半導(dǎo)體器件物理-MOSFET2

西安電子科技大學(xué)XIDIDIANUNIVERSITY第四章MOS場效應(yīng)晶體管MOSFET結(jié)構(gòu)和基本工作原理

2023/2/11場效應(yīng)器件物理2023/2/1XIDIANUNIVERSITY4.1MOSFET結(jié)構(gòu)MOSFET:Metal-Oxide-Semiconductorfield-effecttransistorMOS器件：四端器件，G、S、D、B一般情況下，VBS=0，則成為三端器件與JFET相比：控制柵為MOS結(jié)構(gòu)

源、漏摻雜與類型與襯底相反簡單看作：MOS電容和兩個背靠背PN結(jié)構(gòu)成2023/2/14.1MOSFET結(jié)構(gòu)MOS電容：外加VG，氧化層下方半導(dǎo)體表面形成強反型層，連接SD區(qū)

強反型層------MOSFET的導(dǎo)電溝道VDS在溝道上產(chǎn)生電場，載流子從源漂移到漏，被漏極收集形成ID重要參數(shù)：溝道長度L：柵氧下方源漏之間半導(dǎo)體的長度.溝道寬度W：與溝長垂直的水平方向的源漏區(qū)寬度柵氧厚度tox2023/2/14.1MOSFET

MOSFET分類(1)

n溝道MOSFET：NMOSP襯，n型反型層，電子導(dǎo)電VDS>0,

ID>0p溝道MOSFET：PMOSN襯，p型反型層，空穴導(dǎo)電VDS<0,ID<0按照溝道載流子的導(dǎo)電類型分:每種器件只有一種載流子參與導(dǎo)電——單極性器件2023/2/14.1MOSFET

MOSFET分類(2)0柵壓是否存在反型溝道分：n溝耗盡型MOSFET零柵壓時已存在反型溝道，VTN<0加?xùn)艍篤GS<VTN,溝道關(guān)閉n溝增強型MOSFET零柵壓時不存在反型溝道，VTN>0，加?xùn)艍篤GS>VTN,溝道開啟思考：不進(jìn)行專門的N型摻雜，能否形成耗盡型NMOS？2023/2/14.1MOSFET

MOSFET分類(3)

p溝增強型MOSFET零柵壓時不存在反型溝道VTP<0加?xùn)艍篤GS<VTP,溝道開啟p溝耗盡型MOSFET零柵壓時存在反型溝道VTP>0加?xùn)艍篤GS>VTP,溝道關(guān)閉4.1MOSFET

MOSFET分類（4）四種類型MOS晶體管的電路符號n溝、p溝的箭頭：襯底與溝道之間可形成的場感應(yīng)pn結(jié)的正偏方向耗盡型：代表溝道區(qū)的線為實線，即VGS=0時已存在溝道增強型：代表溝道區(qū)的線為虛線，即VGS=0時不存在溝道4.1MOSFET

MOSFET分類（5）四種類型MOS晶體管的的偏置條件4.1MOSFET

MOSFET的閾值電壓VBS=0，即襯底接地；

VGS

即為中間MOS電容兩側(cè)電勢差MOS電容VT：MOS電容半導(dǎo)體表面是否強反型的臨界電壓，

強反型層-MOSFET的導(dǎo)電溝道VGS＜VT：半導(dǎo)體表面未形成強反型層，導(dǎo)電溝道未形成，器件截止VGS>VT：半導(dǎo)體表面形成強反型層，導(dǎo)電溝道形成，器件導(dǎo)通MOSFET的閾值電壓VT：表面剛剛產(chǎn)生溝道所需的柵源電壓溝道內(nèi)可動電荷Qn，面電荷密度Q`n=COX(VGS-VT)：只有VGS大于>VT，表面才產(chǎn)生導(dǎo)電溝道，根據(jù)電容電壓電荷關(guān)系得Q`n2023/2/1n溝增強型4.1MOSFET

I-V定性分析偏置特點：VBS=0,源襯短接；VGS>VT,溝道形成；

VDS≥0，形成漏極電流ID，造成溝厚不等厚：

VDS≥0→溝道中從源到漏電位不斷增大→溝道上一點X，

VXS，

X從S往D移動，VXS↑,VGX(=VGS-VXS)↓

→VGX>VT,X點處才形成溝道,反型層可動電荷Q`n(x)=COX(VGX-VT)，→X從S往D移動，Q`n(x)不斷↓，源端Q`n(0)最大，漏端Q`n(L)最小溝道面電荷密度不相等可等效為溝道截面積不相等2023/2/1n溝增強型2023/2/14.1MOSFETID隨VDS的變化(1)線性區(qū)VDS＜＜VDS(sat),VDS對Vox的抵消作用可忽略→反型層和耗盡層近似均勻→溝道等效電阻不變

→ID∝VDS（線性區(qū)）2023/2/14.1MOSFET

ID隨VDS的變化(2)過渡區(qū)脫離線性區(qū)后，VDS↑,VDS對Vox的抵消作用不可忽略→溝道厚度不等→溝道等效電阻增加

→ID隨VDS的增長率減?。ㄟ^渡區(qū)）2023/2/14.1MOSFETID隨VDS的變化(3)飽和點飽和點：溝道夾斷點X：

反型層電荷密度剛好≈0→VGX=VT,

→VGS-VXS=VT

→VXS=VGS-VT=VDS(sat)

→2023/2/14.1MOSFETID隨VDS的變化(4)飽和區(qū)原溝道區(qū)：導(dǎo)電溝道區(qū)和夾斷區(qū)。電流被夾斷了嗎？導(dǎo)電溝道區(qū)可導(dǎo)電，又有電勢差，所以有電流，根據(jù)電流連續(xù)性原理，整個器件的電流仍存在，大小由導(dǎo)電溝道區(qū)決定漂移到夾斷點的電子在夾斷區(qū)大電場的作用下被掃向漏極，形成ID長溝MOSFET，L變化可略，導(dǎo)電區(qū)形狀和該區(qū)上壓降不變，ID保持剛夾斷時的IDS(sat)不變，即飽和區(qū)內(nèi)ID不隨VDS的增加而增加擊穿區(qū)：

VDS再繼續(xù)↑→漏極和襯底之間PN結(jié)反偏電壓過大

→導(dǎo)致pn結(jié)耗盡層內(nèi)發(fā)生雪崩擊穿，ID急劇增大，進(jìn)入擊穿區(qū)，→此時電壓為BVDS輸出特性曲線：VGS>VT的某常數(shù)時，ID隨VDS的變化曲線4.1MOSFETI-V特性定性分析n溝增強型MOSFET器件源漏ID-VDS特性曲線簇VGS不同，ID隨VDS變化物理過程與上述分析相同，曲線變化趨勢也相同VGS的影響：

非飽和區(qū)：VGS增大，Q`n=COX(VGS-VT)增大，所以對同一VDS，ID增大飽和點：VDS(sat)=VGS-VT，VGS增大，VDS(sat)也增大。飽和區(qū)：VGS增大，

Q`n=COX(VGS-VT)增大，飽和電流也增大4.1MOSFETI-V特性定性分析4.1MOSFETI-V轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性曲線：VDS為>0的某常數(shù)時，ID隨VGS的變化曲線VGS增大，

Q`n=COX(VGS-VT)增大，飽和電流也增大VGSPMOSFETNMOSFET增強型NMOS耗盡型NMOS增強型PMOS耗盡型PMOS4.1MOSFETI-V輸出特性4.1MOSFETI-V特性定量分析p型襯底、n型溝道MOSFET0溝道電流沿水平方向（X方向），柵與溝道之間電流=0溝道電流為多子漂移電流，載流子遷移率為常數(shù)緩變溝道近似（長溝器件），即垂直于溝道方向上的電場變化遠(yuǎn)大于平行于溝道方向上的電場變化，EX為常數(shù)溝道中可動面電荷密度Q`n(x)=COX(VGX-VT)沿X方向“緩變”面電荷密度另一種表示Q`n(x)=en(x)h(x)

式中h(x)為X處導(dǎo)電溝道的厚度2023/2/14.1MOSFETI-V特性:基本假設(shè)4.1MOSFETI-V特性定量分析歐姆定律：dVx=IDdR(x),根據(jù)定義Q`n(x)=en(x)h(x)，根據(jù)MOS結(jié)構(gòu)Q`n(x)=COX(VGX-VT)2023/2/14.1MOSFETI-V特性:溝道電流漏源電流強度成立條件非飽和區(qū)IV公式2023/2/14.1MOSFETI-V特性:線性區(qū)與飽和區(qū)2023/2/14.1MOSFETI-V特性:提高器件ID驅(qū)動能力的途徑同一個IC中，不同晶體管的COX以及VT相同，控制不同MOS器件溝道的W/L可控制電流大小。L最小值取決于工藝水平.在工作電壓范圍內(nèi)，適當(dāng)提高器件偏置電壓VGS材料參數(shù)設(shè)計參數(shù)工藝參數(shù)2023/2/14.1MOSFETμ和VT的測試提取方法高場下遷移率隨電場上升而下降存在亞閾值電流n溝耗盡型n溝增強型2023/2/14.1MOSFET跨導(dǎo):模型跨導(dǎo)：VDS一定時，漏電流隨VGS變化率：

又稱晶體管增益:表征FET放大能力的重要參數(shù)，反映了VGS

對ID

的控制能力單位S(西門子)，一般為幾毫西(mS)

2023/2/14.1MOSFET跨導(dǎo):表達(dá)式器件放大應(yīng)用，一般工作在飽和區(qū)。原因？VGS一定時，飽和區(qū)跨導(dǎo)>線性區(qū)跨導(dǎo)

2023/2/14.1MOSFET跨導(dǎo):提高途徑增大(W/L)，（通過版圖設(shè)計保證）增大COX，（減小氧化層厚度；采用高k介質(zhì)）增大(VGS-VT)，（增大VGS，減小VT）2023/2/14.1MOSFET（溝道電導(dǎo)）漏導(dǎo):模型溝道電導(dǎo)（漏導(dǎo)）：VGS一定時，漏電流隨VDS的變化率2023/2/14.1MOSFET源漏間的有效電阻Rds源漏間的有效電阻Rds:溝道電導(dǎo)的倒數(shù)線性區(qū)導(dǎo)通電阻：表明線性區(qū)導(dǎo)通能力飽和區(qū)輸出電阻增加線性區(qū)溝道電導(dǎo)的途徑？非飽和區(qū)漏導(dǎo)等于飽和區(qū)跨導(dǎo)同增加飽和區(qū)跨導(dǎo)的途徑2023/2/14.1MOSFET襯底偏置效應(yīng)(1)≥0必須反偏或零偏P襯最低電位N襯最高電位4.1MOSFET襯底偏置效應(yīng)(2)源襯結(jié)能帶圖：襯底0勢能參考點閾值反型點時，反型層溝道連接源漏，VDS=0，溝道和源區(qū)電子勢能近似相等,溝道區(qū)電勢能=-eΦsVSB=0時，源區(qū)電勢=VD,閾值反型點,半導(dǎo)體Φs=2Φfp,2Φfp≈VDVSB>0時，源區(qū)電勢=VD+VSB,閾值反型點,半導(dǎo)體Φs

≈V