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(gè)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(diǎn)。當(dāng)漏極加上正電

2、壓VD，而柵極未加電壓時(shí)，從源極到漏極相當(dāng)于兩個(gè)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(shí)，中間的MOS結(jié)構(gòu)發(fā)生反型，在兩個(gè)N+區(qū)之間的P型半導(dǎo)體形成一個(gè)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(gè)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(fù)電壓，這個(gè)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(diǎn)。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(gè)電阻線性區(qū)：溝道作用相當(dāng)于一個(gè)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(jìn)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(jìn)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(dú)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(gè)電阻，且漏電流ID

4、和漏電壓VD成正比，這是線性區(qū)。可用一條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(xiàng)，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(qiáng)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)?？紤]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(shí)，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(qiáng)反型所需的閾值電壓VTH 時(shí)，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(jìn)一步增加漏極電壓，會使夾斷點(diǎn)向源端移動，但漏電流不會顯著增加或者說基本不變，達(dá)到飽和；器件的工作進(jìn)入飽和區(qū)。使MOS管進(jìn)入飽和工作區(qū)所加的漏一源電壓為VDsat 。由：超過這一點(diǎn)，漏極

7、電流可以看成是常數(shù)(6-5-9)(6-5-8)進(jìn)一步增加漏極電壓，會使夾斷點(diǎn)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(shí)，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(shí)，超過夾斷點(diǎn)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(diǎn)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(dá)夾斷點(diǎn)時(shí)，立即被夾斷區(qū)的強(qiáng)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(shí)，在漏-源電壓VDS VDsa如果MOS管進(jìn)入飽和工作區(qū)后，繼續(xù)增加VDS，則溝道夾斷點(diǎn)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(diǎn)相對于源端的電壓VDsat如果MOS管進(jìn)入飽和工作區(qū)后，繼續(xù)增加VDS，則溝道夾斷點(diǎn)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(kuò)展所致)而增大的效應(yīng)稱為溝道長度調(diào)變效應(yīng)。這個(gè)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(gè)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(shí)，溝道處于弱反型狀態(tài)，流過漏極的電流并不等于零，這時(shí)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(shí)表面勢可近似看做常數(shù)，因此可將溝道方向的電場強(qiáng)度視為零，這時(shí)漏一源電流主要是擴(kuò)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(shí)，溝在平衡時(shí)，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