第五章复习 (1).pptx

第5章MOSFET复习 基本结构 基本类型 表面场效应 工作原理 费米势 功函数 强反型条件 基础知识 电子亲合能 VDS对Qn QB的影响 积累 耗尽 反型 强反型 弱反型 MOSFET 阈值电压 直流特性 小信号特性 VBS对Qn QB的影响 电荷分布 阈值电压 阈值电压计算公式 功函数差对能带的影响 氧化层电荷对能带的影响 影响阈值电压的因素 直流特性 萨支唐方程 沟道夹断 沟长调制效应 迁移率调制效应 小信号特性 交流小信号参数 交流小信号等效电路 漏区电场静电反馈效应 截止频率 提高频率特性的措施 MOSFET基本结构 结构特点MOS结构两PN结导电沟道 N沟道MOSFET基本结构 MOSFET基本类型 表6 2 1 MOSFET基本类型 增强型MOSFET多为P沟道型耗尽型MOSFET多为N沟道型 SiO2栅氧化层中的电荷多为正电荷 表面场效应 积累状态 EC EV EF Eip Eis qVs q F VS 0 pPS pp0 半导体表面电势 载流子浓度 表面场效应 EC EV EF Eip Eis qVs q F 0 VS F pPS pp0nPS np0 耗尽状态 半导体表面电势 载流子浓度 表面场效应 EC EV EF Eip Eis qVs q F F VS 2 F pps nPS pP0 反型 弱反型 半导体表面电势 载流子浓度 表面场效应 EC EV EF Eip Eis qVs q F 2 F VS nPS pp0 反型 强反型 空间电荷区宽度达到最大 半导体表面电势 载流子浓度 表面场效应 费米势 费米势 F 6 1 2 F单位 V 强反型条件 6 1 7 表面少子浓度 体内多子浓度 功函数 功函数q 材料中的电子脱离材料的限制成为自由电子所需的能量 Al 4 1eVCu 4 7eVAu 5 0eVN型硅 ND 1015cm 3 4 26eVP型硅 ND 1015cm 3 4 88eV 修正功函数q 金属或半导体费米能级与SiO2导带底的能量差 功函数 半导体材料功函数计算 电子亲合能 电子亲合能q 电子亲合势 修正亲合能q 修正亲合势 Si 4 05eVGe 4 0eV 强反型时MOS结构中的电荷分布 P型衬底 QG 金属栅上的电荷面密度QOX 栅绝缘层中的电荷面密度Qn 反型层中电子电荷面密度QB 半导体表面耗尽层中空间电荷面密度 Qn QG QOX QB 强反型后 QB达到最大值QBmax VDS对耗尽层宽度以及沟道载流子密度的影响 xb Qn QB VBS对耗尽层宽度以及沟道载流子密度的影响 通过改变QB 而改变Qn 从而改变ID 因此衬底电极又称为 第二栅极 或 背栅 Qn QB VBS对耗尽层宽度以及沟道载流子密度的影响 VGS VBS对IDS的控制的比较 A VGS变化导致半导体表面感应电荷QS变化 而QB基本不变即Qn随VGS变化 B VBS变化导致QS中Qn和QB的分配比例变化 Qn QB 阈值电压 栅下半导体表面出现强反型 从而出现导电沟道时所加的栅源电压 半导体表面建立反型层半导体表面建立耗尽层电荷补偿栅氧化层中电荷对半导体表面的影响抵消金属 半导体之间的功函数差 功函数差对能带的影响 金属 氧化物 半导体形成统一的电子系统以前的能带图 功函数差对能带的影响 形成统一的电子系统以后 半导体表面能带弯曲 功函数差对能带的影响 为了使能带平直 栅极加补偿电压 ms 6 3 4 栅氧化层中的电荷对能带的影响 栅极加补偿电压后 阈值电压计算公式 NMOSFET P衬底 阈值电压计算公式 PMOSFET N衬底 影响阈值电压的因素 一 栅电容COX 栅氧化层厚度不可太小 一般在100nm左右 影响阈值电压的因素 二 功函数差q ms电极材料衬底杂质浓度 影响阈值电压的因素 三 衬底杂质浓度1 费米势 NMOSFET P Si衬底 PMOSFET N Si衬底 N F 影响较小 影响阈值电压的因素 三 衬底杂质浓度2 耗尽层电荷QBmax NMOSFET P Si衬底 PMOSFET N Si衬底 N QBmax VT 影响较大可采用离子注入工艺调整阈值电压 影响阈值电压的因素 三 衬底杂质浓度3 ms影响较小 影响阈值电压的因素 四 氧化层中的电荷密度1氧化层中的电荷 氧化层中的电荷 影响阈值电压的因素 四 氧化层中的电荷密度2 NMOSFET 1 衬底杂质浓度较低时 VT主要由QOX控制 控制VT的重要手段 2 衬底杂质浓度NA一定时Qox VT 0 3 Qox q 1012NA 1015VT 0为DMOSFET 4 Qox q 1011NA 1015可形成EMOSFET 图6 3 7 A 影响阈值电压的因素 四 氧化层中的电荷密度3 PMOSFET 1 衬底杂质浓度较低时 VT主要由QOX控制 控制VT的重要手段 2 衬底杂质浓度ND一定时Qox VT 3 VT 0 一直为EMOSFET 4 通过特殊工艺可形成DMOSFET 图6 3 7 B 4 增强型MOSFET多为P沟道型耗尽型MOSFET多为N沟道型 SiO2栅氧化层中的电荷多为正电荷 沟道夹断 萨支唐方程 公式总结 NMOSFET 线性区 VDS IDS 非饱和区 饱和区 6 4 12 6 4 10 6 4 14 6 4 11 6 4 15 VDS VDSat VDS VDSat VDS VDSat 萨支唐方程 公式总结 P沟道 线性区 VDS IDS 非饱和区 饱和区 6 4 11 VDS VDSat VDS VDSat VDS VDSat 沟长调制效应 VDS增大 夹断点向源区移动 Leff减小 迁移率调制效应 VGS产生的垂直电场EX VDS产生的横向电场Ey 表面载流子有效迁移率减小 VGSVDS IDS 迁移率调制效应 栅电场的影响 VGS使沟道中的电子向表面运动 eff减小IDS减小 散射作用增强 迁移率调制效应 横向电场的影响 VDS增大 Ey增大 载流子漂移速度增大 接近或达到饱和漂移速度 eff减小IDS减小 漏区电场静电反馈效应 交流小信号参数 1 栅跨导gm 1 定义 描述栅电压对漏电流的控制能力 6 5 1 2 非饱和区 6 5 2 3 饱和区 6 5 3 交流小信号参数 2 衬底跨导gmb定义 描述衬底偏压对漏电流的控制能力 6 5 9 6 5 10 交流小信号参数 3 漏端电导gds 1 定义 反映漏源电压对电流的控制能力 2 非饱和区 3 饱和区 理想状况 gds 0实际情况 受 沟长调制效应 漏区电场静电反馈效应 影响gds 0 6 5 11 6 5 12 交流小信号参数 4 电压放大系数KV 1 定义 反映VDS VGS对IDS控制能力的比值 2 非饱和区 3 饱和区 理想状况 KV 实际情况 受 沟长调制效应 漏区电场静电反馈效应 影响KV 6 5 15 6 5 15 6 5 17 交流小信号等效电路 C gs栅源寄生电容C gd栅漏寄生电容Cds漏端PN结耗尽层电容RS原扩散区体电阻RD原扩散区体电阻 Cgs 等效栅源电容 Cgd 等效栅漏电容 Rgs 等效沟道串联电阻 截止频率 1 跨导与跨导截止频率fgm高频跨导gm 下降到低频值的时的频率称为跨导截止频率fgm 6 5 39 6 5 40 截止频率 2 截止频率fT输入电流igs 交流成分 与电压控制电流源gmVgs的电流相等时对应的频率称为截止频率fT 6 5 42 截止频率 3