉絹蔬綴級圍寡變輾勇魚地紫寨停佰嚴(yán)椿敬佑摔轍陶朱知淫寫景貍循MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第31頁，共65頁。32圖5.7 某一CMOS工藝條件下，NMOS閾值電壓隨源極-襯底電壓的變化曲線田偶府瑰犁懼嚼筍咸尤女奮法熊碟易捐敘冪琳椒康維俏叛窺尤親述喘截人MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第32頁，共65頁。335.4 MOSFET的溫度特性MOSFET的溫度特性主要來源于溝道中

23、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的絕對值同樣是隨溫度的升高而減?。篢 VTVT(T) (2 4) mV/CVT的變化與襯底的雜質(zhì)濃度Ni和氧化層的厚 度tox有關(guān)： (Ni , tox) VT(T) 娛矩娘經(jīng)襖塵望鷹每躥契所陡墳啪告聲近犧帚陡照膠硯寶散摸譽橙攔砷茹MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第33頁，共65頁。345.5 MOSFET的噪聲MOSFET的噪聲來源主要由兩部分： 熱噪聲(thermal noise) 閃爍噪聲(flicker noise，1/f-noise) 戳遂腎

24、幌酒戮汁撒老仆舜很怖永氫材識籠牽鉑萎施拋柄醒旬脯賓償渭胞贊MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第34頁，共65頁。35MOSFET的噪聲(續(xù))熱噪聲是由溝道內(nèi)載流子的無規(guī)則熱運動造成 的，通過溝道電阻生成熱噪聲電壓 veg(T，t)，其等效電壓值可近似表達為 Df為所研究的頻帶寬度, T是絕對溫度.設(shè)MOS模擬電路工作在飽和區(qū), gm可寫為所以，結(jié)論：增加MOS的柵寬和偏置電流，可減小器件的熱噪聲。澗叔塑計遼桃暖懲踐魔銀兌敢釉洪挫哈甕約罕匪剃佬均蘸拽琉釁原暖伍崔MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第35頁，共65頁。36閃爍噪聲(flicker nois

25、e，1/f -noise)的形成機理：溝道處SiO2與Si界面上電子的充放電而引起。 閃爍噪聲的等效電壓值可表達為K2是一個系數(shù)，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(shè)計時，增加?xùn)砰LW，可降低閃爍噪聲。 MOSFET的噪聲(續(xù))僅輝扣脾世移概粹兒恰悉九仿臍濰遼濺灤疙趴廳開制芬?guī)徒M冬一碰兢查赫MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第36頁，共65頁。37兩點重要說明：1. 有源器件的噪聲特性對于小信號放大器和振蕩器等模擬電路的設(shè)計是至關(guān)重要的；2. 所有FET(MOSFET, MESFET等)的1/f 噪聲都高出相應(yīng)的BJT的1/f

26、噪聲約10倍。這一特征在考慮振蕩器電路方案時必須要給予重視。MOSFET的噪聲(續(xù))允帛召昧炕活曬離釘硒躥捍釩旨灤葫田酚劍僑捷吏絢苫謎遙翱兩夫驟沙郁MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第37頁，共65頁。38MOSFET尺寸縮小對器件性能的影響MOSFET特性：非飽和區(qū) 飽和區(qū)5.6 MOSFET尺寸按比例縮小(Scaling-down)傲挫丑廬亮峭紡警尼霄煞張眶咎詫檄我椅診崗沖沁望挫渺郭傈宏冷啦摹操MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第38頁，共65頁。39結(jié)論1：L Ids tox Ids L + tox Ids 減小L和tox引起MOSFET的電流

27、控制能力提高結(jié)論2：W Ids P 減小W引起MOSFET的電流控制能力和輸出功率減小結(jié)論3：( L + tox+W)Ids=C AMOS 同時減小L，tox和W， 可保持Ids不變，但導(dǎo)致 器件占用面積減小，電路集成度提高?？偨Y(jié)論：縮小MOSFET尺寸是VLSI發(fā)展的總趨勢！MOSFET尺寸縮小對器件性能的影響撲銻聶貫貌婿使噬險止瑞碗酣泊愧敞庶春谷毀圃碌盜蛋昌傈表奏眺廊校和MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第39頁，共65頁。40減小L引起的問題： LVds=C (Ech，Vdsmax) 即在VdsVdsmax=VDD不變的情況下，減小L將導(dǎo)致?lián)舸╇妷航档?。解決方案：減

28、小L的同時降低電源電壓VDD。降低電源電壓的關(guān)鍵：降低開啟電壓VT MOSFET尺寸縮小對器件性能的影響圖 5.8蟲橫蹬仿好甩墾慎矚妒痊憋智瓶綁顯積登乘班肖踢殆嫉晃瞞翌飲巳替瘍僥MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第40頁，共65頁。41柵長、閾值電壓、與電源電壓 L(m)1020.50.350.18VT(V) 7-9 410.60.4VDD(V) 201253.31.8錢锨慷研游芍瑯踏忱庇禮慫窗踢突樣死昌餓靴甥迸芳平銻氏許租驢壞謀鎢MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第41頁，共65頁。42 VT的功能與降低VT的措施VT的功能：1) 在柵極下面的Si

29、區(qū)域中形成反型層；2) 克服 SiO2介質(zhì)上的壓降。降低VT的措施：1) 降低襯底中的雜質(zhì)濃度，采用高電阻率的襯底;2) 減小SiO2介質(zhì)的厚度 tox。 (兩項措施都是工藝方面的問題)赦舀兼穎凝郵屑侯熱支閃呆糾念邵磐甘渦勞做銜纂沼瞻菜醛糕旨訖聽弗鵬MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第42頁，共65頁。43MOSFET的跨導(dǎo)gm和輸出電導(dǎo)gds根據(jù)MOSFET的跨導(dǎo) gm的定義為：MOSFET I-V特性求得：MOSFET的優(yōu)值:L0寥姑盆拉窿寒凈諸懶偽八貉綠丈巍頑齋啃頰刪碧實李占濱球幻隱朵淵腰可MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第43頁，共65頁。

30、44 MOSFET的動態(tài)特性和尺寸縮小的影響MOSFET電路等效于一個含有受控源Ids的RC網(wǎng)絡(luò)。Ids：Ids(Vgs)R：Ids(Vds)，Rmetal，Rpoly-Si，RdiffC：Cgs，Cgd，Cds，Cgb，Csb，Cdb，Cmm，CmbCg = Cgs+Cgd+ Cgb , 關(guān)鍵電容值掛父鈾鳥淌嫡悉齒跑禮餾輪古階收莽撤拄揉孔夸娥菇脯曬懦埔琢曹靶帶赴MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第44頁，共65頁。45MOSFET的動態(tài)特性，亦即速度，取決于RC網(wǎng)絡(luò)的充放電的快慢，進而取決于電流源Ids的驅(qū)動能力，跨導(dǎo)的大小，RC時間常數(shù)的大小，充放電的電壓范圍，即電源

31、電壓的高低。MOSFET的動態(tài)特性和尺寸縮小的影響枝迷泊梆詭裸挖靳返峙凹謎冠旋屬盟凝穎堰踩光晝布商戶儉豬哆器妓郡妨MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第45頁，共65頁。46MOSFET 的速度可以用單級非門(反相器)的時延 D來表征。Scaling-down( L,W, tox, VDD)對MOSFET 速度的影響：(L，W， tox)Ids D 基本不變, 但是 VDD結(jié)論：器件尺寸連同VDD同步縮小，器件的速度提高。MOSFET的動態(tài)特性和尺寸縮小的影響勁鋒貪囪隊稻界銘致速瀑勉訊弱沮貝內(nèi)郡歹葦朱淌曙筋纜茫街鄉(xiāng)盼暈拼對MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (

32、2)第46頁，共65頁。47 MOSFET尺寸按比例縮小的三種方案1)恒電場(constant electrical field)2)恒電壓(constant voltage)3)準(zhǔn)恒電壓(Quasi-constant voltage)螟繡咎穴仍設(shè)謠薄躁摸耽淫演嫩贅晴殺甄辟蔓鈉離閘游邁情桶牢豺魚侄忱MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第47頁，共65頁。48Scaling-down的三種方案(續(xù))采用恒電場CE縮減方案, 縮減因子為(1)時, 電路指標(biāo)變化。遵粹椿諄佳面千絆微訂遂巴翁稅嚏盎緝校圓勘約碌肅譽穴猙病時虞暫慶欽MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2

33、)第48頁，共65頁。49Scaling-down的三種方案(續(xù))MOSFET特征尺寸按(1)縮減的眾多優(yōu)點：電路密度增加2倍 VLSI, ULSI功耗降低2倍器件時延降低倍 器件速率提高倍線路上的延遲不變優(yōu)值增加2倍 這就是為什么人們把MOS工藝的特征尺寸做得一小再小，使得MOS電路規(guī)模越來越大，MOS電路速率越來越高的重要原因。拇老湖宰繩鍍誡溪柒價楔婦凜倒烘偏挑濤蠱婉賭花壓雪翌出名紊撰糙肄減MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第49頁，共65頁。505.7 MOS器件的二階效應(yīng) 隨著MOS工藝向著亞微米、深亞微米的方向發(fā)展，采用簡化的、只考慮一階效應(yīng)的MOS器件模型來進

34、行電路模擬，已經(jīng)不能滿足精度要求。此時必須考慮二階效應(yīng)。二階效應(yīng)出于兩種原因：1) 當(dāng)器件尺寸縮小時，電源電壓還得保持為5V，于是，平均電場強度增加了，引起了許多二次效應(yīng)。2) 當(dāng)管子尺寸很小時，這些小管子的邊緣相互靠在一起，產(chǎn)生了非理想電場，也嚴(yán)重地影響了它們的特性。下面具體討論二階效應(yīng)在各方面的表現(xiàn)。昆慫辰尋痔律襲帽肖朗蔬涉禱鉚漿孜財贖頗霸昨閘目署嬸許后圭歷檢袖揚MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第50頁，共65頁。515.7.1 L和W的變化在一階理論的設(shè)計方法中，總認為L、W是同步縮減的，是可以嚴(yán)格控制的。事實并非如此，真正器件中的L、W并不是原先版圖上所定義的L

35、、W。原因之一在于制造誤差，如右圖所示；原因之二是L、W定義本身就不確切，不符合實際情況。圖 5.9蠻灸冕壬癟絡(luò)騰鬼奢盟急翰餓舉渤凸唱普趾菌耗掀老表絳繁改募瞬缸饑撅MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第51頁，共65頁。52 L和W的變化(續(xù)) 通常，在IC中各晶體管之間是由場氧化區(qū)（field oxide）來隔離的。在版圖中，凡是沒有管子的地方，一般都是場區(qū)。場是由一層很厚的SiO2形成的。多晶硅或鋁線在場氧化區(qū)上面穿過，會不會產(chǎn)生寄生MOS管呢？不會的。因為MOS管的開啟電壓為， 對于IC中的MOS管，SiO2層很薄，Cox較大，VT較小。對于場區(qū)，SiO2層很厚，Co

36、x很小，電容上的壓降很大，使得這個場區(qū)的寄生MOS管的開啟電壓遠遠大于電源電壓，即VTFVDD。這里寄生的MOS管永遠不會打開，不能形成MOS管(如圖5.9b)。闖售側(cè)衣涸幅框梧誘誘罷便槍予搽篩謗歡亞違深臟墳禹澇涕奠姓蝶膘烯嘉MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第52頁，共65頁。53另外，人們又在氧化區(qū)的下面注入稱為場注入?yún)^(qū)（field implant）的P+ 區(qū)，如下圖所示。這樣，在氧化區(qū)下面襯底的 Na值 較大，也提高了寄生 MOS 管的開啟電壓。同時，這個注入?yún)^(qū)也用來控制表面的漏電流。如果沒有這個P+注入?yún)^(qū)，那么，兩個MOS管的耗盡區(qū)很靠近，漏電增大。由于P+是聯(lián)在

37、襯底上的，處于最低電位，于是，反向結(jié)隔離性能良好，漏電流大大減小。 結(jié)論: 所以，在實際情況中，需要一個很厚的氧化區(qū)和一個注入?yún)^(qū)，給工藝制造帶來了新的問題。圖 5.10場注入曾仗怯煙橡圓拭寧晶叫綢創(chuàng)翠瞅菌涸娜喂適貴譚只榆雨樓齡塢喀袖津曼仇MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第53頁，共65頁。54L和W的變化(續(xù)) 制造步驟：先用有源區(qū)的mask，在場區(qū)外生成一個氮化硅的斑區(qū)。然后，再以這個斑區(qū)作為implant mask，注入P+區(qū)。最后，以這個斑區(qū)為掩膜生成氧化區(qū)。然而，在氧化過程中，氧氣會從斑區(qū)的邊沿處滲入，造成了氧化區(qū)具有鳥嘴形（bird beak）。Bird be

38、ak的形狀和大小與氧化工藝中的參數(shù)有關(guān)，但是有一點是肯定的，器件尺寸，有源區(qū)的邊沿更動了。器件的寬度不再是版圖上所畫的Wdrawn，而是W， W = Wdrawn2W式中W就是bird beak侵入部分，其大小差不多等于氧化區(qū)厚度的數(shù)量級。當(dāng)器件尺寸還不是很小時，這個W影響不大；當(dāng)器件縮小后，這個W是可觀的，它影響了開啟電壓。鍬史雀進煙旭語嘉薪攬腦襄扁六趁厘憚擻洲凍絳壹仔伏狂悲畦譏氣個信鹽MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第54頁，共65頁。55L和W的變化(續(xù))另一方面，那個注入?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)

39、域，改變了襯底的濃度Na，影響了開啟電壓。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。Lfinal是加工完后的實際柵極長度。Lfinal = Ldrawn2Lpoly報惕店陌檔娶誦拖盤歐脊賭修證涼烤伺忽腥掩襟傲稻睛蜂坷奄墮粵治型舔MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第55頁，共65頁。56L和W的變化(續(xù))尺寸縮小的原因是在蝕刻（etching）過程中，多晶硅（Ploy）被腐蝕掉了。另一方面，擴散區(qū)又延伸進去了，兩邊合起來延伸了2Ldiff，故溝道長度僅僅是

40、， L = Ldrawn2Lpoly2Ldiff這2Ldiff是重疊區(qū)，也增加了結(jié)電容。 Cgs = WLdiffCox Cgd = WLdiffCox式中Cox是單位面積電容。薪郊癸詩滲郵詭瓜禍唁應(yīng)簍肝姿侶向動釀吱辛焙迢體農(nóng)刺孵繩族壓茶殉珊MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第56頁，共65頁。575.7.2 遷移率的退化 眾所周知，MOS管的電流與遷移率成正比。在設(shè)計器件或者計算MOS管參數(shù)時，常常假定是常數(shù)。而實際上，并不是常數(shù)。從器件的外特性來看，至少有三個因素影響值，它們是：溫度T，垂直電場Ev，水平電場Eh。1） 特征遷移率0 0與制造工藝密切相關(guān)。它取決于表面

41、電荷密度，襯底摻雜和晶片趨向。0還與溫度T有關(guān)，溫度升高時，0就降低。如果從25增加到100，0將下降一半。因而，在MOS管正常工作溫度范圍內(nèi)，要考慮0是變化的。耽嘩寄拇承授秸鞠矚盡遏拱剁頒唉鳥墑吳潦襄正鞋寂涼又囂演錘維照眷袱MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第57頁，共65頁。58遷移率的退化（續(xù)）2） 遷移率的退化的第二個原因：還有電場強度 通常，電場強度E增加時，是減小的。然而，電場E有水平分量和垂直分量，因而將隨Ev，Eh而退化。通常，可以表示為， = 0(T)fv(Vg,Vs,Vd)fh(Vg,Vs,Vd)其中，0(T)是溫度的函數(shù)， 0(T) = kT M于是

42、， 在半導(dǎo)體Si內(nèi)，M=1.5，這是Spice中所用的參數(shù)。但在反型層內(nèi)（NMOS管），M=2，所以，一般認為，M值是處在1.52之間。0的典型值為，N溝道MOS管，0=600cm2/VS；P溝道MOS管，0=250cm2/VS。式中fv是垂直電場的退化函數(shù)；fh是水平電場的退化函數(shù)。邦遵相慚弟舶超殃艱焉赫褒家鑰牡井祥敵姥麓幕諧曲掇劃官珠鮮淆槍五遵MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)MOS 場效應(yīng)晶體管 (2)第58頁，共65頁。59遷移率的退化（續(xù)） 通常，fv采用如下公式， 式中，Vc是臨界電壓，Vc=ctox，c是臨界電場，c=2105 V/cm 。垂直值退化大約為25%50%。 水平電場對的影響，比垂直電場大得多。因為水平電場將加速載流子運動。當(dāng)載流子速度被加速到一個大的數(shù)值，水平速度會飽和。一般來講，N型Si的0遠大于P型Si的0。然而，這兩種載流子的飽和速度是相同的。 對于一個高性能器件來說，載流子是以最高速度，即飽和速度通過溝道的。這時，P溝道管子的性能與N溝道管子差不多相等。這并不是P型器件得到改進，而是N型器件