第五章 MOS场效应管的特性

1、MOS场效应管的特性场效应管的特性上次课：第上次课：第4章章 集成电路器件工集成电路器件工艺艺1.引言 2.双极型集成电路的基本制造工艺 3.MESFET工艺与HEMT工艺4.CMOS集成电路的基本制造工艺 5.BiCMOS集成电路的基本制造工艺第五章第五章 MOS场效应管的特性场效应管的特性1. MOSFET的结构和工作原理2. MOSFET的寄生电容3. MOSFET的其它特性n3.1 噪声n3.2 温度n3.3 体效应4. MOSFET尺寸按比例缩小5. MOSFET的二阶效应 5.1 MOSFET的结构和工作原理n集成电路中，有源元件有BJT、HBT、PMOS、NMOS、MESFET和

2、HEMTn鉴于当前大多数集成电路采用CMOS工艺制造，掌握NMOS和PMOS两种元件特性对设计集成电路具有重要意义MOS管结构MOS管符号和标志DSGDSGGSDDSGNMOSEnhancementNMOSPMOSDepletionEnhancementBNMOS withBulk ContactMOS管工作状态n+n+p-substrateDSGBVGS+-DepletionRegionn-channelMOS管特性推导栅极电压所感应的电荷Q为geQCV 这些电荷在源漏电压VDS作用下，在t时间内通过长度为L的沟道，即通过MOS管源漏间的电流为2dsdsLLLvEVMOS管特性推导 当Vgs

3、VTVds时，近漏端的栅极有效控制电压Vge VgsVTVds0，感应电荷为0，沟道夹断，电流不会增加，此时Ids为饱和电流。2221()21()2geoxDSgedsoxdsoxgsTdsdsoxoxgsTdsdsoxCVWLQIV VLtLVWVVVVtLWVV VVtLMOS管饱和时n+n+SGVGSDVDS VGS - VTVGS - VT+-MOS管的IV特性曲线00.511.522.50123456x 10-4VDS (V)ID (A)VGS= 2.5 VVGS= 2.0 VVGS= 1.5 VVGS= 1.0 VResistiveSaturationVDS = VGS - VT阈

4、值电压VTn阈值电压是MOS器件的一个重要参数n阈值电压VT是将栅极下面的Si表面反型所必要的电压，这个电压与衬底浓度有关n按MOS沟道随栅压变化形成或消失的机理，存在两种类型的MOS器件n耗尽型：沟道在VGS0时已经存在，VT0n增加型：沟道在VGS0时截止，当VGS“正”到一定程度时才导通。 VT0阈值电压VT表达式经过深入研究，影响VT的因素主要有四个：n材料的功函数之差nSiO2层中可移动的正离子的影响n氧化层中固定电荷的影响n界面势阱的影响2()bpdmsmmitsFToxoxoxoxQQQ UQVqCqCCC阈值电压VT 在工艺确定之后，阈值电压VT主要决定于衬底的掺杂浓度：nP型

5、衬底制造NMOS，杂质浓度越大，需要赶走更多的空穴，才能形成反型层， VT值增大，因而需要精确控制掺杂浓度n如果栅氧化层厚度越薄，Cox越大，电荷的影响就会降低。故现在的工艺尺寸和栅氧化层厚度越来越小5.2 MOSFET的电容nMOS电容结构复杂，最上面是栅极电极，中间是SiO2和P型衬底，最下面是衬底电极（欧姆接触）nMOS电容大小与外加电压有关nVgs0nVgs增加达到VT值nVgs继续增大Vgs0oxoxoxoxoxAWLCtt111()oxSioxoxoxoxoxCCCAWLCttVgs增加达到VT值111()oxSiCCC达到最小值Vgs继续增加oxCC MOS管电容变化曲线MOS电

6、容计算VGSVTnMOS电容是变化的nMOS电容对Cg和Cd都有贡献，贡献大小取决于MOS管的工作状态n非饱和状态 CgCgs2C/3 CdCdbC/3n饱和状态 CgCgs2C/3 CdCdb5.3 MOSFET的其它特性n体效应n温度特性n噪声体效应n很多情况下，源极和衬底都接地n实际上，许多场合源极和衬底并不连接在一起n源极不接地会影响 VT值，这称为体效应体效应体效应某一CMOS工艺条件下阈值电压随源极-衬底电压变化曲线温度nMOS的温度特性来源于沟道中载流子的迁移率和阈值电压VT随温度的变化n载流子的迁移率随温度的变化的基本特征：T上升 下降n阈值电压VT的绝对值随温度变化的基本特征

7、： T升高 VT减小 VT变化与衬底杂质浓度和氧化层厚度有关噪声n噪声来源于两个部分：n热噪声n闪烁噪声热噪声n热噪声由沟道内载流子的无规则热运动造成n其等效电压值表示为n由于gm与MOS的栅宽和电流成正比关系，因而增加MOS的栅宽和电流可以减小器件的热噪声223egmVTfg闪烁噪声n闪烁噪声由沟道处二氧化硅与硅界面上电子的充放电引起的n其等效电压值表示为n增加栅长和宽，可以降低闪烁噪声221/1oxfK tVfWL f两点说明n有源器件的噪声特性对于小信号放大器、振荡器等模拟电路至关重要n所有的FET的1/f噪声都高出相应的BJT的1/f噪声约10倍。5.4 MOSFET尺寸按比例缩小n为

8、了提高器件集成度和性能，MOS管的尺寸迅速减小n为了在缩小器件尺寸的同时，同时保持大尺寸器件的电流-电压特性不变，Dennard等人提出了等比例缩小规律n等比例缩小规律即器件水平和垂直方向的参数以及电压按同一比例因子K等比例缩小，同时掺杂浓度按比例因子增大K倍，这就是经典的恒电场等比例缩小规律n等比例缩小方案：n恒电场n恒电压n准恒电压恒电压缩减方案参数参数变化因子变化因子备注备注电压电压1/电路密度电路密度2 2LL和和W器件电流器件电流1/功率功率1/2 2I Idsds和和Vds电容电容1/沟道延迟沟道延迟1/连线电阻连线电阻连线电容连线电容1/连线响应时间连线响应时间1RR且且CC优值

9、优值2 21/L2MOSFET特征尺寸按缩减的优点n电路密度增加到2 2n功耗降低为1/2 2n器件时延降低倍器件速度提高倍n线路上的延迟不变n优值增加2 2倍未来的MOSFET25 nm FINFET MOS transistor5.5 MOSFET的二阶效应n随着MOS的尺寸缩小，出于精度要求必须考虑二阶效应n二阶效应主要有nL和W的变化n迁移率的退化n沟道长度的调制n短沟道效应引起的阈值电压的变化n狭沟道效应引起的阈值电压的变化L的变化L的变化n栅极长度L不等于原先版图上所绘制的LdrawnLfinal=Ldraw-2LpolynL=Ldraw-2Lpoly-2Ldiffn由于重叠效应，

10、Cgs和Cgd也增加W的变化W的变化n栅极宽度W不等于原先版图上所绘制的WdrawnW=Wdraw-2W， W是“鸟嘴”侵入部分厚度n当器件尺寸还不是很小时，这个W影响还小，但是器件缩小时，这个W就影响很大迁移率的退化nMOS管的电流与迁移率成正比，一般假定为常数n实际上， 并不是常数，它至少受到三个因素的影响n温度n垂直电场n水平电场特征迁移率0电场强度n电场强度增加时，迁移率是减小的n电场有水平分量和垂直分量，因而迁移率随Ev、Eh而退化电场强度n水平电场对迁移率的影响要比垂直电场要大得多。水平电场将加速载流子运动，当载流子速度加速到一定值，水平速度饱和n一般N型硅的迁移率远大于P型硅的迁移率，但两种载流子的饱和速度是相同的n电场不强时，N沟道的值比P沟道的要大，约为2.5倍；当电场增强时，N管和P管达到同一饱和速度，得到同一值，与掺杂无关沟道长度的调制n简化的MOS原理内，饱和后电流不再增加n实际上，饱和区中电流Ids随Vds增加而缓慢增加n这是由于沟道两端的耗尽区的宽度增加，导致沟道距离减小，水平电场增加，电流增加沟道长度调制2()SidsDsatLLLVVqN 沟道长度调制短沟道效应引起的阈