Lecture26MOS場效應(yīng)晶體管課件

1、Outline1、基本結(jié)構(gòu)與工作原理2、線性區(qū)I-V特性3、飽和區(qū)I-V特性4、截止區(qū)I-V特性5、亞閾值區(qū)I-V特性 Outline1、基本結(jié)構(gòu)與工作原理MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖一、基本結(jié)構(gòu)和工作原理場區(qū)場區(qū)有源區(qū)1.基本結(jié)構(gòu)MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖一、基本結(jié)構(gòu)和工作原理場區(qū)場區(qū)有源區(qū)1是四端器件，氧化物柵的金屬電極是柵極。通常把源和漏下方稱為場區(qū)，而把柵極下區(qū)域稱為有源區(qū)。器件的基本參數(shù)是溝道長度L（兩個PN+結(jié)之間的距離），溝道寬度Z，氧化層厚度x0，結(jié)深xj，以及襯底摻雜濃度Na等。結(jié)構(gòu)說明：是四端器件，氧化物柵的金屬電極是柵極。通常把源和漏下方稱為場以源極作為電壓的參考點。當(dāng)漏極加上正電

2、壓VD，而柵極未加電壓時，從源極到漏極相當(dāng)于兩個背靠背的PN結(jié)。從源到漏的電流只不過是反向漏電流。當(dāng)柵極加上足夠大的正電壓VG時，中間的MOS結(jié)構(gòu)發(fā)生反型，在兩個N+區(qū)之間的P型半導(dǎo)體形成一個表面反型層（即導(dǎo)電溝道）。于是源和漏之間被能通過大電流的N型表面溝道連接在一起。這個溝道的電導(dǎo)可以用改變柵電壓來調(diào)制。背面接觸(稱為下柵)，可以接參考電壓或負電壓，這個電壓也會影響溝道電導(dǎo)。2.工作原理以源極作為電壓的參考點。當(dāng)漏極加上正電壓VD，而柵極未加電壓線性區(qū)：溝道作用相當(dāng)于一個電阻線性區(qū)：溝道作用相當(dāng)于一個電阻反型層寬度減小到零，溝道夾斷反型層寬度減小到零，溝道夾斷導(dǎo)電溝道兩端電壓不變，忽略溝道

3、長度調(diào)制效應(yīng)電流保持不變，進入飽和工作狀態(tài)導(dǎo)電溝道兩端電壓不變，忽略溝道長度調(diào)制效應(yīng)電流保持不變，進入二、MOSFET的I-V特性 分析I-V特性的主要假設(shè)：1. 忽略源區(qū)和漏區(qū)體電阻和電極接觸電阻。2. 溝道內(nèi)摻雜均勻。3. 載流子在反型層內(nèi)的遷移率為常數(shù)。4. 長溝道近似和漸近溝道近以，即假設(shè)垂直電場和水平電場是互相獨立的。5. 長溝道近似（矩形溝道近似），即沿溝道長度方向上 溝道寬度的變化量與溝道長度相比可以忽略二、MOSFET的I-V特性 分析I-V特性的主要假設(shè)：1.柵極上加一正電壓使半導(dǎo)體表面反型。若加一小的漏源電壓，電子將通過溝道從源流到漏。溝道的作用相當(dāng)于一個電阻，且漏電流ID

4、和漏電壓VD成正比，這是線性區(qū)?？捎靡粭l恒定電阻的直線來表示。2.1 線性區(qū)I-V特性 yx柵極上加一正電壓使半導(dǎo)體表面反型。若加一小的漏源電壓，電子將支撐感應(yīng)載流子電荷QI在加上源漏之間的電壓VD之后，在y處建立電位V(y) ，感應(yīng)溝道電荷修正為：由于溝道內(nèi)載流子分布均勻，不存在濃度梯度，溝道電流只含電場作用的漂移項，且漂移電流為電子電流：(6-5-1)(6-5-2)支撐感應(yīng)載流子電荷QI在加上源漏之間的電壓VD之后，在y處建（y(0, L); V (0, VD)）積分，得：漏電流方程，稱為薩支唐(Sah)方程。是描述MOSFET非飽和區(qū)直流特性的基本方程。由：注意：該方程假設(shè)VTH與V無關(guān)

5、(6-5-3)(6-5-4)（y(0, L); V (0, VD)）積分，得：漏電流由閾值電壓的方程：由于，QB與溝道電壓有關(guān)?？紤]溝道電壓作用：QB修正為：(6-5-6)強反型條件變化由閾值電壓的方程：由于，QB與溝道電壓有關(guān)。考慮溝道電壓作用修正為：于是，漏電流方程需要修正，即：(6-5-7)(6-5-4)修正為：于是，漏電流方程需要修正，即：(6-5-7)(6-5VTH與V有關(guān)(考慮柵電壓對QB影響)VTH與V無關(guān)(不考慮柵電壓對QB影響)VTH與V有關(guān)VTH與V無關(guān)由于導(dǎo)電溝道上存在電壓降，使柵絕緣層上的有效電壓降從源端到漏端逐漸減小，當(dāng)VDS很大時，溝道壓降對有效柵壓的影響不可以忽略

6、，降落在柵下各處絕緣層上的電壓不相等，反型層厚度不相等，因而導(dǎo)電溝道中各處的電子濃度不相同，當(dāng)漏源電壓繼續(xù)增加到漏端柵絕緣層上的有效電壓降低于表面強反型所需的閾值電壓VTH 時，漏端絕緣層中的電力線將由半導(dǎo)體表面耗盡區(qū)中的空間電荷所終止，漏端半導(dǎo)體表面的反型層厚度減小到零，即在漏端處溝道消失，而只剩下耗盡區(qū)，這就稱為溝道夾斷。2.2 飽和區(qū)I-V特性 由于導(dǎo)電溝道上存在電壓降，使柵絕緣層上的有效電壓降從源端到漏進一步增加漏極電壓，會使夾斷點向源端移動，但漏電流不會顯著增加或者說基本不變，達到飽和；器件的工作進入飽和區(qū)。使MOS管進入飽和工作區(qū)所加的漏一源電壓為VDsat 。由：超過這一點，漏極

7、電流可以看成是常數(shù)(6-5-9)(6-5-8)進一步增加漏極電壓，會使夾斷點向源端移動，但漏電流不會顯著增飽和區(qū)線性區(qū)飽和區(qū)線性區(qū)溝道被夾斷后，當(dāng)VGS不變時，在漏-源電壓VDS VDsat后，隨著VDS的增加只是漏端空間電荷區(qū)展寬，對溝道厚度增加幾乎沒有作用。當(dāng)漏一源電壓繼續(xù)增加到VDS比VDsat大得多時，超過夾斷點電壓VDsat的那部分，即（VDSVDsat）將降落在漏端附近的夾斷區(qū)上，因而夾斷區(qū)將隨VDS的增大而展寬，夾斷點將隨VDS的增大而逐漸向源端移動，柵下面半導(dǎo)體表面被分成反型導(dǎo)電溝道區(qū)和夾斷區(qū)兩部分。導(dǎo)電溝道中的載流子在漏源電壓的作用下，源源不斷地由源端向漏端漂移，當(dāng)這些載流子

8、通過漂移到達夾斷點時，立即被夾斷區(qū)的強電場掃入漏區(qū)，形成漏極電流。溝道被夾斷后，當(dāng)VGS不變時，在漏-源電壓VDS VDsa如果MOS管進入飽和工作區(qū)后，繼續(xù)增加VDS，則溝道夾斷點向源端方向移動，在漏端將出現(xiàn)耗盡區(qū)，耗盡區(qū)的寬度xd 隨著VDS的增大而不斷變大，通過單邊突變結(jié)的公式可得:導(dǎo)電溝道上的電壓降正好等于夾斷點相對于源端的電壓VDsat如果MOS管進入飽和工作區(qū)后，繼續(xù)增加VDS，則溝道夾斷點向漏源飽和電流隨著溝道長度的減小(由于VDS增大，漏端耗盡區(qū)擴展所致)而增大的效應(yīng)稱為溝道長度調(diào)變效應(yīng)。這個效應(yīng)會使MOS場效應(yīng)晶體管的輸出特性曲線明顯發(fā)生傾斜，導(dǎo)致它的輸出阻抗降低。漏源飽和電

9、流隨著溝道長度的減小(由于VDS增大，漏端耗盡區(qū)用溝道調(diào)制系數(shù)來描述溝道長度調(diào)制效應(yīng)：飽和區(qū)的電流:(6-77)(6-78)(6-79)用溝道調(diào)制系數(shù)來描述溝道長度調(diào)制效應(yīng)：飽和區(qū)的電流:(6-2.3 截止區(qū)I-V特性 若柵電壓小于閾值電壓，不會形成反型層，結(jié)果是MOSFET像是背對背連接的兩個PN結(jié)一樣，相互阻擋任何一方的電流流過。晶體管在這一工作區(qū)域與開路相似。截止2.3 截止區(qū)I-V特性 若柵電壓小于閾值電壓，不會形成反型3.4 亞閾值區(qū)I-V特性 當(dāng)柵極電壓稍微低于閾值電壓時，溝道處于弱反型狀態(tài)，流過漏極的電流并不等于零，這時MOSFET的工作狀態(tài)處于亞閾值區(qū)，流過溝道的電流稱為亞閾值電流。在弱反型時表面勢可近似看做常數(shù)，因此可將溝道方向的電場強度視為零，這時漏一源電流主要是擴散電流。3.4 亞閾值區(qū)I-V特性 當(dāng)柵極電壓稍微低于閾值電壓時，溝在平衡時，沒有產(chǎn)生、復(fù)合，根據(jù)電流連續(xù)性要求，電子濃度是隨距離線性變化的，即：表面勢：因此當(dāng)：漏