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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

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