MOSFET基础MOSFET工作原理频率学习课程

1、11.3 MOSFET原理 MOSFET分类(1)n沟道MOSFETp型衬底，n型沟道，电子导电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：2第2页/共43页第二页，编辑于星期六：八点 三十九分。11.3 MOSFET原理 MOSFET分类(3)p沟道增强型MOSFET零栅压时不存在反型沟道，VTP03第3页/共43页第三页，编辑于星期六：八点 三十九分。增强型：栅压为0时不导通N沟（正电压开启 “1”导通）P沟（负电压开启 “0”导通）耗

2、尽型：栅压为0时已经导通N沟（很负才关闭）P沟（很正才关闭）4第4页/共43页第四页，编辑于星期六：八点 三十九分。11.3.2 N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效应管工作原理场效应管工作原理1. VGS对半导体表面空间电荷区状态的影响对半导体表面空间电荷区状态的影响( (1) ) VGS = 0 漏源之间相当于两个背靠背的漏源之间相当于两个背靠背的 PN 结，无论漏源之间加何种极结，无论漏源之间加何种极性电压，性电压，总是不导电总是不导电。SBD 当当VGS 逐渐增大时，栅逐渐增大时，栅氧化层下方的半导体表面会氧化层下方的半导体表面会发生什么变化？发生什么变化？BPGSiO2SDN+N+

3、5第5页/共43页第五页，编辑于星期六：八点 三十九分。( (2) ) VGS 00逐渐增大逐渐增大 栅氧化层中的场强越来越大，栅氧化层中的场强越来越大，它们排斥它们排斥P型衬底靠近型衬底靠近 SiO2 一侧的一侧的空穴，空穴，形成由负离子组成的耗尽层。形成由负离子组成的耗尽层。增大增大 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，在相同沟道加厚，沟道电阻减少，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

4、子，型衬底的电子，会在耗尽层和会在耗尽层和 SiO2 之间形成可移动的表面电荷层之间形成可移动的表面电荷层 反型层、反型层、N 型导型导电沟道电沟道。这时，在这时，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VDS6第6页/共43页第六页，编辑于星期六：八点 三十九分。 阈值电压：使半导体表面达到强反型时所需加的栅源电压。阈值电压：使半导体表面达到强反型时所需加的栅源电压。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“感应电荷感应电荷”的多少，来改变沟道电阻，从而控

5、制漏极电流的多少，来改变沟道电阻，从而控制漏极电流 ID。 MOSFET是一种电压控制型器件。是一种电压控制型器件。 MOSFET能够工作的能够工作的关键关键是半导体是半导体 表面表面必须有必须有导电沟道导电沟道，而只有表面达到强反型时才会有沟道形成。，而只有表面达到强反型时才会有沟道形成。 7第7页/共43页第七页，编辑于星期六：八点 三十九分。2. VDS对导电沟道的影响对导电沟道的影响(VGSVT)c.VDS=VGSVT，即即VGD=VT：靠近漏极沟道达到临界开启程度，出靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。现预夹断。VDS=VDSatb.0VDSVT:导电沟道呈现一个楔形。靠近导电

6、沟道呈现一个楔形。靠近漏端的导电沟道减薄。漏端的导电沟道减薄。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=VGSVDSVGSEL 8第8页/共43页第八页，编辑于星期六：八点 三十九分。3 . N 沟道增强型沟道增强型 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( (假设假设VGS=5V) ) 输出特性曲线输出特性曲线非非饱饱和和区区饱和区饱和区击击穿穿区

7、区BVDS ID/mAVDS /VOVGS=5VVGS=4VVGS=3V预夹断轨迹预夹断轨迹VDSat 过过渡渡区区线线性性区区(d)(d)VDS:VGDVTBPN+N+VDSVGSGSDLVTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVGD(c)V(c)VDS:VGD=VTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVT( (a) )VDS很小很小VGSBPGN+N+SDVDSVGSVGDVGS ID=IDSat9第9页/共43页第九页，编辑于星期六：八点 三十九分。VT VGS /VID /mAO2 2）转移特性曲线）转移特性曲线( (假设假设VDS=5V) ) a. VGS VT 器件内存在导电沟道，

8、器件内存在导电沟道，器件处于器件处于导通导通状态，有输出状态，有输出电流。且电流。且VGS越大，沟道导越大，沟道导电能力越强，输出电流越电能力越强，输出电流越大大 转移特性曲线转移特性曲线10第10页/共43页第十页，编辑于星期六：八点 三十九分。4. N 沟道耗尽型沟道耗尽型 MOS 场效应管场效应管BPGN+N+SDSiO2+ + + + + + 1） N沟道沟道耗尽型耗尽型MOS场效应管结构场效应管结构1、 结构结构2、 符号符号SGDB11第11页/共43页第十一页，编辑于星期六：八点 三十九分。ID/mAVGS /VOVP(b)(b)转移特性转移特性IDSS(a)(a)输出输出特性特

9、性ID/mAVDS /VO+1VVGS=0- -3 V- -1 V- -2 V432151015 202）基本工作原理）基本工作原理a. 当当VGS=0时，时，VDS加正向电压，产加正向电压，产生漏极电流生漏极电流ID,此时的漏极电流称为此时的漏极电流称为漏极饱和电流漏极饱和电流，用，用IDSS表示表示b. 当VGS0时，ID进一步增加。c. 当VGS0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减小。直至ID=0。对应ID=0的VGS称为夹断电压，用符号VP表示。12第12页/共43页第十二页，编辑于星期六：八点 三十九分。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

10、型增强型耗尽型耗尽型PMOS增强型增强型耗尽型耗尽型IDSGDBSGDBIDSGDBIDSGDBIDVGSIDOVTIDVGSVPIDSSOVDSID_VGS=0+_OIDVGSVTOIDVGSVPIDSSO_ _IDVGS=VTVDS_ _o o_ _+VDSID+OVGS=VTIDVGS= 0V+ +_ _VDSo o+ +13第13页/共43页第十三页，编辑于星期六：八点 三十九分。14第14页/共43页第十四页，编辑于星期六：八点 三十九分。11.3 MOSFET原理 I-V特性:基本假设 沟道中的电流是由漂移而非扩散产生的（长沟器件） 栅氧化层中无电流 缓变沟道近似，即垂直于沟道方向

11、上 的电场变化远大于平行于沟道方向上 的电场变化 (近似认为方向为常数) 氧化层中的所有电荷均可等效为 Si-SiO2界面处的有效电荷密度 耗尽层厚度沿沟道方向上是一 个常数 沟道中的载流子迁移率与空间 坐标无关 衬底与源极之间的电压为零15第15页/共43页第十五页，编辑于星期六：八点 三十九分。电流密度电流密度:(漂移电流漂移电流密度为密度为)11.3 MOSFET原理 I-V特性:沟道电流X方向的电流强度：方向的电流强度：反型层中平行于沟道方向的电场：反型层中平行于沟道方向的电场：16第16页/共43页第十六页，编辑于星期六：八点 三十九分。11.3 MOSFET原理 I-V特性:电中性

12、条件17第17页/共43页第十七页，编辑于星期六：八点 三十九分。高斯定理相互抵消E5=E6=0，即使有也相互抵消E30表面所在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dxW24315618第18页/共43页第十八页，编辑于星期六：八点 三十九分。fpe211.3 MOSFET原理 I-V特性:氧化层电势19第19页/共43页第十九页，编辑于星期六：八点 三十九分。11.3 MOSFET原理 I-V特性:反型层电荷与电场msfpoxxGSVVV+-2氧化层电势氧化层电势半导体表面空间电荷区半导体表面空

13、间电荷区的单位面积电荷的单位面积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）20第20页/共43页第二十页，编辑于星期六：八点 三十九分。11.3 MOSFET原理 I-V特性:线性区与饱和区21第21页/共43页第二十一页，编辑于星期六：八点 三十九分。11.3 MOSFET原理 和VT的测试提取方法高场下迁移率随电场上升而下降存在亚阈值电流n沟耗尽型n沟增强型22第22页/共43页第二十二页，编辑于星期六：八点 三十九分。11.3 MOSFET原理 p沟增强型MOSFET的

14、I-V特性注：Vds=-Vsd Vgs=-Vsg,等23第23页/共43页第二十三页，编辑于星期六：八点 三十九分。11.3 MOSFET原理 跨导(晶体管增益):模型跨导用来表征MOSFET的放大能力：令材料参数设计参数工艺参数影响跨导的因素：24第24页/共43页第二十四页，编辑于星期六：八点 三十九分。小节内容 电流电压关系推导 跨导 器件结构 迁移率 阈值电压 W L (p350第二段有误：L增加，跨导降低) tox)0()(22)(2satDSDSTGSDSDSTGSoxnDVVVVVVVVLCWI-，当25第25页/共43页第二十五页，编辑于星期六：八点 三十九分。思考题：思考题：

15、 试分析试分析VGS,VDS对增强型对增强型PMOS及耗及耗尽型尽型PMOS导电沟道及输出电流的导电沟道及输出电流的影响，并推导其电流电压方程。影响，并推导其电流电压方程。26第26页/共43页第二十六页，编辑于星期六：八点 三十九分。11.3 MOSFET原理 衬底偏置效应(1)0必须反偏或零偏Vsb=Vs-Vb0,即Vb更负（这样才反偏）在沟道源端感应出来的电子全跑掉了27第27页/共43页第二十七页，编辑于星期六：八点 三十九分。11.3 MOSFET原理 衬底偏置效应(2)能带图衬底偏压表面准费米能级反型条件耗尽层电荷不同衬偏电压条件下的能带图：不同衬偏电压条件下的能带图：0SBV0S

16、BV28第28页/共43页第二十八页，编辑于星期六：八点 三十九分。11.3 MOSFET原理 衬底偏置效应(3)现象 反型层电子势能比源端电子势能高电子更容易从反型层流到源区达到反型所需的电子浓度需更高的栅压； 反型层-衬底之间的电势差更大表面耗尽层更宽、电荷更多同样栅压下反型层电荷更少； 表面费米能级更低要达到强反型条件需要更大的表面势；29第29页/共43页第二十九页，编辑于星期六：八点 三十九分。11.3 MOSFET原理 衬底偏置效应(4)阈值电压负的耗尽层电荷更多需更大的正栅压才能反型，且VSB越大，VT越大体效应系数30第30页/共43页第三十页，编辑于星期六：八点 三十九分。小

17、节内容 衬底偏置效应 P阱更负，n管阈值上升 N衬底更正，p管阈值更负 此种类型偏置经常做模拟用途。例11.10：T=300K，Na=31016cm-3，tox=500埃，VSB=1VVT=0.66V31第31页/共43页第三十一页，编辑于星期六：八点 三十九分。11.4 频率限制特性 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32第32页/共43页第三十二页，编辑于星期六：八点 三十九分。11.4 频率限制特性 完整的小信号等效电路共源共源n沟沟MOSFET小信号等效电路小信号等效电路总的栅源电容总的栅漏电容与ID-V

18、DS曲线的斜率有关33第33页/共43页第三十三页，编辑于星期六：八点 三十九分。11.4 频率限制特性 简化的小信号等效电路低频条件下只计入低频条件下只计入rs只计入本征参数只计入本征参数低频条件下只计入低频条件下只计入rds34第34页/共43页第三十四页，编辑于星期六：八点 三十九分。11.4 频率限制特性 MOSFET频率限制因素限制因素限制因素2：对栅电极或电：对栅电极或电容充电需要时间容充电需要时间限制因素限制因素1：沟道载流子从源到漏：沟道载流子从源到漏运动需要时间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Si MOSFET，饱和漂移速度35第35页/共43页第三十五页，

19、编辑于星期六：八点 三十九分。11.4 频率限制特性 电流-频率关系负载电阻输入电流输出电流对栅电容充电需要时间消去电压变量VD36第36页/共43页第三十六页，编辑于星期六：八点 三十九分。11.4 频率限制特性 密勒电容等效)1 (LmTgdMRgCC+密勒电容只计入本征参数只计入本征参数器件饱和时，器件饱和时，Cgd=0，寄，寄生电容成为影响输入阻生电容成为影响输入阻抗的重要因素。抗的重要因素。37第37页/共43页第三十七页，编辑于星期六：八点 三十九分。11.4 频率限制特 截止频率推导截止频率：电流增益为截止频率：电流增益为1时的频率。时的频率。提高频率特性：提高迁移率（100方向

20、，工艺优质）；缩短L；减小寄生电容；增大跨导；38第38页/共43页第三十八页，编辑于星期六：八点 三十九分。11.5 CMOS技术 什么是CMOS？n沟沟MOSFETp沟沟MOSFET CMOS（Complentary MOS，互补CMOS）使n沟MOSFET与p沟MOSFET取长补短 实现低功耗、全电平摆幅数字逻辑电路的首选工艺场氧（用作管间、互连-衬底间隔离）栅氧（用作MOS电容的介质）通常接电路最低电位通常接电路最高电位39第39页/共43页第三十九页，编辑于星期六：八点 三十九分。11.6 小结 1 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