场效应器件物理1-4频率5CMOS.ppt

2020/5/15,1,半导体物理与器件,西安电子科技大学XIDIDIANUNIVERSITY张丽第11章MOSFET基础11.4频率限制特性11.5CMOS技术11.6小结,2020/5/15,XIDIANUNIVERSITY,2,2020/5/15,XIDIANUNIVERSITY,1.4频率特性本节内容,模型的基本概念MOSFET的小信号等效电路频率限制因素截止频率的定义、推导和影响因素,2020/5/15,3,1.4频率特性模型概述,电路设计中为准确预测电路性能，利用电路仿真软件对电路进行仿真验证。常用的电路仿真软件如HSPICE、PSPICE、SPECTRE仿真：围绕器件建立电路的IV关系，是一数学求解的过程。电路中元器件要用模型和模型参数来替代真正的器件。模型：反映器件特性，可采用数学表达式、等效电路等形式。常用模型：等效电路模型。模型参数：描述等效电路中各元件值所用的参数。等效电路模型建立方法：首先通过器件物理分析确定器件等效电路模型的具体形式，再把元器件看成一个“黑箱”，测量其端点的电学特性，提取出描述该器件特性的模型参数。得到一等效电路模型代替相应器件。,2020/5/15,4,1.4频率特性MOSFET物理模型：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,2020/5/15,5,1.4频率特性完整的小信号等效电路,共源n沟MOSFET小信号等效电路（VBS=0）,总的栅源电容,总的栅漏电容,2020/5/15,6,1.4频率特性完整的小信号等效电路：VBS影响,共源n沟MOSFET小信号等效电路（VBSXj:很好的保持长沟特性。要求浓度高，形成良好的欧姆接触，减小RSRD。,2020/5/15,XIDIANUNIVERSITY,40,2020/5/15,XIDIANUNIVERSITY,1.6补充器件设计,材料的选择：（1）衬底材料：掺杂浓度：gm、VT、耐压与NB相关，VT与NB关系最密切。若选用离子注入调整VT技术，NB的浓度可适当减小，可减小寄生电容，增加耐压。衬底晶向：尽量采用（100）晶向表面态密度小，载流子迁移率较高。（2）栅材料：硅栅优于铝栅（面积、寄生电容），但随着绝缘层高K介质的使用，需要选择某些稀有金属（Ni，Co，Ti等）作栅。栅绝缘层材料：最成熟的SiO2，45nm工艺后采用的高K介质HfO2.,2020/5/15,41,11.7小结,MOSFET的几个简单公式：,萨氏方程：MOSFT电流电压特性的经典描述。,2020/5/15,42,11.7小结1,MOSFET是一种表面性器件，工作电流延表面横向流动，所以器件特性强烈依赖于沟道表面尺寸W、L。L越小，截止频率和跨导越大，集成度越高。FET仅多子参与导电，无少子存贮、扩散、复合效应（双极里讲过），开关速度高，适于高频高速工作MOSFET的栅源间有绝缘介质，所以为电容性高输入阻抗，可用来存储信息。（存储电路，mosfet）Sb,db处于反偏（至少0偏），同一衬底上的多MOSFET可实现自隔离效果。硅栅基本取代了铝栅，可实现自对准，减小器件尺寸，提高集成度。,2020/5/15,43,11.7小结2,MOSFET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。,2020/5/15,44,11.7小结2,MOS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。,2020/5/15,45,课前提问题（1）,11.1MOS电容场效应管通常有哪三个电极？作为放大管使用时，输入信号（或者控制信号）通常加在哪个极？输出信号（或者被控制信号）通常加在哪个极？在集成电路所采用的MOS结构中，M、O、S通常采用何种材料？什么叫半导体的表面势？有哪些原因可能引起半导体的表面势？改变MOS电容二端的电压时，半导体表面可能会处于哪几种状态？请说明平带电压和阈值电压的区别。,2020/5/15,46,11.2C-V曲线什么因素会使C-V曲线平移？什么因素会使C-V曲线的变化变缓？11.3MOSFET原理在结构上MOSFET与MOS电容有何不同？为什么MOSFET可以起到开关或放大的作用？在MOSFET中，存在有哪几种类型的电荷？n沟道MOSFET处于饱和区时，VGS和VDS应满足何种