半导体器件物理(第五章 MOS场效应晶体管)

1、http:/微电子技术专业微电子技术专业第5章 MOS型场效应晶体管本章要点本章要点l MOS型晶体管的结构与分类型晶体管的结构与分类l MOS型晶体管的阈值电压型晶体管的阈值电压l MOS型晶体管的伏安特性与直流参数型晶体管的伏安特性与直流参数l MOS型晶体管的频率特性、交流小信号参数型晶体管的频率特性、交流小信号参数l 小尺寸小尺寸MOS型晶体管的版图特点型晶体管的版图特点l 小尺寸小尺寸MOS型晶体管的几个效应型晶体管的几个效应MOS晶体管全称是晶体管全称是MOS场效应晶体管，简称场效应晶体管，简称MOS管。管。MOSFETMetal Oxide Semiconductor Field

2、 Effect Transistor英文称呼为：英文称呼为：它是几种类型场效应晶体管中的一种，另有两种分别它是几种类型场效应晶体管中的一种，另有两种分别是结型场效应管与肖特基势垒型场效应管，但是它们没有是结型场效应管与肖特基势垒型场效应管，但是它们没有MOS晶体管用得更为普遍。顾名思义，这种晶体管依靠半晶体管用得更为普遍。顾名思义，这种晶体管依靠半导体表面的电场效应来进行工作，这是它名字的由来。导体表面的电场效应来进行工作，这是它名字的由来。主要特点：主要特点： 这种晶体管结构简单，几何尺寸可以做得很小，输入这种晶体管结构简单，几何尺寸可以做得很小，输入阻抗高，功耗低，性能稳定，易于大规模集成

3、。阻抗高，功耗低，性能稳定，易于大规模集成。第5章 MOS型场效应晶体管nnPSiFoxSDGFox栅栅SiO2栅栅 SiO2FoxFoxAl 或或 多晶硅多晶硅PSinn5.1 MOS型晶体管的结构与分类5.1.1 MOS型晶体管的结构与工作原理型晶体管的结构与工作原理(a) nMOS型晶体管基本结构型晶体管基本结构(b) nMOS型晶体管三维透视图型晶体管三维透视图S：Source（源极或源区）（源极或源区）D：Drain（漏极或漏区）（漏极或漏区）G：Gate（栅极）（栅极）Fox：Field oxide（场氧化层）（场氧化层）SDGnnPSiBGSVDSVDSI电子沟道电子沟道5.1

4、MOS型晶体管的结构与分类DSGBGSVDSVDSI(c)(d) 如图(c)所示，对于一支nMOS晶体管，在栅极施加正栅压VGS，且当其值VGSVT时，我们看到便形成了电子沟道，这时施加一定的漏源电压VDS，便可形成漏极电流IDS。图(d)显示了nMOS管正常工作时的电路连接图。5.1 MOS型晶体管的结构与分类GSVDSI0TV O(e) nMOS管转移特性曲线管转移特性曲线（增强型）（增强型）GSVDSI0TV O(f) nMOS管转移特性曲线管转移特性曲线（耗尽型）（耗尽型）特点：特点： 1）VGS VT（阈值电压）；（阈值电压）； 2）VT 0（增强型）（增强型）; 3）MOS 管输入

5、电阻管输入电阻 Ri 。特点：特点： 1）VT VT时，便形成空穴沟道，这时在D端施加一漏极电压，注意应有VDS0，即负的漏极电压，就会形成漏极电流IDS，注意电流实际方向为S到D。5.1 MOS型晶体管的结构与分类GSVDSIO0TV pMOS管管(增强型增强型)(i) pMOS管转移特性曲线管转移特性曲线（增强型）（增强型）pMOS管管(耗尽型耗尽型)0TV GSVODSI(j) pMOS管转移特性曲线管转移特性曲线（耗尽型）（耗尽型）特点：特点： 1）VGS VT（阈值电压）；（阈值电压）； 2）VT 0（耗尽型）（耗尽型） ;GDSBnMOS 增强型增强型( )aGDSBnMOS 耗尽

6、型耗尽型( )bGDSBpMOS 增强型增强型( ) cGDSBpMOS 耗尽型耗尽型( )dGDSnMOS 增强型增强型GDSpMOS 增强型增强型5.1 MOS型晶体管的结构与分类5.1.2 MOS型晶体管的分类型晶体管的分类1. MOS1. MOS晶体管的电路符号（共四种）晶体管的电路符号（共四种）2. MOS2. MOS晶体管的简化符号晶体管的简化符号5.1 MOS型晶体管的结构与分类5.1.3 MOS型晶体管的基本特征型晶体管的基本特征特特 性性MOSMOS型晶体管型晶体管双极型晶体管双极型晶体管导电载流子导电载流子单极性单极性电子或空穴电子或空穴双极性双极性电子与空穴电子与空穴输入

7、阻抗输入阻抗R Ri i高高1091015低低103106噪声系数噪声系数N NF F低低适合低噪声放大适合低噪声放大较高较高普通放大普通放大功耗功耗P P低低适合高集成适合高集成较高较高难于高集成难于高集成温度稳定性温度稳定性好好电学参数稳定电学参数稳定较差较差容易随温度变化容易随温度变化导通电阻导通电阻R Ronon较大较大无电导调制无电导调制小小有电导调制有电导调制线性放大线性放大较差较差失真较大失真较大好好适合信号放大适合信号放大开关速度开关速度快快适于适于VLSI较快较快仅适于仅适于SSI、MSI驱动方式驱动方式驱动功率低驱动功率低电压控制电压控制驱动功率高驱动功率高电流控制电流控制

8、抗辐射能力抗辐射能力强强参数变化小参数变化小较差较差hFE、下降下降工艺要求工艺要求高高洁净度要求高洁净度要求高一般一般一般洁净度一般洁净度PSiSGBDDSInnnnPPPPNNSGD漏极电子流方向漏极电子流方向DSI5.1 MOS型晶体管的结构与分类5.1.4 集成集成MOS型晶体管与分立型晶体管与分立MOS型晶体管的异同型晶体管的异同a) 集成集成MOS型晶体管的剖面结构型晶体管的剖面结构b) 一种一种DMOS型晶体管的剖面结构型晶体管的剖面结构PSinnSGDB耗尽层耗尽层电子沟道电子沟道GSVDSI5.2 MOS型晶体管的阈值电压5.2.1 MOS型晶体管阈值电压的定义型晶体管阈值电

9、压的定义定义：定义： 当当MOS晶体管位于近源端晶体管位于近源端处的沟道区出现强反型层时，处的沟道区出现强反型层时，施加于栅源两电极之间的电压施加于栅源两电极之间的电压称为称为MOS晶体管的阈值电压，晶体管的阈值电压，用用VT表示。表示。1/2(4)2SAFPTFPOXqNVC5.2.2 理想情况下理想情况下MOS管阈值电压的表达式管阈值电压的表达式（所谓理想情况，其情形完全类似于理想（所谓理想情况，其情形完全类似于理想MOSMOS结构）结构）以以 nMOS 晶体管为例，有晶体管为例，有lnAFPiNkTqn其中：其中：5.2 MOS型晶体管的阈值电压5.2.3 影响影响MOS型晶体管阈值电压

10、的各种因素型晶体管阈值电压的各种因素1. 金金-半功函数差半功函数差msms和栅氧化层有效表面态电荷和栅氧化层有效表面态电荷Q QSSSS的影响的影响考虑上述修正后，考虑上述修正后，VT 的表达式为：的表达式为：2SSSCTmsFOXOXQQVCC1/2(4)SCSDFNQqN1/2(4)SCSAFPQqN 其中其中nMOS晶体管；晶体管；pMOS晶体管；晶体管；而而FP、 FN的表达式同前。的表达式同前。5.2 MOS型晶体管的阈值电压1TT1S2SBBPSinnSGDB耗尽层耗尽层电子沟道电子沟道GSV0SBVDSI2. 衬底偏置效应（体效应）衬底偏置效应（体效应）(a) 显示显示VSB2

11、 0V的情形的情形(b) 显示衬底偏置效应显示衬底偏置效应 当MOS晶体管的源极与衬底之间存在反向偏压，如图(a)所示（nMOS管)，VSB20，会导致MOS晶体管的阈值电压绝对值增加，这就是所谓的衬底偏置效应，也称体效应，如图(b)所示。5.2 MOS型晶体管的阈值电压考虑体效应后，考虑体效应后，MOS晶体管的阈值电压晶体管的阈值电压 VT 修正为：修正为：1/22(2)2SSSAFPSBTmsFPOXOXQqNVVCC1/22(2)2SDFNSBSSTmsFNOXOXqNVQVCC1/21/22(2)(2)SATTTFPSBFPOXqNVVVVC1/21/22(2 )(2 )SDTTTFN

12、SBFNOXqNVVVVC nMOS晶体管；晶体管；pMOS晶体管；晶体管；nMOS晶体管；晶体管；pMOS晶体管；晶体管；而阈值电压增量而阈值电压增量VT 为：为：LLjxPSinnSDL0()mTV( )V1234565.2 MOS型晶体管的阈值电压3. 短沟道效应对短沟道效应对VT的影响的影响(c) 短沟道效应使短沟道效应使VT下降示意图下降示意图(d) VT与沟道长度与沟道长度L的关系的关系实验表明，当实验表明，当MOS晶体管的沟道长度晶体管的沟道长度L0当当 VDS=0V时，这时没有漏时，这时没有漏极电流，即极电流，即IDS=0。从漏区至。从漏区至源区，反型沟道厚薄一致，见源区，反型

13、沟道厚薄一致，见图图(a) 所示。所示。当当 VDS= 1.0V时，已经存在沟道时，已经存在沟道电流电流IDS，这时整个沟道区表面的，这时整个沟道区表面的电势是不相等的，见图电势是不相等的，见图(c)所示，所示，设该电势为设该电势为V(y)，如图，如图(d)所示，所示，而反型层的分布如图而反型层的分布如图(b)所示。所示。( )V yynn0SGDGSV( )GSVV yDSIy( )V y0yL()DSL V ，( )V y5.3 MOS型晶体管的输出伏安特性与直流参数(c) 沟道区表面电势沟道区表面电势V(y)示意图示意图(d) V(y) 近似变化趋势近似变化趋势 在图(c)中，令沟道近源

14、端为坐标原点O，沟道区表面沿漏方向为y轴正方向，设y处的表面电势为V(y)，则栅氧化层两端有效电压为VGS-V(y)，如图(c)。nnPSiSDG6GSVV4DSVV沟道夹断沟道夹断nnPSiSDG6GSVV夹断点夹断点漏极耗尽区漏极耗尽区5DSVV5.3 MOS型晶体管的输出伏安特性与直流参数(e) VDS=VGS-VT=4.0 V (f) VDSVGS-VT = 4.0V当满足当满足VDS=VGS-VT=4.0V，则，则近漏端处有效栅压近漏端处有效栅压VG D=VG S-V(y)=VGS-VDS=2.0V，反型沟道处，反型沟道处于刚形成状态（临界状态），称于刚形成状态（临界状态），称为沟道

15、夹断，见图为沟道夹断，见图(e)。当满足当满足VDS4.0V 时，近漏端时，近漏端处半导体表面的反型层几乎完全处半导体表面的反型层几乎完全消失，并且夹断点稍稍往源区方消失，并且夹断点稍稍往源区方向移动。由于夹断区电阻率向移动。由于夹断区电阻率 很很高，高，VDS的增量部分几乎都降落的增量部分几乎都降落在这里在这里，故，故IDS几乎不变，即伏几乎不变，即伏安特性进入饱和区。安特性进入饱和区。GSVDSVDSIO()GSTVVnnWLyx0SGDchIDSIPSi5.3 MOS型晶体管的输出伏安特性与直流参数5.3.2 MOS型晶体管的输出伏安特性方程型晶体管的输出伏安特性方程(a)MOS晶体管输

16、出伏安特性曲线晶体管输出伏安特性曲线nMOS 电子沟道电子沟道(b) nMOS管非饱和区工作模型管非饱和区工作模型 MOS管输出伏安特性曲线可分成管输出伏安特性曲线可分成两段，非饱和区与饱和区，见图两段，非饱和区与饱和区，见图(a)所示。其中：所示。其中：非饱和区，非饱和区， 0 VDS (VGS-VT) 。图图(b)中所示，取中所示，取nMOS管的近源端管的近源端为坐标原点为坐标原点0，垂直于衬底方向为，垂直于衬底方向为x方向，水平方向为方向，水平方向为y方向。其中：方向。其中：L：沟道长度；：沟道长度； W：沟道宽度；：沟道宽度；Ich：沟道电流：沟道电流沟道电流沟道电流 IchWxdy(

17、 )V yVVnn5.3 MOS型晶体管的输出伏安特性与直流参数(c) 反型层沟道反型层沟道 y 处的一个微分段处的一个微分段(d) 增量栅压增量栅压V V 与沟道电压与沟道电压 降降V(y)V(y)的关系的关系1. 非饱和区的电流非饱和区的电流-电压方程式电压方程式根据欧姆定律，有根据欧姆定律，有chdVI dR而而dydRA故故chdydVIA1( )nn y q代入代入和和Ax W得得( )chndydVIn y qxW令令( )( )nQyn y qx代入上式，有代入上式，有( )chnnI dydVQyW5.3 MOS型晶体管的输出伏安特性与直流参数( )chnnI dyQyW dV

18、即即大家知道，当栅极电压等于阈值电压大家知道，当栅极电压等于阈值电压VT时，沟道刚刚形成，此时时，沟道刚刚形成，此时的沟道可动电荷面密度的沟道可动电荷面密度Qn(y)0，故沟道电流仍约等于，故沟道电流仍约等于0。现在将栅压。现在将栅压VGS提升而超过阈值电压提升而超过阈值电压V时，即有时，即有V=VGS-VT。我们看到将会产生。我们看到将会产生对应的沟道电流，由于有了沟道电流，沟道对应的沟道电流，由于有了沟道电流，沟道y点与原点点与原点0之间这一段沟之间这一段沟道两端将会产生电压降道两端将会产生电压降V(y)，因此实际，因此实际y点处栅沟之间氧化层两端的电点处栅沟之间氧化层两端的电压增量为压增

19、量为V，且它们三者之间应当满足下式，且它们三者之间应当满足下式( )VVV y即有即有( )GSTVVVV y或者或者( )GSTVVVV y5.3 MOS型晶体管的输出伏安特性与直流参数参看上图参看上图(d)，增量栅压，增量栅压V与沟道电压降与沟道电压降V(y)的关系。这时将在的关系。这时将在金属栅极与沟道金属栅极与沟道y点处各产生增量面电荷密度点处各产生增量面电荷密度+QM(y)、-Qn(y)，显，显然，它们在数值上相等，且满足然，它们在数值上相等，且满足( )noxQyCV即即( )( )noxGSTQyCVVV y综合以上，有综合以上，有( )chnoxGSTI dyWCVVV y d

20、V两边积分两边积分00( )DSLVchnoxGSTI dyWCVVV y dV212()2chnoxGSTDSDSWICVV VVL即即该式即是所求的该式即是所求的nMOS晶体管非饱和区的电流晶体管非饱和区的电流-电压方程式。电压方程式。(1)5.3 MOS型晶体管的输出伏安特性与直流参数2. 饱和区的电流饱和区的电流-电压方程式电压方程式根据非饱和区伏安特性方程，只要令根据非饱和区伏安特性方程，只要令VDS=VGS-VT，此时，此时nMOS管进入饱和区，我们就可以得到饱和区的电流管进入饱和区，我们就可以得到饱和区的电流-电压方程电压方程式，如下：式，如下：21()2chnoxGSTWICV

21、VL一般在工程上，实际的沟道电流一般在工程上，实际的沟道电流Ich与漏极电流与漏极电流IDS相差极小。相差极小。因此，用因此，用IDS取代上述的取代上述的Ich，即可得到，即可得到nMOS晶体管的输出伏安特晶体管的输出伏安特性曲线的方程式性曲线的方程式(2)212()2DSnoxGSTDSDSWICVV VVL21()2DSnoxGSTWICVVLDSGSTVVVDSGSTVVV5.3 MOS型晶体管的输出伏安特性与直流参数令令12oxWkCLn称为称为MOS晶体管的导电因子，它是一个十分重要的参数。而晶体管的导电因子，它是一个十分重要的参数。而(W/L)则称为则称为MOS晶体管的沟道宽长比，

22、它通常决定了一个晶体管的沟道宽长比，它通常决定了一个MOS管管的电流容量。的电流容量。k的单位为：的单位为：mA/V 2或或A/V 2。因而因而22()DSGSTDSDSIkVV VV2()DSGSTIk VVDSGSTVVVDSGSTVVV(3)(4)公式（公式（3）、（）、（4）就是常用的）就是常用的nMOS晶体管的输出伏安特性方程晶体管的输出伏安特性方程式。前者描述了式。前者描述了nMOS管非饱和区的特性，而后者则描述了管非饱和区的特性，而后者则描述了nMOS饱饱和区的特性。和区的特性。0GSTVVDSVDSIO5.3 MOS型晶体管的输出伏安特性与直流参数22()DSGSTDSDSIk

23、VV VV DSGSTVVV2()DSGSTIk VV DSGSTVVV(5)(6)对于对于pMOS晶体管，也有类似的表达式，即晶体管，也有类似的表达式，即注意，上述注意，上述(5)、(6)等式右边均出现有一负号，原因是对等式右边均出现有一负号，原因是对pMOS晶体管而言，它的电流、电压的实际方向与所选择的参考方向均相晶体管而言，它的电流、电压的实际方向与所选择的参考方向均相反。因此，测量反。因此，测量pMOS晶体管时，需要同时施加负极性的阶梯信号和晶体管时，需要同时施加负极性的阶梯信号和负极性的漏极扫描信号。其输出伏安特性曲线见下图所示。负极性的漏极扫描信号。其输出伏安特性曲线见下图所示。n

24、nPSiGSVSDGDSILLDSVDSIODSVDSI5.3 MOS型晶体管的输出伏安特性与直流参数5.3.3 影响影响MOS型晶体管输出伏安特性的一些因素型晶体管输出伏安特性的一些因素1. 沟道长度调制效应沟道长度调制效应21()2DSnoxGSTWICVVL12oxWkCLn12oxWkCLn(a)(b)实际实际MOS晶体管的饱和区特性曲线随着晶体管的饱和区特性曲线随着VDS的增加，曲线略有上翘，即意味着的增加，曲线略有上翘，即意味着IDS略略有增加。从图有增加。从图(a)看出，当看出，当VDS上升时，上升时，L是略是略有减小的，从而使有减小的，从而使k增加至增加至k，所以使得，所以使得

25、IDS略有增加，见图略有增加，见图(b)所示。所示。这就是这就是MOS管的沟道长度调制效应。管的沟道长度调制效应。2. 半导体表面载流子迁移率半导体表面载流子迁移率的影响的影响5.3 MOS型晶体管的输出伏安特性与直流参数受到半导体受到半导体Si表面的缺陷以及表面电场等多种因素的作用，表面的缺陷以及表面电场等多种因素的作用，实验表明，实验表明，MOS晶体管沟道表面反型层中载流子的迁移率远低于晶体管沟道表面反型层中载流子的迁移率远低于其体内的迁移率其体内的迁移率 。一般在。一般在MOS管的设计中，管的设计中，nMOS管沟道电子迁管沟道电子迁移率移率n常取常取400600cm2/VS，而，而pMO

26、S管沟道空穴迁移率管沟道空穴迁移率p常取常取130190 cm2/VS。5.3.4 MOS型晶体管的直流参数型晶体管的直流参数MOS型晶体管的直流参数除了前面所介绍的阈值电压参数型晶体管的直流参数除了前面所介绍的阈值电压参数VT以外，还包括有一些电流及电压等参数，它们对于一支以外，还包括有一些电流及电压等参数，它们对于一支MOS晶体晶体管的合理使用也十分重要。下表给出了管的合理使用也十分重要。下表给出了MOS型晶体管的几个常用型晶体管的几个常用电参数。电参数。5.3 MOS型晶体管的输出伏安特性与直流参数序序 号号参参 数数 名名 称称符号符号单位单位影影 响响 因因 素素漏源击穿电压漏源击穿

27、电压BVDSV衬底电阻率衬底电阻率漏栅击穿电压漏栅击穿电压BVDGV栅介质厚度栅介质厚度tox、衬、衬底电阻率底电阻率栅源击穿电压栅源击穿电压BVGSV栅介质厚度栅介质厚度tox漏源截止电流漏源截止电流IOFFAPN结漏电结漏电漏极最大电流漏极最大电流IDMA或或mA导电因子导电因子k、(W/L)开态导通电阻开态导通电阻RON导电因子导电因子k、VGSMOSMOS型晶体管常用电学参数型晶体管常用电学参数5.3 MOS型晶体管的输出伏安特性与直流参数5.3.5 MOS型晶体管的温度特性与栅保护型晶体管的温度特性与栅保护1. 表面载流子迁移率表面载流子迁移率随温度随温度T的变化的变化随着温度随着温

28、度T的上升，迁移率的上升，迁移率呈现下降趋势。实验发现，迁移呈现下降趋势。实验发现，迁移率率与温度与温度T之间存在如下变化趋势关系，之间存在如下变化趋势关系，T-3/2。迁移率下降尽。迁移率下降尽管不利于漏极电流容量，但却有利于管不利于漏极电流容量，但却有利于MOS晶体管的温度稳定性。晶体管的温度稳定性。2. 阈值电压阈值电压VT随温度随温度T的变化的变化2SSSCTmsFoxoxQQVCC以以nMOSnMOS管为例管为例lnAFiNkTqn163/23.86 10exp(/2)ignTEkT综合结果，当综合结果，当TVT。DiodeGDS5.3 MOS型晶体管的输出伏安特性与直流参数MOS晶

29、体管输入晶体管输入二极管保护二极管保护3. MOS型晶体管的栅保护型晶体管的栅保护在在MOS型晶体管中，栅电极与沟道之间仅隔型晶体管中，栅电极与沟道之间仅隔着一层很薄的栅氧化层，厚度着一层很薄的栅氧化层，厚度tox通常从几十埃至通常从几十埃至几百埃不等，这种结构与一个普通电容器的结构几百埃不等，这种结构与一个普通电容器的结构类似。当类似。当MOS管的栅压管的栅压VGS超过一定值时，就会超过一定值时，就会引起栅氧化层的击穿，从而造成器件的永久失引起栅氧化层的击穿，从而造成器件的永久失效。由于通常效。由于通常MOS管的栅输入电容很小，因此，管的栅输入电容很小，因此，只需感应极小的电荷量只需感应极小

30、的电荷量QM，就可能产生很高的栅，就可能产生很高的栅压，从而使栅介质击穿。例如一支压，从而使栅介质击穿。例如一支MOS晶体管的晶体管的栅电容仅为栅电容仅为2pF，那么只需感应，那么只需感应1.510-10库仑的电库仑的电荷，就可产生荷，就可产生75V的高压，这对的高压，这对MOS管来讲是很管来讲是很危险的，这就是所谓的危险的，这就是所谓的ESD（ESDElectro-Static discharge，即静电释放）问题。图示就是输，即静电释放）问题。图示就是输入二极管保护入二极管保护 。 DSVDSIGSVDSVDSIGSVDSVDSIGSV5.4 MOS型晶体管频率特性与交流小信号参数5.4.

31、1 MOS型晶体管的交流小信号等效电路型晶体管的交流小信号等效电路(a) 实测实测 nMOS 管输管输出伏安特性曲线出伏安特性曲线(b) 对非饱和区抛物对非饱和区抛物线用直线作近似线用直线作近似(c) 忽略非饱和区的忽略非饱和区的输出特性曲线输出特性曲线以上三图对所测得的nMOS管的输出特性曲线作了适当的演变与简化，目的是使得对所获得的MOS管的交流小信号等效电路更易于理解。很明显，当MOS管处于小信号放大状态时，工作点处在饱和区，故作这样的近似处理是合理的。DSVDSIGSVDSVDSIO2()GSTk VViR2()GSTk VVd srGDSDSIDSV5.4 MOS型晶体管频率特性与交

32、流小信号参数(d) nMOS管简化输出管简化输出伏安特性曲线伏安特性曲线(e) nMOS管的直流等效电路管的直流等效电路考虑到沟道长度调制效考虑到沟道长度调制效应，应，MOS管的输出曲线表现为管的输出曲线表现为一定的上翘，即输出电阻不是一定的上翘，即输出电阻不是理想的无穷大，这时，饱和区理想的无穷大，这时，饱和区方程为：方程为：2()(1)DSGSTDSIk VVV为调制因子，取值为调制因子，取值0.0050.03V-1。 图图(e)中：中：Ri：为直流输入电阻，近似为：为直流输入电阻，近似为；k(VGS-VT)2：直流恒流源；：直流恒流源；rds：输出电阻。：输出电阻。mosCmgsg vd

33、srgdsdsidsvgsv5.4 MOS型晶体管频率特性与交流小信号参数(f) nMOS管高频交流小信号管高频交流小信号等效电路等效电路因为因为2()(1)DSGSTDSIk VVV根据全微分表达式根据全微分表达式DSDSDSGSDSGSDSIIdIdVdVVV有有22 ()(1)()DSGSTDSGSGSTDSdIk VVVdVk VVdV一般地一般地1DSV故有故有22 ()()DSGSTGSGSTDSdIk VVdVk VVdV取取DSDSVdVDSDSVdVDSDSIdIGSGSVdVDSDSVdV则有则有22 ()() DSGSTGSGSTDSIk VVVk VVV令令dsDSiI

34、gsGSvVdsDSvV则则22 ()()dsGSTgsGSTdsik VV vk VVv等效电路见图等效电路见图(f)。5.4 MOS型晶体管频率特性与交流小信号参数5.4.2 MOS型晶体管的交流小信号参数型晶体管的交流小信号参数S、mS或或-1单位单位表达式表达式定义式定义式rdsgm符号符号漏极输出漏极输出电阻电阻跨导跨导参数参数名称名称序号序号DSDSmVCGSIgV2 ()mGSTgk VV1GSDSVCdsDSIrV21()dsGSTrk VVMOS管的跨导和漏极输出电阻管的跨导和漏极输出电阻mosCmgsg vgddsigsvsiiDRsvSR5.4 MOS型晶体管频率特性与交

35、流小信号参数5.4.3 MOS型晶体管的最高工作频率型晶体管的最高工作频率fm定义：当放大器的输入信号频率定义：当放大器的输入信号频率f升高，并使得升高，并使得MOS晶体管的晶体管的输出漏极信号电流输出漏极信号电流ids下降至等于输入信号电流下降至等于输入信号电流ii时，这时的输入信时，这时的输入信号频率号频率f就称为就称为MOS晶体管的最高工作频率，用晶体管的最高工作频率，用fm表示。表示。(g) MOS型晶体管共源放大器交流小信号等效电路型晶体管共源放大器交流小信号等效电路利用该定义，结合图利用该定义，结合图(g)电路，可得到电路，可得到fm表达式如下：表达式如下：2()2nmGSTfVV

36、Lfm反比与反比与L2，正比与载流子迁移率，正比与载流子迁移率。5.4 MOS型晶体管频率特性与交流小信号参数5.4.4 MOS型晶体管开关型晶体管开关MOS晶体管是一种电压控制型器件，具有极高的输入阻抗。晶体管是一种电压控制型器件，具有极高的输入阻抗。导通时，它只有一种载流子参与导电，不存在所谓的少子存储效导通时，它只有一种载流子参与导电，不存在所谓的少子存储效应。因此，管子从导通到截止（关断）的时间很短，开关速度很应。因此，管子从导通到截止（关断）的时间很短，开关速度很快，非常适合于充当电子开关而用于数字集成电路中。随着微电快，非常适合于充当电子开关而用于数字集成电路中。随着微电子制造工艺

37、技术的不断进步，子制造工艺技术的不断进步，MOS晶体管的几何尺寸已进入到纳晶体管的几何尺寸已进入到纳米（米（1nm=10-9m）时代，制备）时代，制备MOS晶体管栅介质层的厚度晶体管栅介质层的厚度tox甚至甚至薄至仅有几十个埃，在同一片半导体薄至仅有几十个埃，在同一片半导体Si小芯片上，集成了几千万小芯片上，集成了几千万个个MOS晶体管的超大规模集成电路已成为现实。晶体管的超大规模集成电路已成为现实。pMOSnMOSDDVinVoutVinVoutVDDVpMOSnMOS5.5 MOS型晶体管版图及其结构特征(a) 一个一个nMOS管和一个管和一个pMOS管的连接管的连接(b) 两个晶体管的对

38、应版图两个晶体管的对应版图5.5.1 小尺寸集成小尺寸集成MOS晶体管的版图（横向结构）晶体管的版图（横向结构）版图是指一系列简单几何图形（例如矩形、线条、圆弧等）的版图是指一系列简单几何图形（例如矩形、线条、圆弧等）的集合，这些图形元素按规定要求进行排列与组合，构成一个图形阵集合，这些图形元素按规定要求进行排列与组合，构成一个图形阵列。通常意义上所说的版图一般是指某一种晶体管或者某一型号的列。通常意义上所说的版图一般是指某一种晶体管或者某一型号的集成电路所对应的复合版图，它们按层次或先后顺序彼此套叠在一集成电路所对应的复合版图，它们按层次或先后顺序彼此套叠在一起。起。5.5 MOS型晶体管版

39、图及其结构特征 MOS MOS型晶体管的复合版图中常见图层的说明型晶体管的复合版图中常见图层的说明MOS型晶体管所在的区域型晶体管所在的区域有源区有源区2形成形成MOS型晶体管电极和互连线型晶体管电极和互连线形成金属接触孔形成金属接触孔形成形成pMOS型晶体管源型晶体管源/漏区漏区(S/D)形成形成nMOS型晶体管源型晶体管源/漏区漏区(S/D)形成形成MOS型多晶硅栅电极型多晶硅栅电极形成形成N型隔离阱区，用于制作型隔离阱区，用于制作pMOS型晶体管型晶体管说说 明明金属层金属层接触孔接触孔硼离子注入区硼离子注入区磷离子注入区磷离子注入区多晶硅多晶硅N-Well(N-阱阱)图层名称图层名称图

40、层图层765431序号序号(a) n-well(n-阱阱)(c) 多晶硅多晶硅(b) 有源区有源区5.5 MOS型晶体管版图及其结构特征分版图分版图实际掩模版图形实际掩模版图形(局部局部)(f ) 接触孔接触孔(e) 硼离子注入区硼离子注入区(d) 磷离子注入区磷离子注入区5.5 MOS型晶体管版图及其结构特征(g) 金属层金属层1. 衬底制备衬底制备2. n-阱阱(well)注入注入3. 淀积淀积Si3N4n-阱阱4. Si3N4层光刻层光刻P-Si衬底（衬底（substrate）34Si Nn-阱阱34Si Nn-阱阱5.5 MOS型晶体管版图及其结构特征5.5.2 小尺寸集成小尺寸集成M

41、OS型晶体管的剖面（纵向结构）型晶体管的剖面（纵向结构）5. 场氧化场氧化(Fox)6. 去除去除Si3N4，进行栅氧，进行栅氧8. n+ S/D(源源/漏漏)注入注入Foxn-阱阱2SiOn-阱阱7. 淀积多晶硅淀积多晶硅(Poly-Si)PolySin-阱阱Photoresist/nS D注入nn-阱阱（光刻胶）（光刻胶）5.5 MOS型晶体管版图及其结构特征9.p+ S/D(源源/漏漏)注入注入10.淀积淀积BPSG（硼磷硅（硼磷硅玻璃）玻璃）BPSGnpnp11.淀积淀积Metal(金属金属)npnpMetal12.淀积钝化层，并进行淀积钝化层，并进行CMP(化学机械抛光化学机械抛光)

42、npnp Passivation Layer PSi substratenwellFoxPolyPolyBPSGMetalPhotoresist/pS D注入pnn5.5 MOS型晶体管版图及其结构特征5.5 MOS型晶体管版图及其结构特征5.5.3 按比例缩小设计规则按比例缩小设计规则年年 份份1997199920012003200620102016沟道长度沟道长度L/m30.10.070.0450.0221997199720162016年年 MOSFET MOSFET 沟道长度沟道长度L L的演变与预测的演变与预测Moore(莫尔)定律 MOS大规模集成电路芯片上器件

43、的集成度每隔1824个月翻一番。R.H.Dennard（R.H.迪纳德）于1974年提出关系MOS器件的“按比例缩小”设计的理论，该理论成为日后MOS晶体管尺寸持续缩小的理论支撑。DkVGkVjkxjkxkLoxkt(/ )BNkjxDVGVLoxtjxBN5.5 MOS型晶体管版图及其结构特征“按比例缩小按比例缩小”设计的设计的CE（恒定电场）理论（恒定电场）理论所谓恒定电场所谓恒定电场(CE)“按比例缩小按比例缩小”设计理论设计理论是指是指MOS晶体管晶体管的横向与纵向尺寸以及工作电压等参数按同样的比例缩小，从而使器的横向与纵向尺寸以及工作电压等参数按同样的比例缩小，从而使器件里的电场强度

44、件里的电场强度E保持不变。保持不变。(a) 器件缩小前器件缩小前(b) 器件缩小后（器件缩小后（k1）5.5 MOS型晶体管版图及其结构特征性性 能能 影影 响响器件和电路参数器件和电路参数比例因子比例因子比例参数比例参数器件尺寸器件尺寸( L，tox，W，xj )k衬底掺杂浓度衬底掺杂浓度NB1/k电压电压k器件参数性能器件参数性能耗尽区宽度耗尽区宽度k电容电容k沟道电流沟道电流k电路参数性能电路参数性能器件密度器件密度1/k2器件功耗器件功耗(P=IU)k2延迟时间延迟时间dk功耗延时乘积功耗延时乘积Pk3恒定电场下恒定电场下MOSFETMOSFET按比例缩小后对相关性能影响小结（按比例缩小后对相关性能影响小结（k1k1）LWSDGDSG5.6 小尺寸集成MOS型晶体管的几个效应在过去几十年中，在过去几十年中，MOS晶体管的沟道长度呈现出持续缩短的晶体管的沟道长度呈现出持续缩短的态势。这种情况直到今天也似乎仍然没有结束的征兆，现今态势。这种情况直到今天也似乎仍然没有结