MOSFET基础MOSFET工作原理频率.pptx

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1、11.3 MOSFET原理 MOSFET分类(1)n沟道MOSFETp型衬底，n型沟道，电子导电VDS0，使电子从源流到漏p沟道MOSFETn型衬底，p型沟道，空穴导电VDS0n沟道耗尽型MOSFET零栅压时已存在反型沟道，VTN0按照零栅压时有无导电沟道可分为：按照零栅压时有无导电沟道可分为：2第2页/共43页11.3 MOSFET原理 MOSFET分类(3)p沟道增强型MOSFET零栅压时不存在反型沟道，VTP03第3页/共43页增强型：栅压为0时不导通N沟（正电压开启“1”导通）P沟（负电压开启“0”导通）耗尽型：栅压为0时已经导通N沟（很负才关闭）P沟（很正才关闭）4第4页/共43页1

2、1.3.2 N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效应管工作原理场效应管工作原理1.VGS对半导体表面空间电荷区状态的影响对半导体表面空间电荷区状态的影响(1)VGS=0 漏漏源源之之间间相相当当于于两两个个背背靠靠背背的的 PN 结结，无无论论漏漏源源之之间间加加何何种极性电压，种极性电压，总是不导电总是不导电。SBD 当当VGS 逐逐渐渐增增大大时时，栅栅氧氧化化层层下下方方的的半半导导体体表表面面会发生什么变化？会发生什么变化？BPGSiO2SDN+N+5第5页/共43页(2)VGS 00逐渐增大逐渐增大 栅栅氧氧化化层层中中的的场场强强越越来来越越大大，它它们们排排斥斥P型型衬衬底底靠靠

3、近近 SiO2 一一侧侧的的空空穴穴，形形成成由由负负离离子子组组成成的的耗耗尽层。尽层。增大增大 VGS 耗尽层变宽。耗尽层变宽。当当VGS继继续续升升高高时时,沟沟道道加加厚厚，沟沟道道电电阻阻减减少少，在在相相同同VDS的作用下，的作用下，ID将进一步增加将进一步增加。BPGSiO2SDN+N+-+-+VGS-反型层反型层iD由由于于吸吸引引了了足足够够多多P型型衬衬底底的的电电子子，会会在在耗耗尽尽层层和和 SiO2 之之间间形形成成可可移移动动的的表表面面电电荷荷层层 反反型型层层、N 型型导导电沟道电沟道。这时，在这时，在VDS的作用下就会形成的作用下就会形成ID。(3)VGS 继

4、续增大继续增大 弱反型弱反型 强反型强反型VDS6第6页/共43页 阈值电压：使半导体表面达到强反型时所需加的栅阈值电压：使半导体表面达到强反型时所需加的栅源电压。用源电压。用VT表示。表示。阈值电压阈值电压MOS场效应管利用场效应管利用VGS来控制半导体表面来控制半导体表面“感应电感应电荷荷”的多少，来改变沟道电阻，从而控制漏极电流的多少，来改变沟道电阻，从而控制漏极电流 ID。MOSFET是一种电压控制型器件。是一种电压控制型器件。MOSFET能够工作的能够工作的关键关键是半导体是半导体 表面表面必须有必须有导电沟道导电沟道，而只有表面达到强反型时才会有沟道形，而只有表面达到强反型时才会有

5、沟道形成。成。7第7页/共43页2.VDS对导电沟道的影响对导电沟道的影响(VGSVT)c.VDS=VGSVT，即即VGD=VT：靠靠近近漏漏极极沟沟道道达达到到临临界界开开启启程程度度，出现预夹断。出现预夹断。VDS=VDSatb.0VDSVT:导导电电沟沟道道呈呈现现一一个个楔楔形形。靠靠近近漏端的导电沟道减薄。漏端的导电沟道减薄。a.VDS 0，但值较小时：，但值较小时：VDS对对沟沟道道影影响响可可忽忽略略，沟沟道厚度均匀道厚度均匀VDSVGSBPGN+N+SDd.VDSVGSVT，即即VGDVT：夹断区发生扩展，夹断点向源端移动夹断区发生扩展，夹断点向源端移动VGD=VGSVDSVG

6、SEL 8第8页/共43页3.N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效应管的特性曲线场效应管的特性曲线1 1）输出特性曲线）输出特性曲线(假设假设VGS=5V)输出特性曲线输出特性曲线非非饱饱和和区区饱和区饱和区击击穿穿区区BVDS ID/mAVDS/VOVGS=5VVGS=4VVGS=3V预夹断轨迹预夹断轨迹VDSat 过过渡渡区区线线性性区区(d)(d)VDS:VGDVTBPN+N+VDSVGSGSDLVTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVGD(c)V(c)VDS:VGD=VTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVT(a)VDS很小很小VGSBPGN+N+SDVDSVGSVGDVGS I

7、D=IDSat9第9页/共43页VT VGS/VID/mAO2 2）转移特性曲线）转移特性曲线(假设假设VDS=5V)a.VGS VT 器器件件内内存存在在导导电电沟沟道道，器器件件处处于于导导通通状状态态，有有输输出出电电流流。且且VGS越越大大，沟沟道道导导电电能能力力越越强强，输输出出电流越大电流越大 转移特性曲线转移特性曲线10第10页/共43页4.N 沟道耗尽型沟道耗尽型 MOS 场效应管场效应管BPGN+N+SDSiO2+1）N沟道沟道耗尽型耗尽型MOS场效应管结构场效应管结构1、结构结构2、符号符号SGDB11第11页/共43页ID/mAVGS/VOVP(b)(b)转移特性转移特

8、性IDSS(a)(a)输出输出特性特性ID/mAVDS/VO+1VVGS=0-3 V-1 V-2 V432151015202）基本工作原理）基本工作原理a.当当VGS=0时，时，VDS加正向电压，加正向电压，产生漏极电流产生漏极电流ID,此时的漏极电流此时的漏极电流称为称为漏极饱和电流漏极饱和电流，用，用IDSS表示表示b.当VGS0时，ID进一步增加。c.当VGS0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减小。直至ID=0。对应ID=0的VGS称为夹断电压，用符号VP表示。12第12页/共43页种种 类类符号符号转移特性曲线转移特性曲线输出特性曲线输出特性曲线 NMOS增强型增强型耗尽型耗尽型PMO

9、S增强型增强型耗尽型耗尽型IDSGDBSGDBIDSGDBIDSGDBIDVGSIDOVTIDVGSVPIDSSOVDSID_VGS=0+_OIDVGSVTOIDVGSVPIDSSO_ _IDVGS=VTVDS_ _o o_ _+VDSID+OVGS=VTIDVGS=0V+_ _VDSo o+13第13页/共43页14第14页/共43页11.3 MOSFET原理 I-V特性:基本假设沟道中的电流是由漂移而非扩散产生的（长沟器件）栅氧化层中无电流缓变沟道近似，即垂直于沟道方向上 的电场变化远大于平行于沟道方向上 的电场变化(近似认为方向为常数)氧化层中的所有电荷均可等效为 Si-SiO2界面处的

10、有效电荷密度耗尽层厚度沿沟道方向上是一 个常数沟道中的载流子迁移率与空间 坐标无关衬底与源极之间的电压为零15第15页/共43页电流密度电流密度:(漂移电流漂移电流密度为密度为)11.3 MOSFET原理 I-V特性:沟道电流X方向的电流强度：方向的电流强度：反型层中平行于沟道方向的电场：反型层中平行于沟道方向的电场：16第16页/共43页11.3 MOSFET原理 I-V特性:电中性条件17第17页/共43页高斯定理相互抵消E5=E6=0，即使有也相互抵消E30表面所在材料的介电常数某闭合表面沿闭合表面向外法线方向的电场强度该闭合表面所包围区域的总电荷量11.3 MOSFET原理 I-V特性

11、:表面电荷dxW24315618第18页/共43页11.3 MOSFET原理 I-V特性:氧化层电势19第19页/共43页11.3 MOSFET原理 I-V特性:反型层电荷与电场氧化层电势氧化层电势半导体表面空间电荷半导体表面空间电荷区的单位面积电荷区的单位面积电荷氧化层中垂直于沟氧化层中垂直于沟道方向的电场道方向的电场由上三式可得由上三式可得反型层单位面反型层单位面积的电荷积的电荷不应是x或Vx的函数（电流连续性定律）20第20页/共43页11.3 MOSFET原理 I-V特性:线性区与饱和区21第21页/共43页11.3 MOSFET原理 和VT的测试提取方法高场下迁移率随电场上升而下降存

12、在亚阈值电流n沟耗尽型n沟增强型22第22页/共43页11.3 MOSFET原理 p沟增强型MOSFET的I-V特性注：Vds=-Vsd Vgs=-Vsg,等23第23页/共43页11.3 MOSFET原理 跨导(晶体管增益):模型跨导用来表征MOSFET的放大能力：令材料参数设计参数工艺参数影响跨导的因素：24第24页/共43页小节内容电流电压关系推导跨导器件结构迁移率阈值电压WL(p350第二段有误：L增加，跨导降低)tox25第25页/共43页思考题：思考题：试分析试分析VGS,VDS对增强型对增强型PMOS及及耗尽型耗尽型PMOS导电沟道及输出电流导电沟道及输出电流的影响，并推导其电流

13、电压方程。的影响，并推导其电流电压方程。26第26页/共43页11.3 MOSFET原理 衬底偏置效应(1)0必须反偏或零偏Vsb=Vs-Vb0,即Vb更负（这样才反偏）在沟道源端感应出来的电子全跑掉了27第27页/共43页11.3 MOSFET原理 衬底偏置效应(2)能带图衬底偏压表面准费米能级反型条件耗尽层电荷不同衬偏电压条件下的能带图：不同衬偏电压条件下的能带图：28第28页/共43页11.3 MOSFET原理 衬底偏置效应(3)现象反型层电子势能比源端电子势能高电子更容易从反型层流到源区达到反型所需的电子浓度需更高的栅压；反型层-衬底之间的电势差更大表面耗尽层更宽、电荷更多同样栅压下反

14、型层电荷更少；表面费米能级更低要达到强反型条件需要更大的表面势；29第29页/共43页11.3 MOSFET原理 衬底偏置效应(4)阈值电压负的耗尽层电荷更多需更大的正栅压才能反型，且VSB越大，VT越大体效应系数30第30页/共43页小节内容衬底偏置效应P阱更负，n管阈值上升N衬底更正，p管阈值更负此种类型偏置经常做模拟用途。例11.10：T=300K，Na=31016cm-3，tox=500埃，VSB=1VVT=0.66V31第31页/共43页11.4 频率限制特性 交流小信号参数源极串联电阻栅源交叠电容漏极串联电阻栅漏交叠电容漏-衬底pn结电容栅源电容栅漏电容跨导寄生参数本征参数32第3

15、2页/共43页11.4 频率限制特性 完整的小信号等效电路共源共源n沟沟MOSFET小信号等效电路小信号等效电路总的栅源电容总的栅漏电容与ID-VDS曲线的斜率有关33第33页/共43页11.4 频 率 限 制 特 性 简化的小信号等效电路低频条件下只计入低频条件下只计入rs只计入本征参数只计入本征参数低频条件下只计入低频条件下只计入rds34第34页/共43页11.4 频率限制特性 MOSFET频率限制因素限制因素限制因素2：对栅电极或电：对栅电极或电容充电需要时间容充电需要时间限制因素限制因素1：沟道载流子从源到：沟道载流子从源到漏运动需要时间漏运动需要时间沟道渡越时间通常不是主要频率限制

16、因素对Si MOSFET，饱和漂移速度35第35页/共43页11.4 频率限制特性 电流-频率关系负载电阻输入电流输出电流对栅电容充电需要时间消去电压变量VD36第36页/共43页11.4 频率限制特性 密勒电容等效只计入本征参数只计入本征参数器件饱和时，器件饱和时，Cgd=0，寄生电容成为影响输入寄生电容成为影响输入阻抗的重要因素。阻抗的重要因素。37第37页/共43页11.4 频率限制特 截止频率推导截止频率：电流增益为截止频率：电流增益为1时的频率。时的频率。提高频率特性：提高迁移率（100方向，工艺优质）；缩短L；减小寄生电容；增大跨导；38第38页/共43页11.5 CMOS技术 什

17、么是CMOS？n沟沟MOSFETp沟沟MOSFETCMOS（Complentary MOS，互补CMOS）使n沟MOSFET与p沟MOSFET取长补短实现低功耗、全电平摆幅数字逻辑电路的首选工艺场氧（用作管间、互连-衬底间隔离）栅氧（用作MOS电容的介质）通常接电路最低电位通常接电路最高电位39第39页/共43页11.6 小结 1MOS电容是MOSFET的核心。随表面势的不同，半导体表面可以处于堆积、平带、耗尽、本征、弱反型、强反型等状态。MOSFET导通时工作在强反型状态栅压、功函数差、氧化层电荷都会引起半导体表面能带的弯曲或表面势。表面处于平带时的栅压为平带电压，使表面处于强反型的栅压为阈

18、值电压。阈值电压与平带电压、半导体掺杂浓度、氧化层电荷、氧化层厚度等有关。C-V曲线常用于表征MOS电容的性质，氧化层电荷使C-V曲线平移，界面陷阱使C-V曲线变缓MOSFET根据栅压的变化可以处于导通（强反型）或者截止状态，故可用作开关；加在栅源上的信号电压的微小变化可以引起漏源电流的较大变化，故可用作放大。40第40页/共43页11.6 小结 2MOSFET可以分为n沟道、p沟道，增强型、耗尽型。对于不同类型的MOSFET，栅源电压、漏源电压、阈值电压的极性不同。特性曲线和特性函数是描述MOSFET电流-电压特性的主要方式。跨导和截止频率是表征MOSFET性质的两个最重要的参数。根据MOSFET的转移特性（ID-VGS），可分为导通区和截止区；根据MOSFET的输出特性（ID-VDS），可分为线性区、非饱和区和饱和区。影响MOSFET频率特性的因素有栅电容充放电时间和载流子沟道渡越时间，通常前者是决定MOSFET截止频率的主要限制因素。CMOS技术使n沟MOSFET和p沟MOSFET的优势互补，但可能存在闩锁等不良效应。41第41页/共43页掌握复习题1-15的内容。42第42页/共43页43感谢您的观看！第43页/共43页