第六章-MOSFET.ppt

1,微电子器件与IC设计,第六章MOSFET,MOS场效应晶体管,2,引言,一、FET(Field-EffectTransistor)二、场效应器件类型：,JunctionFET,Metal-SemiconductorFET,Metal-Oxide-SemiconductorFET,3,JFET,MESFET,MOSFET,4,三、FET特点：单极器件、多子器件电压控制器件热稳定性好噪声低种类多制作工序少，隔离容易,5,6,内容提要,6.1MOS结构及其特性6.2MOSFET基本结构及工作原理6.3MOSFET阈值电压6.4MOSFET电流-电压特性6.5MOSFET小信号特性6.6短沟道效应及按比例缩小规则,7,未加偏压时的MOS结构,MOS电容的结构,MOS电容中三个分离系统的能带图,6.1MOS结构及其特性,1、MOS场效应与电荷状态,8,理想MOS施加偏压后的几种表面状态,9,*强反型：半导体表面积累的少子浓度等于甚至超过体内多子浓度的状态,10,强反型,11,费米势：强反型条件：,12,13,（1）关于电容,平行板电容器,+Q,-Q,E,d,+,-,V,面积A,电容C定义为：,Q,V,C斜率,直流和交流时均成立,2、MOSC-V特性,14,如果C随外加电压变化，是可变电容，则要引入微分电容的概念,直流偏压V下的微分电容C定义为：,+Q,-Q,E,d,+,-,V,面积A,+Q,-Q,V,Q,V,C（V斜率,15,半导体中的电容通常是可变电容,例如：突变PN结电容,和平行板电容器形式一样,+,-,V,P+,N,xd,偏压改变V,16,（2）MOSC-V特性,17,6.2MOSFET的基本结构及工作原理,6.2.1MOSFET的基本结构(1)构成：MOS结构、4电极（S、G、D、B）、2PN结、导电沟道。.,n+,n+,S,G,D,B,P,L,M,O,S,衬底电极,S：源极G：栅极D：漏极载流子：SD,阈值电压VT：S表面达到强反型时的VGS,栅源电压：VGS漏源偏置电压：VDS,18,6.2MOSFET的基本结构及工作原理,(2)主要的结构参数：L,W,tox,NA，ND,铝栅：硅栅：,19,(3)平面图形,S,D,G,D,S,G,20,沟道中导电的载流子类型,N沟道（P型衬底）,P沟道（N型衬底）,强反型时，导电沟道中的电子漂移运动形成电流,强反型时，导电沟道中的空穴漂移运动形成电流,VGS0时，是否有导电沟道,增强型,耗尽型,VG0时，无导电沟道,VG0时，有导电沟道,共有四种类型,6.2.2、MOSFET的基本类型,2种分类方法：,增强型Enhancementmode耗尽型Depletionmode,(导电沟道是反型层，故与衬底的类型是相反的),21,6.2.2、MOSFET的类型,*耗尽型的阈值电压指沟道消失时的VGS,22,6.2MOSFET的基本结构及工作原理,6.2.3、MOSFET的基本工作原理,23,6.2MOSFET的基本结构及工作原理,6.2.3、MOSFET的基本工作原理基于“表面场效应”原理。在垂直于半导体表面的电场作用下，半导体表面层中的载流子浓度发生变化，导致表面层导电能力的改变。,反型层:表面少子浓度表面多子浓度强反型:表面少子浓度体内多子浓度导电沟道:强反型时漏源之间形成的导电通道阈值电压VT：使半导体表面达到强反型时(nsp0)所需的栅源电压漏极：载流子流出沟道源极：载流子流入沟道(漏源电压总是使载流子由源极流入沟道由漏极流出沟道),24,6.2MOSFET的基本结构及工作原理,6.2.4、MOSFET的转移特性：VDS为常数，IDSVGSE-NMOSFET：VGS0，IDS0VGS：P型耗尽层IDS0VGSVT（阈值电压）N反型层VGS：IDS,VT0,VGS,-0+,VT,IDS,25,6.2MOSFET的基本结构及工作原理,D-NMOSFET：VGS=0，IDS已存在VGS0很小：IDSVDS线性增大VDS增大：IDSVDS变化减慢,6.2.5、MOSFET的输出特性（VGSVT,IDSVDS）,27,6.2MOSFET的基本结构及工作原理,VDS继续增加：IDSIDSATVDS再增加：IDS基本不变VDS进一步增大：雪崩击穿，电流剧增,28,6.2MOSFET的基本结构及工作原理,MOSFET输出特性,29,电学符号转移特性输出特性,G,D,S,ID,已有导电沟道,VT,VGS,VT0,VT0,VGS,-0+,VT,+VGSVT,ID,VDS,G,D,S,VDS0,VGS,-0+,ID,VDS,+VGS=0VT,-0,ID,G,D,S,VDS0,VT,VGS,-0+,ID,VT0,VDS,VT-,ID,-0,n沟耗尽型,n沟增强型,P沟耗尽型,P沟增强型,30,6.3MOSFET的阈值电压,6.3.1阈值电压定义MOSFET表面呈现强反型、形成导电沟道时的栅源电压，以VT表示,VOX：栅电压VG降落在SiO2绝缘层上的部分VS：栅电压VG降落在半导体表面的部分VFB：平带电压,31,6.3MOSFET的阈值电压,6.3.2平带电压实际MOS结构：无偏压时MOS结构中由于功函数差会引起表面能带弯曲,SiO2栅绝缘层中的电荷同样可在半导体表面感应出表面电荷,平带电压使表面势为0，所需在栅上加的偏压,32,6.3MOSFET的阈值电压,6.3.3强反型时的电荷分布QG：金属栅上的面电荷密度QOX：栅绝缘层中的面电荷密度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,33,6.3MOSFET的阈值电压,6.3.4理想状态MOSFET的阈值电压1.理想状态：Qox0，Vms02.沟道形成时的临界状态：Qn03.出现强反型后：xdxdmax(强反型时可视为np),34,6.3MOSFET的阈值电压,6.3.4理想状态MOSFET的阈值电压,理想假设条件下不考虑,刚达到强反型时Qn分布在表面很薄的一层内Qn0场感应结：,40,6.3MOSFET的阈值电压,6.3.5实际MOSFET的阈值电压（3）衬偏电压VBS0引起：,VBS,衬底偏置效应：,41,6.3MOSFET的阈值电压,6.3.6影响阈值电压的因素（1）栅电容Cox（2）接触电势（3）衬底杂质浓度的影响（4）氧化层电荷密度的影响,42,6.3MOSFET的阈值电压,6.3.6影响阈值电压的因素（1）栅电容Cox减小氧化层厚度选用较大介电系数的材料作栅介质膜,43,6.3MOSFET的阈值电压,6.3.6影响阈值电压的因素（2）接触电势差用硅栅工艺（用多晶硅作栅极）,44,6.3MOSFET的阈值电压,6.3.6影响阈值电压的因素（3）衬底杂质浓度的影响费米势：耗尽层电荷：影响最大，可离子注入调整Vms综合起来，耗尽层电荷影响最大，可离子注入调整,PMOS,NMOS,：影响较小,45,6.3MOSFET的阈值电压,6.3.6影响阈值电压的因素（4）氧化层电荷密度的影响,NMOS：1）NA一定时，QoxVT（+0）2）当时，NA在1015cm-3仍是VTn1015cm-3，形成EMOS4）NA1015cm-3，VT与NA无关NMOS易形成耗尽型,NA,NOX,46,6.3MOSFET的阈值电压,6.3.6影响阈值电压的因素（4）氧化层电荷密度的影响PMOS：VTp始终小于0，为EMOS欲PMOS成为DPMOS，可预制一层P型预反型层或利用Al2O3膜的负电荷效应，制作Al2O3/SiO2复合栅,NOX,ND,47,6.4MOSFET的电流电压特性,6.4.1理想模型（以ENMOS为例）一维近似，只考虑电流在y方向的流动；强反型近似：缓变沟道近似：只考虑漂移电流，忽略扩散电流；忽略沟道和衬底间的反向漏电流；忽略源极、漏极、沟道之间的接触电阻；沟道杂质浓度均匀分布；沟道载流子迁移率为常数。,Xc,48,6.4MOSFET的电流电压特性,6.4.2沟道电荷密度Qn(y)设沟道中y处的电荷密度为Qn(y)：设沟道中某一点电位为V(y)则：,49,6.4MOSFET的电流电压特性,6.4.3漂移电流IDSqn(x,y)：沟道中某点的电荷密度，n：迁移率,Xc,50,6.4MOSFET的电流电压特性,6.4.3漂移电流IDS1、线性区：VDSVGSVTV(y)可忽略，2、可变电阻区：VDS较大，V(y)不能忽略：3、饱和区：VDS继续增大到VDSVGS-VT沟道夹断,沟长调制效应（CLM）,51,6.4MOSFET的电流电压特性,6.4.4影响电流电压特性的因素耗尽层电荷的影响高场迁移率的影响栅电场（Ex）的影响横向电场（Ey）的影响,52,6.4MOSFET的电流电压特性,6.4.4影响电流电压特性的因素（1）耗尽层电荷的影响,随VDS变化,53,6.4MOSFET的电流电压特性,6.4.4影响电流电压特性的因素（2）高场迁移率的影响栅电场的影响（Ex）表面散射效应,54,6.4MOSFET的电流电压特性,6.4.4影响电流电压特性的因素（2）高场迁移率的影响横向电场(Ey)的影响,饱和漂移速度的临界场,55,6.5MOSFET小信号特性,6.5.1交流小信号参数1.跨导gm表示栅源电压对漏源电流的控制能力影响因素:VGS、VDS、提高gm:,饱和区：,56,6.5MOSFET小信号特性,2漏导gd反映漏源电压对漏源电流的控制能力。表达式1）非饱和区2）线性区3）饱和区（理想）gds不为0的原因1）沟长调制效应2）漏区电场静电反馈效应3）空间电荷限制效应,57,6.5MOSFET小信号特性,58,6.5MOSFET小信号特性,6.5.2栅源电容Cgs及栅漏电容Cgd1.Cgs：,59,6.5MOSFET小信号特性,6.5.2栅源电容Cgs及栅漏电容CgdCgs：1）当VDS很小，可忽略不计时（线性区）：2）当饱和区,60,6.5MOSFET小信号特性,6.5.2栅源电容Cgs及栅漏电容Cgd2.Cgd：线性区：饱和区：,61,6.5MOSFET小信号特性,6.5.3MOSFET交流小信号等效电路（1）电流方程输入端：输出端：,62,6.5MOSFET小信号特性,6.5.3MOSFET交流小信号等效电路（2）本征等效电路Rgs=2/5Ron1/gd=rd,63,6.5MOSFET小信号特性,6.5.3MOSFET交流小信号等效电路（3）实际等效电路RS：源极串联电阻RD：漏极串联电阻：栅源寄生电容：栅漏寄生电容Cds：漏极和源极之间寄生电容,64,6.5MOSFET小信号特性,6.5.4MOSFET频率特征参数1、跨导截止频率（1）高频跨导gm()电流改变量相同：,65,6.5MOSFET小信号特性,6.5.4MOSFET频率特征参数1、跨导截止频率（2）跨导截止频率：,66,6.5MOSFET小信号特性,6.5.4MOSFET频率特征参数2、截止频率fT流过Cgs的电流交流短路输出电流时的频率寄生电容的影响：fT会降低,总输入电容,67,6.5MOSFET小信号特性,6.5.4MOSFET频率特征参数3、提高截止频率的措施L降低，可缩短沟