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文档简介
3.1 双端MOS结构,1、MOS结构及其场效应 2、半导体的耗尽及反型 3、平衡能带关系 4、栅压-平带电压和阈值电压 5、电容(C-V)特性,M,O,S,- V +,a. MOS结构,b. 电场效应,1、 双端MOS结构及其场效应,- V +,_ _ _ _ _ _ _,+ + + + + + +,p型,空穴堆积,a. p增强型,+ V -,+ + + + + + +,p型,空穴耗尽,b. p耗尽型,_ _ _ _ _ _ _,+ V -,+ + + + + + +,p型,电子堆积,c. p反型,_ _ _ _ _ _ _,-V,+V,+V,2、 半导体的耗尽及反型,s,表面势,空穴堆积,电子堆积,- V +,+ + + + + + +,n型,电子堆积,a. n增强型,+ V -,+ + + + + + +,n型,电子耗尽,b. n耗尽型,_ _ _ _ _ _ _,+ V -,+ + + + + + +,n型,空穴堆积,c. n反型,_ _ _ _ _ _ _,+V,-V,-V,2、 半导体耗尽及反型,_ _ _ _ _ _ _,s,表面势,空穴堆积,电子堆积,2、 耗尽区宽度,反型 表面导电性增加,屏蔽外加电场,空间电荷区不能再增大。,耗尽 表面导电性降低,外加电场进一步深入,空间电荷区增大。,金属 氧化物 p型半导体,3、 平衡能带结构,真空能级,金属 氧化物 p型半导体,真空能级,能带平衡关系:,总的能带弯曲等于金属半导体功函数差:,金属 功函数,电子 亲合能,3、 栅压,- VG +,金属 氧化物 半导体,4、 平带电压,金属 氧化物 半导体,金属 氧化物 半导体,5、 阈值电压,金属 氧化物 p型半导体,金属 氧化物 p型半导体,5、 阈值电压,5、 阈值电压,6、 电荷分布,平带,耗尽,弱反型,堆积,强反型,注:堆积和强反型载流子增长很快。,7、 MOS电容模型,8、理想 C-V特性,堆积,耗尽,中反型,强反型,低频,高频,8、理想 C-V特性,堆积,中反型,强反型,耗尽,低频,高频,9、非理想效应,堆积,反型,低频,高频,9、非理想效应,禁带中央,阈值,平带,a. 固定栅氧化层电荷,b. 界面态效应,3.2 MOS场效应晶体管,1、MOSFET的结构及工作原理 2、电流-电压关系(定性分析) 3、电流-电压关系(定量分析) 4、MOSFET的等效电路 5、MOSFET的频率限制特性,1、MOSFET的结构及工作原理,p,源(S) 栅(G) 漏(D),体(B),p,源(S) 栅(G) 漏(D),体(B),n沟,G,D,S,B,G,D,S,B,(1)N沟增强型,(2)N沟耗尽型,1、MOSFET的结构及工作原理,n,源(S) 栅(G) 漏(D),体(B),n,源(S) 栅(G) 漏(D),体(B),p沟,G,D,S,B,G,D,S,B,(3)P沟增强型,(4)P沟耗尽型,1、MOSFET的结构及工作原理,p,G,D,S,p,G,D,S,空间电荷区,电子反型层,(a) 栅压低于阈值电压: 沟道中无反型层电荷,(b) 栅压高于阈值电压: 沟道中产生反型层电荷,2、电流-电压关系(定性) (小的漏源电压作用),p,G,D,S,电子反型层,2、电流-电压关系(定性),P,耗尽区,氧化层,反型层,P,反型层,P,反型层,线性区,偏离线性,饱和,3、电流-电压关系(定量),G,D,S,电子反型层,3、电流-电压关系(定量),金属,氧化层,P型半导体,(a)电荷关系,(b)高斯关系,3、电流-电压关系(定量),(c)电势关系,(d)能量关系,金属 氧化物 半导体,3、电流-电压关系(定量),电流 公式,电荷 关系,电压 关系,阈值 电压,电流-电压关系:,3、电流-电压关系(定量),电流-电压关系: (VGSVT,VDSVDS(sat)),饱和: (电流达到最大),饱和电流-电压关系:,3、电流-电压关系(定量),电流-电压关系:,饱和:,饱和电流-电压关系:,P沟道增强型 MOSFET:,n,G,D,S,P沟道耗尽型 MOSFET:,3、电流-电压关系(定量),电流-电压关系的应用(1) 确定阈值电压和迁移率,(1)低漏源电压近似: (VDS0),(2)饱和电流-电压关系: (VDS= VDS(sat) ),3、电流-电压关系(定量),电流-电压关系的应用(2) MOSFET的跨导,MOSFET跨导的定义:,非饱和区跨导:,饱和区跨导:,线性很好!,3、电流-电压关系(定量),衬底偏置效应,p,G,D,S,4、小信号等效电路,4、小信号等效电路,栅极:,漏极:,5、频率限制因素与截止频率,输入电流:,截止频率:,输出电流:,电流增益:,电压增益:,6、CMOS技术
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