2022-2023學(xué)年高二物理競(jìng)賽課件：半導(dǎo)體MOS管的二級(jí)效應(yīng)-理想結(jié)果的修正

半導(dǎo)體MOS管的二級(jí)效應(yīng)——理想結(jié)果的修正

半導(dǎo)體MOS管的二級(jí)效應(yīng)——理想結(jié)果的修正

二級(jí)效應(yīng)——非線性、非一維、非平衡等因素對(duì)I-V特性產(chǎn)生的影響，它們包括：非常數(shù)表面遷移率效應(yīng)、體電荷效應(yīng)、短溝道效應(yīng)、窄溝道效應(yīng)等。非常數(shù)表面遷移率效應(yīng)

實(shí)際情況，MOS管表面載流子的遷移率與表面的粗糙度、界面的陷阱密度、雜質(zhì)濃度、表面電場(chǎng)等因素有關(guān)。電子表面遷移率的范圍為550～950cm2/（V·s），空穴表面遷移率的范圍為150～250cm2/（V·s），電子與空穴遷移率的比值為2～4。在低柵極電壓情況下測(cè)得，即UGS僅大于閾值電壓1～2V。長(zhǎng)溝MOS管，溝道剛夾斷時(shí)溝道區(qū)的橫向電場(chǎng)載流子渡過(guò)溝道區(qū)L所需要的時(shí)間為渡越時(shí)間

，，

如果

減小溝道長(zhǎng)度L是提高截止頻率的重要手段。最高工作頻率fMfM

——功率增益等于1時(shí)的頻率；柵-溝道電容CGC

當(dāng)柵-源之間輸入交流信號(hào)之后，從柵極增加流進(jìn)溝道的載流子分成兩部分，其中一部分對(duì)柵-溝道電容CGC充電，另一部分徑直通過(guò)溝道流進(jìn)漏極，形成漏-源輸出電流。當(dāng)信號(hào)頻率

增加，流過(guò)CGC的信號(hào)電流增加，從源流入溝道的載流子用于增加?xùn)艤系离娙莩潆姷牟糠?，直?/p>

增大到足夠大，使全部溝道電流用于充電，則漏極輸出信號(hào)為0，即流入電容CGC的電流等于輸入信號(hào)引起的溝道電流時(shí)的頻率

是管的最高工作頻率

M

。管跨導(dǎo)愈大，最高工作頻率愈高；柵極-溝道電容CGC愈小，最高工作頻率也愈高;管的高頻優(yōu)值

gm/CGC——衡量管的高頻特性，比值愈高，高頻特性愈好。提高fM，從結(jié)構(gòu)方面應(yīng)當(dāng)使溝道長(zhǎng)度縮短到最低限度，也必須盡可能增大電子在溝道表面的有效遷移率

n。硅材料電子遷移率

n比空穴遷移率

p大。n

M

=

2

fM

MOS管的開(kāi)關(guān)特性(Switching

feature)開(kāi)關(guān)狀態(tài)——管主要工作在兩個(gè)狀態(tài)，導(dǎo)通態(tài)和截止態(tài)；兩種開(kāi)關(guān)特性——本征與非本征開(kāi)關(guān)延遲特性；本征延遲：載流子通過(guò)溝道的傳輸所引起的大信號(hào)延遲；非本征延遲：被驅(qū)動(dòng)的負(fù)載電容充-放電以及管之間的RC延遲；MOS管用來(lái)構(gòu)成數(shù)字集成電路，如構(gòu)成觸發(fā)器、存儲(chǔ)器、移位寄存器等等。構(gòu)成的集成電路功耗小、集成度高。MOS管瞬態(tài)開(kāi)關(guān)過(guò)程開(kāi)關(guān)等效電路開(kāi)和關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換即在截止區(qū)和可變電阻區(qū)間來(lái)回切換，且受UGS控制非本征開(kāi)關(guān)過(guò)程

(外部狀態(tài)影響)電阻負(fù)載倒相器負(fù)載電阻負(fù)載電容電源IDS階躍信號(hào)(方波)（1）開(kāi)通過(guò)程

延遲時(shí)間上升時(shí)間延遲過(guò)程——輸入柵壓UGS增加，信號(hào)UG(t)向柵電容CGS和CGD充電，隨著柵壓增加，經(jīng)過(guò)一定的延遲，柵電容CGS上的柵壓達(dá)到閾值電壓UT時(shí)，輸出電流開(kāi)始出現(xiàn)；上升過(guò)程——UGS超過(guò)UT時(shí)，進(jìn)入線性工作區(qū)，UG(t)使反型溝道厚度增厚，電流開(kāi)始迅速增大；在上升時(shí)間tr結(jié)束時(shí)，電流達(dá)到最大值，柵壓達(dá)到UGS2

；延遲UT理想開(kāi)波形UGS2為什么輸入方波，而實(shí)際如此變化？（2）關(guān)斷過(guò)程儲(chǔ)存時(shí)間下降時(shí)間儲(chǔ)存過(guò)程——去掉柵壓，柵電容CGS放電，柵壓UGS下降，當(dāng)UGS下降到上升時(shí)間結(jié)束時(shí)的柵壓UGS2時(shí)，電流才開(kāi)始下降；也是管退出飽和的時(shí)間；下降過(guò)程——儲(chǔ)存時(shí)間結(jié)束后，UGS繼續(xù)放電，柵壓UGS從UGS2進(jìn)一步下降，反型溝道厚度變薄，電流快速下降，當(dāng)UGS小于UT后，管截止，關(guān)斷過(guò)程結(jié)束；延遲理想關(guān)波形UTUGS2非本征開(kāi)關(guān)時(shí)間柵峰值電壓輸入電容電流脈沖發(fā)生器的內(nèi)阻開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間近似相等ton=toff

非本征開(kāi)關(guān)時(shí)間受負(fù)載電阻RL、負(fù)載電容CL、柵峰值電壓UGG以及電容和電阻的影響，減小柵電容及電阻值是很重要的。4.6.2MOS管瞬態(tài)開(kāi)關(guān)時(shí)間計(jì)算

本征延遲開(kāi)關(guān)過(guò)程

定義：本征延遲過(guò)程的時(shí)間是柵極加上階躍電壓，使溝道導(dǎo)通，漏極電流上升到與導(dǎo)通柵壓對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間。載流子渡越溝道長(zhǎng)度，該過(guò)程與傳輸?shù)碾娏鞯拇笮『碗姾傻亩嗌儆嘘P(guān)，與載流子漂移速度有關(guān)，漂移速度越快，本征延遲的過(guò)程越短。在線性區(qū)，UDS→0時(shí)，本征開(kāi)通延遲時(shí)間飽和區(qū)本征開(kāi)通延遲時(shí)間減小溝道長(zhǎng)度是減小開(kāi)關(guān)時(shí)間的主要方法；溝道不太長(zhǎng)，本征開(kāi)通延遲時(shí)間較短。如L=5

m，

n

=60cm2/（V·s）的N