MOSFET基础MOSFET工作原理频率学习教案

1、会计学1MOSFET基础基础(jch)MOSFET工作原理频工作原理频率率第一页，共44页。11.3 MOSFET原理(yunl) MOSFET分类(1)n沟道(u do)MOSFETp型衬底，n型沟道，电子导电(dodin)VDS0，使电子从源流到漏p沟道MOSFETn型衬底，p型沟道，空穴导电VDS0n沟道耗尽型MOSFET零栅压时已存在反型沟道，VTN0按照零栅压时有无导电沟道可分为：按照零栅压时有无导电沟道可分为：3第2页/共43页第三页，共44页。11.3 MOSFET原理(yunl) MOSFET分类(3)p沟道(u do)增强型MOSFET零栅压时不存在(cnzi)反型沟道，VT

2、P04第3页/共43页第四页，共44页。增强型：栅压为增强型：栅压为0时不导通时不导通N沟（正电压沟（正电压(diny)开启开启 “1”导通）导通）P沟（负电压沟（负电压(diny)开启开启 “0”导通）导通）5第4页/共43页第五页，共44页。11.3.2 N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效应管工作场效应管工作(gngzu)原理原理1. VGS对半导体表面空间电荷区状态对半导体表面空间电荷区状态(zhungti)的影响的影响( (1) ) VGS = 0 漏源之间相当于两个背靠背漏源之间相当于两个背靠背的的 PN 结，无论漏源之间加何种结，无论漏源之间加何种极性电压，总是极性电压，总是(

3、zn sh)不导电。不导电。SBD 当当VGS 逐渐增大时，栅氧逐渐增大时，栅氧化层下方的半导体表面会发生化层下方的半导体表面会发生什么变化？什么变化？BPGSiO2SDN+N+6第5页/共43页第六页，共44页。(2) VGS 0(2) VGS 0逐渐逐渐(zhjin)(zhjin)增增大大 栅氧化层中的场强越来越大，它栅氧化层中的场强越来越大，它们排斥们排斥P型衬底靠近型衬底靠近 SiO2 一侧的空穴，一侧的空穴，形成形成(xngchng)由负离子组成的耗尽由负离子组成的耗尽层。增大层。增大 VGS 耗尽层变宽。耗尽层变宽。 当当VGS继续升高时继续升高时, 沟道加厚，沟道电阻减少沟道加厚

4、，沟道电阻减少(jinsho)，在相同，在相同VDS的作用下，的作用下，ID将进一步增加。将进一步增加。BPGSiO2SDN+N+ +-+-+VGS- - - - - -反型层反型层iD由于吸引了足够多由于吸引了足够多P型衬底的电子，型衬底的电子，会在耗尽层和会在耗尽层和 SiO2 之之间形成可移动的表面电荷层间形成可移动的表面电荷层 反型层、反型层、N 型导电沟道型导电沟道。这这时，在时，在VDS的作用下就会形成的作用下就会形成ID。( (3) ) VGS 继续增大继续增大 弱反型弱反型 强反型强反型VDS7第6页/共43页第七页，共44页。 阈值电压阈值电压(diny)：使半导体表面达到强

5、反型时所需加的栅：使半导体表面达到强反型时所需加的栅源电压源电压(diny)。用。用VT表示。表示。阈值电压阈值电压MOS场效应管利用场效应管利用VGS来控制半导体表面来控制半导体表面“感应感应(gnyng)电荷电荷”的多少，来改变沟道电阻，从而控制漏的多少，来改变沟道电阻，从而控制漏极电流极电流 ID。 MOSFET是一种电压控制型器件。是一种电压控制型器件。 MOSFET能够工作的关键是半导体能够工作的关键是半导体 表面必须有导表面必须有导电沟道，而只有表面达到强反型时才会有沟道形成。电沟道，而只有表面达到强反型时才会有沟道形成。 8第7页/共43页第八页，共44页。2. VDS对导电沟道

6、对导电沟道(u do)的影响的影响(VGSVT)c.VDS=VGSVT，即，即VGD=VT：靠近漏极沟道达到靠近漏极沟道达到(d do)临界开启临界开启程度，出现预夹断。程度，出现预夹断。VDS=VDSatb.0VDSVT:导电沟道呈现导电沟道呈现(chngxin)一一个楔形。靠近漏端的导电沟个楔形。靠近漏端的导电沟道减薄。道减薄。a. VDS 0，但值较小时：，但值较小时：VDS对沟道影响可忽略，沟道对沟道影响可忽略，沟道厚度均匀厚度均匀VDSVGSBPGN+N+SDd.VDSVGSVT，即即VGDVT：夹断区发生扩展，夹断点向源端移动夹断区发生扩展，夹断点向源端移动VGD=VGSVDSVG

7、SEL 9第8页/共43页第九页，共44页。3 . N 沟道沟道(u do)增强型增强型 MOS 场效应管的特性曲线场效应管的特性曲线1 1）输出特性曲线）输出特性曲线(qxin)(qxin)(假设假设VGS=5V)VGS=5V) 输 出 特 性 曲 线输 出 特 性 曲 线(qxin)(qxin)非饱和区非饱和区饱和区饱和区击穿区击穿区BVDS ID/mAVDS /VOVGS=5VVGS=4VVGS=3V预夹断轨迹预夹断轨迹VDSat 过渡区过渡区线性区线性区(d)(d)VDS:VGDVTBPN+N+VDSVGSGSDLVTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVGD(c)V(c)VDS:VG

8、D=VTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVT( (a) )VDS很小很小VGSBPGN+N+SDVDSVGSVGDVGS ID=IDSat10第9页/共43页第十页，共44页。VT VGS /VID /mAO2 2）转移特性曲线）转移特性曲线(qxin)(qxin)(假设假设VDS=5V)VDS=5V) a. VGS VT 器件内存在导电沟器件内存在导电沟道，器件处于导通状态道，器件处于导通状态(zhungti)，有输出电，有输出电流。且流。且VGS越大，沟道越大，沟道导电能力越强，输出电导电能力越强，输出电流越大流越大 转移特性曲线转移特性曲线11第10页/共43页第十一页，共44页。4

9、. N 沟道沟道(u do)耗尽型耗尽型 MOS 场效应管场效应管BPGN+N+SDSiO2+ + + + + + 1） N沟道沟道(u do)耗尽型耗尽型MOS场效应管结构场效应管结构1、 结构结构(jigu)2、 符号符号SGDB12第11页/共43页第十二页，共44页。ID/mAVGS /VOVP(b)(b)转移特性转移特性IDSS(a)(a)输出输出特性特性ID/mAVDS /VO+1VVGS=0- -3 V- -1 V- -2 V432151015202）基本）基本(jbn)工作原理工作原理a. 当当VGS=0时，时，VDS加正向电压，产生加正向电压，产生漏极电流漏极电流(dinli

10、)ID,此时的漏极电流此时的漏极电流(dinli)称为漏极饱和电流称为漏极饱和电流(dinli)，用，用IDSS表示表示b. 当当VGS0时，时，ID进一步增加进一步增加(zngji)。c. 当当VGS0时，随着时，随着VGS的减小的减小漏极电流逐渐漏极电流逐渐减小减小。直至。直至ID=0。对应对应ID=0的的VGS称为夹断电压，用称为夹断电压，用符号符号VP表示。表示。13第12页/共43页第十三页，共44页。种种 类类符号符号转移特性曲线转移特性曲线输出特性曲线输出特性曲线 NMOS增强型增强型耗尽型耗尽型PMOS增强型增强型耗尽型耗尽型IDSGDBSGDBIDSGDBIDSGDBIDVG

11、SIDOVTIDVGSVPIDSSOVDSID_VGS=0+_OIDVGSVTOIDVGSVPIDSSO_ _IDVGS=VTVDS_ _o o_ _+VDSID+OVGS=VTIDVGS= 0V+ +_ _VDSo o+ +14第13页/共43页第十四页，共44页。15第14页/共43页第十五页，共44页。11.3 MOSFET原理 I-V特性(txng):基本假设16第15页/共43页第十六页，共44页。电流密度电流密度:(漂移漂移(pio y)电流密电流密度为度为)11.3 MOSFET原理 I-V特性:沟道(u do)电流X方向方向(fngxing)的电流强度：的电流强度：反型层中平行

12、于沟道方向的电场：反型层中平行于沟道方向的电场：17第16页/共43页第十七页，共44页。11.3 MOSFET原理 I-V特性(txng):电中性条件18第17页/共43页第十八页，共44页。高斯定理相互(xingh)抵消E5=E6=0，即使有也相互(xingh)抵消E30表面所在(suzi)材料的介电常数某闭合表面沿闭合表面向外法线方向的电场强度该闭合表面所包围区域的总电荷量11.3 MOSFET原理 I-V特性:表面电荷dxW24315619第18页/共43页第十九页，共44页。fpe211.3 MOSFET原理 I-V特性(txng):氧化层电势20第19页/共43页第二十页，共44页

13、。11.3 MOSFET原理 I-V特性(txng):反型层电荷与电场msfpoxxGSVVV+-2氧化氧化(ynghu)层电势层电势半导体表面半导体表面(biomin)空间电荷区的单位面积空间电荷区的单位面积电荷电荷氧化层中垂直于沟氧化层中垂直于沟道方向的电场道方向的电场由上三式可得反由上三式可得反型层单位面积的型层单位面积的电荷电荷不应是x或Vx的函数（电流连续性定律）21第20页/共43页第二十一页，共44页。11.3 MOSFET原理 I-V特性(txng):线性区与饱和区22第21页/共43页第二十二页，共44页。11.3 MOSFET原理(yunl) 和VT的测试提取方法高场下迁移

14、率随电场上升(shngshng)而下降存在(cnzi)亚阈值电流n沟耗尽型n沟增强型23第22页/共43页第二十三页，共44页。11.3 MOSFET原理(yunl) p沟增强型MOSFET的I-V特性注：注：Vds=-Vsd Vgs=-Vsg,等等24第23页/共43页第二十四页，共44页。11.3 MOSFET原理(yunl) 跨导(晶体管增益):模型跨导用来表征MOSFET的放大(fngd)能力：令材料材料(cilio)参数参数设计参数设计参数工艺参数工艺参数影响跨导的因素：25第24页/共43页第二十五页，共44页。)0()(22)(2satDSDSTGSDSDSTGSoxnDVVVV

15、VVVVLCWI-，当26第25页/共43页第二十六页，共44页。思考题：思考题： 试分析试分析VGS,VDS对增强型对增强型PMOS及耗尽型及耗尽型PMOS导导电沟道电沟道(u do)及输出电流的影响，并推导其电流电及输出电流的影响，并推导其电流电压方程。压方程。27第26页/共43页第二十七页，共44页。11.3 MOSFET原理(yunl) 衬底偏置效应(1)0必须(bx)反偏或零偏Vsb=Vs-Vb0,即Vb更负（这样(zhyng)才反偏）在沟道源端感应出来在沟道源端感应出来的电子全跑掉了的电子全跑掉了28第27页/共43页第二十八页，共44页。11.3 MOSFET原理(yunl)

16、衬底偏置效应(2)能带图衬底偏压(pin y)表面准费米能级反型条件耗尽层电荷不同不同(b tn)衬偏电压条件下衬偏电压条件下的能带图：的能带图：0SBV0SBV29第28页/共43页第二十九页，共44页。11.3 MOSFET原理(yunl) 衬底偏置效应(3)现象30第29页/共43页第三十页，共44页。11.3 MOSFET原理(yunl) 衬底偏置效应(4)阈值电压负的耗尽层电荷(dinh)更多需更大的正栅压才能(cinng)反型，且VSB越大，VT越大体效应系数31第30页/共43页第三十一页，共44页。32第31页/共43页第三十二页，共44页。11.4 频率限制特性 交流小信号(

17、xnho)参数源极串联(chunlin)电阻栅源交叠(jio di)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33第32页/共43页第三十三页，共44页。11.4 频率限制(xinzh)特性 完整的小信号等效电路共源共源n沟沟MOSFET小信号小信号(xnho)等效电路等效电路总的栅源电容(dinrng)总的栅漏电容与ID-VDS曲线的斜率有关34第33页/共43页第三十四页，共44页。11.4 频率限制特性 简化(jinhu)的小信号等效电路低频条件低频条件(tiojin)下只计入下只计入rs只计入只计入(j r)本征参数本征参数低频条件下只计入低频条

18、件下只计入rds35第34页/共43页第三十五页，共44页。11.4 频率限制特性(txng) MOSFET频率限制因素限制因素限制因素2：对栅电极或电容：对栅电极或电容充电需要充电需要(xyo)时间时间限制因素限制因素1：沟道：沟道(u do)载载流子从源到漏运动需要时间流子从源到漏运动需要时间沟道渡越时间通常不是主要频率限制因素对对Si MOSFET，饱和，饱和漂移速度漂移速度36第35页/共43页第三十六页，共44页。11.4 频率(pnl)限制特性 电流-频率(pnl)关系负载电阻输入(shr)电流输出(shch)电流对栅电容充电需要时间对栅电容充电需要时间消去电压变量VD37第36页/共43页第三十七页，共44页。11.4 频率(pnl)限制特性 密勒电容等效)1 (LmTgdMRgCC+密勒电容只计入只计入(j r)本征参数本征参数器件饱和时，器件饱和时，Cgd=0，寄生电容成为寄生电容成为(chngwi)影响输入阻抗的重要因素。影响输入阻抗的重要因素。38第37页/共43页第三十八页，共44页。11.4 频率(pnl)限制特 截止频率(pnl)推导截止频率：电流截止频率：电流(dinli)增益为增益为1时的频率。时的频率。提高频率特性：提高迁移率（100方