第4章 MOS场效应晶体管

1、第4章 MOS场效应晶体管 4.1 MOS结构与基本性质4.1.1 理想MOS结构与基本性质 MOS结构指金属-氧化物-半导体结构。为便于讨论，规定在金属栅上所加电压UG相对于P型半导体衬底为正，称为正向偏置电压;反之则为反向偏置电压。MOS 二极管结构 a) 透视图 b) 剖面图1.理想MOS二极管的定义与能带1）在外加零偏压时，金属功函数与半导体函数之间没有能量差，或两者的功函数差qms为零 UG=0 时理想 MOS 二极管的能带图0)2()(FgmsmmsqEqqqqq2）在任何偏置条件下，MOS结构中的电荷仅位于半导体之中，而且与邻近氧化层的金属表面电荷数量大小相等，但符号相反。3）氧

2、化膜是一个理想的绝缘体，电阻率为无穷大，在直流偏置条件下，氧化膜中没有电流通过。理想 MOS 二极管不同偏压下的能带图及电荷分布 积累现象 耗尽现象a) 反型现象2.表面势与表面耗尽区下图给出了P型半导体MOS结构在栅极电压UG0情况下更为详细的能带图。在下面的讨论中，定义与费米能级相对应的费米势为因此，对于P型半导体， 对于N型半导体，静电势的定义如图所示qEEFiF体内)(0)ln(iAFnNqT0)ln(iDFnNqT而空穴和电子的浓度也可表示为的函数当能带如上图所示向下弯曲时，为正值,表面载流子的浓度分别为TqnpFiPexpTqnnFiPexpTqnnFsis(expTqnpsFis

3、(exp通过以上讨论，以下各区间的表面电势可以区分为：ss0空穴耗尽（能带向下弯曲）；F=s 表面上正好是本征的ns=ps=niFs 反型情况（反型层中电子积累，能带向下弯曲）。电势与距离的关系，可由一维泊松方程求得对泊松方程积分，可得表面耗尽区的静电势分布为表面势s为此电势分布与单边PN+结相同。Sxdxd022)(2)1 (WxsSAsWqN0223.理想MOS结构的电容-电压特性MOS 结构的总电容C是由氧化膜电容COX与半导体表面空间电荷区的微分电容Cd串联组成，如下图所示 MOS 电容等效示意图 在平带条件下对应的总电容称为MOS 结构的平带电容CFB右图表示了P型半导体MOS结构的

4、理想C-U曲线 MOS电容-电压曲线DSOXOXOXFBLtC2104.1.2 实际MOS 结构及基本特性几种影响理想MOS结构的特性1.功函数差的影响左图为几种主要硅栅极材料的功函数差随浓度的变化在实际的MOS结构中，金属-半导体功函数差不等于零，半导体能带需向下弯曲，如图所示，这是因为在热平衡状态下，金属含正电荷，而半导体表面则为负电荷为了达到理想平带状况，需要外加一个相当于功函数差qms的电压，使能带变为如下图所示的状况。 平带情况2.氧化层中电荷的影响在通常的SiO2-Si结构中包括以下四种情况，如下图系统电荷示意图1）界面中陷阱电荷2）氧化层中的固定电荷3）氧化层陷阱电荷4）可动离子

5、电荷当金属-半导体的功函数差和氧化膜中电荷都存在时，MOS结构的平带电压为OXOXmsFBCQU1. MOS 晶体管的基本结构4.2 MOS 场效应晶体管的工作原理与基本特性4.2.1 MOS 场效应晶体管的基本工作原理MOS 场效应晶体管基本结构示意图2. MOS管的基本工作原理MOS 场效应晶体管的工作原理示意图4.2.2 MOS 场效应晶体管的转移特性MOS 场效应晶体管可分为以下四种类型:N沟增强型、N沟耗尽型、P沟增强型、P沟耗尽型。1. N沟增强型MOS管及转移特性2. N沟耗尽型MOS管及转移特性3.P沟增强型MOS管及转移特性4. P沟耗尽型MOS管及转移特性4.2.3 MOS

6、 场效应晶体管的输出特性同双极型晶体管一样，场效应晶体管的许多基本特性可以通过它的特性曲线表示出来。N 沟 MOS 场效应晶体管的偏置电压它的输出特性曲线则如下图所示：下面分区进行讨论：1. 可调电阻区(线性工作区)可归纳为：外加栅压UGS增大，反型层厚度增加，因而漏源电流随UDS线性增加，其电压-电流特性如上图中UGS=5V曲线中的OA段所示。 UDS较小时，导电沟道随UGS的变化a) UGS UT 出现沟道 c) UGSUT 沟道增厚2. 饱和工作区此时的电流-电压特性对应与特性图中UGS=5V曲线的AB段。 导电沟道随UDS的变化a) UDS很小沟道电阻式常数 b) UDS=UDSat开

7、始饱和 c) UDSUDSat漏极电流不再增加可以得出使沟道夹断进入饱和区的条件为UDSUGS-UT .3. 击穿工作区此时的电流-电压特性曲线对应于特性图中UGS=5V的BC段。 四种 MOS 晶体管的结构、接法和特性曲线a) N沟道增强型 b) N沟道耗尽型 c) P沟道增强型 d) P沟道耗尽型 4.3 MOS场效应晶体管的阀值电压4.3.1 阀值电压1. MOS 结构中的电荷分布对于MOS 结构的P型半导体，其费米势为：左图给出了 MOS 结构强反型时的能带图和电荷分布图。 能带图a) 电荷分布图iAFnNqTln2. 理想 MOS 结构的阀值电压理想MOS 结构是指忽略氧化层中的表面

8、态电荷密度，且不考虑金属-半导体功函数差时的一种理想结构。理想 MOS 结构的阀值电压为 FOXBTCQU20max3. 实际 MOS 结构的阀值电压在实际的 MOS 结构中，存在表面态电荷密度QOX和金属-半导体功函数差ms。因此，在实际MOS结构中，必须用一部分栅压去抵消它们的影响。才能使MOS结构恢复到平带状态，达到理想MOS结构状态。实际 MOS 结构的阀值电压为：msFOXBOXFOXFBTCQQUUU22max4.3.2 影响阀值电压的其他诸因素1. 栅氧化层厚度与质量的影响2. 绝缘栅表面态电荷密度QOX的影响右图为室温下AI 栅 N沟(P沟) MOS 的UT 随NA(ND) 和

9、QOX变化的理论曲线a) N 沟 MOS b) P 沟 MOS3. 衬底杂质浓度的影响衬底杂质浓度对阀值电压的影响4. 功函数差的影响功函数差也将随衬底杂质浓度的变化而变化。但实验证明，该变化的范围并不大。从阀值电压的表示式可知，功函数越大，阀值电压越高。为降低阀值电压，应选择功函数差较低的材料，如掺杂多晶体硅作栅电极。5. 费米势的影响 费米势 随衬底杂质浓度的变化关系综上所述，MOS场效应晶体管的阀值电压与栅氧化层的厚度、质量、表面态电荷密度、衬底掺杂浓度、功函数差和费米势等有关。但对于结构一定的器件，在制造工艺中，能有效调节阀值电压的方法，主要是通过调整衬底或者沟道的掺杂浓度来实现的。4

10、.4 MOS 场效应晶体管的直流伏安特性以 N沟道增强型MOS场效应晶体管为例，推导其电流-电压特性。作如下假设 源接触电极与沟道源端、漏接触电极与沟道漏端之间的压降忽略不计。 沟道电流为漂移电流。 反型层中电子迁移率n为常数。 沟道与衬底PN结反响饱和电流为零。5) 当对MOS管同时施加栅源电压UGS和漏源电压UDS时，栅源电压将在垂直与沟道的x方向（见下图）产生纵向电场Ex，使半导体表面形成反型导电沟道；漏源电压将在沟道方向产生横向电场Ey，在漏源之间产生漂移电流。N沟 MOS管的简化截面图4.4.1 伏安特性方程基本表示式N沟 MOS增强型的一维简化模型前面已给出，图中标明了各参量的代表

11、符号和参数坐标。可以得出漏电流IDS为：将上式在整个沟道内积分，便得到MOS场效应晶体管伏安特性方程的基本表示式。为了方便，下面将分3个区域进行讨论。dyydUyUUUCWIITGSOXnyDS)()(1. 线性工作区的伏安特性线性工作区，漏源电压很小，故沟道压降很小，可以忽略不计，线性工作区的漏源电流则可表示为将上式积分便可得到线性区的直流伏安特性方程式)(ydUCWUUdyIOXnTGSDSDSTGSOXnDSUUULCWI2. 非饱和区伏安特性3. 饱和区的伏安特性饱和时沟道电荷和电场分布221DSDSTGSDSUUUUI221TGSDsatUUI线性工作区对应上图的直线段1非饱和区对应

12、与曲线上的段2饱和区则对应于曲线上的段34.4.2 亚阀区的伏安特性 当栅极电压UGS稍低于阀值电压UT，甚至UGS=0时，在栅氧化层正电荷作用下，栅下P型半导体的表面很可能处于弱反型状态，沟道中仍有很小的漏电流通过。通常将栅源电压低于阀值电压，器件的工作状态处于亚阀值区，流过沟道的电流成为亚阀值电流。弱反型时亚阀值电流由下式给出TqUTqUAiSASnTqUTqUPnSDSDSSDSSeeNnUqNqqTLWeenLDqETWqI12112210204.4.3 击穿区的伏安特性与击穿机理如图所示，当漏源电压UDS增高到某一值时，漏源电流就会突然增大，输出特性曲线向上翘起而进入击穿区。关于击穿

13、原因，可用两种不同的击穿机理进行解释：漏区与衬底之间PN结的雪崩击穿和漏-源之间的穿通。1. 漏区-衬底之间的PN结击穿在MOS晶体管结构中，栅极金属有一部分要覆盖在漏极上。由于金属栅的电压一般低于漏区的电位，这就在金属栅极与漏区之间形成附加电场，这个电场使栅极下面PN结的耗尽区电场增大，如下图，因而使漏源耐压大大降低。2. 漏-源穿通当沟道足够短，并且衬底为低掺杂，若漏源电压UDS足够大时，使漏结耗尽区向源端扩展并与源端周围的耗尽区相连，便发生漏-源之间的直接穿通。由穿通现象引起的漏源击穿电压为式中，NBC为衬底材料的杂质浓度；L为沟道长度。202LqNBUSBCDSP3. 最大栅源耐压BU

14、GS最大栅源电压是指栅-源之间能够承受的最高电压，它是由栅极下面SiO2层的击穿电压所决定。结构完整的SiO2发生击穿所需的临界电场强度因此厚度为tOX的SiO2层的击穿电压为实际MOS场效应晶体管栅-源之间的击穿电压，将比上式的计算值更低。cmVEox/1086(max)OXOXGStEBU(max)4.4.4 输出特性曲线与直流参数区：非饱和区。区：饱和区。区：雪崩区。区：截止区。 MOS场效应晶体管的完整输出特性曲线 不同USB值下的MOSFET输出特性曲线 a) USB=0V b) USB=1V c) USB=2V d) USB=4V2. 直流参数1) 阀值电压UT2) 饱和漏源电流I

15、DSiAOXdAOXOXmsMOSNTnNqTCXqNCQUln2max)(沟iDOXdDOXOXmsMOSPTnNqTCXqNCQUln2max)(沟202)(22TOXSTOXDSULWtULCWI饱和3) 截止漏电流4) 导通电阻 定义漏源电压与漏电流之比为导通电阻Ron5) 栅源直流输入阻抗RGS6) 最大耗散功率PCM MOS场效应晶体管的耗散功率PC等于其漏源电压和漏源电流的乘积TGSOXTGSonUUWCLUUR1)(1DSDSCIUP4.5 MOS场效应晶体管的频率特性4.5.1 MOS场效应晶体管的交流小信号参数以长沟道N型MOS场效应晶体管为例，讨论低频小信号参数，而且只考

16、虑器件的本征部分，即源区和漏压之间的部分，其余为器件的非本征部分，这是因为MOS晶体管作用主要发生在这里。1.跨导gm 定义为漏源电压一定时，漏电流的微分增量与栅源电压微分增量之比，即它标志着MOS场效应晶体管电压放大本领，它与电压增益KV的关系为CUGSDSmDSUIgLmGSLDSVRgURIK显然可见,MOS管的跨导越大,电压增益也越大.跨导的大小与各种工作状态有关. 非饱和区跨导gml 饱和区跨导gms1) 衬底跨导gmbmlDSgUb=()msGSTgUUb=-112202()()nmbSADSSSBSSBWgqNUUUUULme e轾-犏=+-+犏臌2. 漏-源输出电导gdl1)

17、非饱和区的漏源输出电导gdl2) 饱和区的漏源输出电导gds饱和情况下漏区电场对沟道静电反馈示意图)(DSTGSdlUUUg4.5.2 MOS场效应晶体管交流小信号等效电路MOS 场效应晶体管的R、C分布参数模型 NMOS小信号等效电路 NMOS 小信号物理模型4.5.3 MOS 场效应晶体管的高频特性1. 跨导截止频率gm2. 截止频率fT3. 最高工作频率fM21)(415152321LUUUUCRCTGsnTGSGgsgsgm2)(43LUUfTGSnT)(22TgsnMUuLf4.6 MOS场效应晶体管的开关特性4.6.1 MOS场效应晶体管的开关作用 电阻负载P沟MOS倒相器工作原理

18、示意图 a) 电路 b) 工作点 倒相器的输入、输出波形 饱和负载增强型倒相器工作原理示意图 a) 电路 b)工作点4.6.2 MOS场效应晶体管的开关过程1.非本征开关过程 导通过程 关断过程 2. 本征开关过程1)本征开关过程是指载流子通过沟道的传输所引起的大信号延迟开关过程。 电阻负载倒相器等效电路4.6.3 MOS场效应晶体管的开关时间计算 MOS 场效应晶体管开关波形示意图1. 非本征开关时间表示式延迟时间td，存储时间ts 由下列式子给出:MOS场效应晶体管的开通时间ton和关断时间toff基本相等，即（其中tf为下降时间）11)1ln(GGTgenindUURCt122)(1ln

19、TGGTGSgeninrUUUURCtrdontttfsofftttoffontt2. 本征延迟开关时间表示式在线性工作区，本征开通延迟时间为在饱和区，本征开通延迟时间为2233234DSTGSTGSnDSTGSTGSchUUUUUUUUUULtDSnchULt121)(1342TDSnchsUULt4.7 MOS场效应晶体管的温度特性4.7.1 迁移率随温度的变化由实验发现，在MOS场效应晶体管的反型层中，当表面感生电荷密度 时，电子和空穴的有效迁移率实际上是常数，其数值等于半导体内迁移率的二分之一。实验还发现，此时迁移率随温度上升而呈下降趋势。另外，在强电场下，当沟道中载流子达到速度饱和时

20、，由于温度升高，沟道载流子的散射过程加剧，有散射而损失的能量增大。因而强场下沟道载流子的饱和速度也随温度升高而下降，从而使短栅器件的漏电流随温度增加而减小。122/10sQqcm-4.7.2 阀值电压的温度特性0TndUdTN沟MOS阀值电压随温度的变化关系为显然，N沟器件的 ，阀值电压随温度的升高而下降。 而对P沟MOS场效应晶体管来说，其阀值电压则随温度的升高而增大。实验还证明：在-55到+125 的范围，N沟与P沟MOS晶体管的阀值温度都随温度呈线性变换.0C22)6 . 0(maxFOXBFTnCQTdTdU4.7.3 MOS场效应晶体管几个主要参数的温度特性0Ta= 非饱和区的温度特性 1）电流的温度特性漏极电流的温度系数为令 ,可得到零温度的工作条件为)(2)(111dTdUUUUdTddTdIITDSTGSDSDSTdTddTdUUUUTDSTGS212) 跨导的温度特性跨导的温度系数为 在非饱和区内，跨导温度的变化只与迁移率的温度特性有关，因而跨导的温度系数为负，即跨导随温度的升高而下降。3) 漏电导的温度特性dTd