第五章2MOSFET

1、 场效应晶体管（场效应晶体管（Field Effect Transistor，FET）是另一类）是另一类重要的微电子器件。这是一种重要的微电子器件。这是一种电压控制型多子导电器件电压控制型多子导电器件，又称，又称为为单极型晶体管单极型晶体管。这种器件与双极型晶体管相比，有以下优点。这种器件与双极型晶体管相比，有以下优点 输入阻抗高；输入阻抗高； 温度稳定性好；温度稳定性好； 噪声小；噪声小； 大电流特性好；大电流特性好； 无少子存储效应，开关速度高；无少子存储效应，开关速度高； 制造工艺简单；制造工艺简单； 各管之间存在天然隔离，适宜于制作各管之间存在天然隔离，适宜于制作 VLSI 。结型栅场

2、效应晶体管结型栅场效应晶体管（ J FET ）肖特基势垒栅场效应晶体管（肖特基势垒栅场效应晶体管（ MESFET ）绝缘栅场效应晶体管绝缘栅场效应晶体管（ IGFET 或或 MOSFET ) 场效应晶体管（场效应晶体管（FET）的分类的分类 JFET 和和 MESFET 的工作原理相同。以的工作原理相同。以 JFET 为例，用一为例，用一个低掺杂的半导体作为导电沟道，在半导体的一侧或两侧制作个低掺杂的半导体作为导电沟道，在半导体的一侧或两侧制作 PN 结，并加上反向电压。结，并加上反向电压。利用利用 PN 结势垒区宽度随反向电压的结势垒区宽度随反向电压的变化而变化的特点来控制导电沟道的截面积，

3、从而控制沟道的变化而变化的特点来控制导电沟道的截面积，从而控制沟道的导电能力。导电能力。两种两种 FET 的不同之处仅在于，的不同之处仅在于，JFET 是利用是利用 PN 结结作为控制栅，而作为控制栅，而 MESFET 则是利用金则是利用金- 半结（肖特基势垒结）半结（肖特基势垒结）来作为控制栅。来作为控制栅。 IGFET 的工作原理略有不同，利用电场能来控制半导体的的工作原理略有不同，利用电场能来控制半导体的表面状态，从而控制沟道的导电能力。表面状态，从而控制沟道的导电能力。 根据沟道导电类型的不同，每类根据沟道导电类型的不同，每类 FET 又可分为又可分为 N 沟道器件沟道器件 和和 P

4、沟道器件沟道器件。 绝缘栅场效应晶体管绝缘栅场效应晶体管 按其早期器件的纵向结构按其早期器件的纵向结构又被称为又被称为 “金属金属 -氧化物氧化物-半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管”，简称为，简称为 MOSFET ， 但现在这种器件的栅电极实际不一定是金属，但现在这种器件的栅电极实际不一定是金属，绝缘绝缘栅栅也不一定也不一定是是氧化物，但氧化物，但仍被习惯地称为仍被习惯地称为 MOSFET 。P 型衬底型衬底 以以 N 沟道沟道 MOSFET 为例，为例， 当当 VGS VT 时，栅下时，栅下的的 P 型硅表面发生型硅表面发生 强反型强反型 ，形成连通源、漏区的，形成连通源、漏区的 N 型

5、型 沟道沟道 ，在在 VDS 作用下产生漏极电流作用下产生漏极电流 ID 。对于恒定的。对于恒定的 VDS ，VGS 越大越大 ，沟道中的电子就越多沟道中的电子就越多 ，沟道电阻就越小，沟道电阻就越小，ID 就越大。就越大。 所以所以 MOSFET 是通过改变是通过改变 VGS 来控制沟道的导电性，从来控制沟道的导电性，从而控制漏极电流而控制漏极电流 ID ，是一种电压控制型器件。，是一种电压控制型器件。 转移特性曲线转移特性曲线：VDS 恒定时的恒定时的 VGS ID 曲线。曲线。MOSFET 的的转移特性反映了栅源电压转移特性反映了栅源电压 VGS 对漏极电流对漏极电流 ID 的控制能力的

6、控制能力。 N 沟道沟道 MOSFET 当当VT 0 时，称为时，称为增强型增强型 ，为，为常关型常关型。VT 0 时，称为时，称为耗尽型耗尽型 ，为，为常开型常开型。IDVGSVT0IDVGSVT0 P 沟道沟道 MOSFET 的特性与的特性与 N 沟道沟道 MOSFET 相对称，即：相对称，即： (1) 衬底为衬底为 N 型，源漏区为型，源漏区为 P+ 型。型。 (2) VGS 、VDS 的极性以及的极性以及 ID 的方向均与的方向均与 N 沟相反。沟相反。 (3) 沟道中的可动载流子为空穴。沟道中的可动载流子为空穴。 (4) VT 0 时称为耗尽型时称为耗尽型（常开型）。（常开型）。 线

7、性区线性区 当当 VDS 很小时，沟道就象一个阻值与很小时，沟道就象一个阻值与 VDS 无关的无关的 固定电阻固定电阻，这时这时 ID 与与 VDS 成线性关系，如图中的成线性关系，如图中的 OA 段所示。段所示。 输出特性曲线：输出特性曲线：VGS VT 且恒定时的且恒定时的 VDS ID 曲线。可分为曲线。可分为以下以下 4 段段 过渡区过渡区 随着随着 VDS 增大，漏附近的沟道变薄，沟道电阻增大，曲线增大，漏附近的沟道变薄，沟道电阻增大，曲线逐渐下弯。当逐渐下弯。当 VDS 增大到增大到 VDsat ( 饱和漏源电压饱和漏源电压 ) 时，漏端处的时，漏端处的可动电子消失，这称为沟道被可

8、动电子消失，这称为沟道被 夹断夹断，如图中的，如图中的 AB 段所示。段所示。 线性区与过渡区统称为线性区与过渡区统称为非饱和区非饱和区，有时也统称为，有时也统称为线性区线性区。 饱和区饱和区 当当 VDS VD sat 后，沟道夹断点左移，漏附近只剩下耗尽区。后，沟道夹断点左移，漏附近只剩下耗尽区。这时这时 ID 几乎与几乎与 VDS 无关而保持常数无关而保持常数 ID sat ，曲线为水平直线，如，曲线为水平直线，如图中的图中的 BC 段所示。段所示。 实际上实际上 ID 随随 VDS 的增大而略有增大，曲线略向上翘。的增大而略有增大，曲线略向上翘。 击穿区击穿区 当当 VDS 继续增大到

9、继续增大到 BVDS 时，漏结发生雪崩击穿，或者漏源时，漏结发生雪崩击穿，或者漏源间发生穿通，间发生穿通，ID 急剧增大，如图中的急剧增大，如图中的 CD 段所示。段所示。 将各曲线的夹断点用虚线连接起来，将各曲线的夹断点用虚线连接起来，虚线左侧为非饱和区，虚线左侧为非饱和区，虚线右侧为饱和区。虚线右侧为饱和区。 以以 VGS 作为参变量，可得到不同作为参变量，可得到不同 VGS下的下的 VDS ID 曲线族，曲线族，这就是这就是 MOSFET 的的 输出特性曲线输出特性曲线。 4 种类型种类型 MOSFET 的特性曲线小结的特性曲线小结 定义：定义：使栅下的硅表面处开始发生强反型时的栅电压称

10、为使栅下的硅表面处开始发生强反型时的栅电压称为阈值电压阈值电压 ，记为，记为 VT 。 定义：定义：当硅表面处的少子浓度达到或超过体内的平衡多子当硅表面处的少子浓度达到或超过体内的平衡多子浓度时，称为表面发生了浓度时，称为表面发生了 强反型强反型 。 在推导阈值电压的表达式时可以近似地采用一维分析，即在推导阈值电压的表达式时可以近似地采用一维分析，即认为衬底表面下空间电荷区内的空间电荷完全由栅极与衬底之认为衬底表面下空间电荷区内的空间电荷完全由栅极与衬底之间的电压所决定，与漏极电压无关。间的电压所决定，与漏极电压无关。 下面推导下面推导 P 型衬底型衬底 MOS 结构的结构的阈值电压阈值电压

11、。 上图中，上图中，0ln1iAFiFPnNqkTEEq）（ 1、理想、理想 MOS 结构（金属与半导体间的功函数差结构（金属与半导体间的功函数差 MS = 0 ，栅氧化层中的电荷面密度栅氧化层中的电荷面密度 QOX = 0 ）当）当 VG = 0 时的能带图时的能带图称为称为 P 型衬底的费米势型衬底的费米势 。 上图中，上图中， S 称为称为 表面势表面势，即从硅表面处到硅体内平衡处的，即从硅表面处到硅体内平衡处的电势差，等于能带弯曲量除以电势差，等于能带弯曲量除以 q 。COX 代表单位面积的栅氧化代表单位面积的栅氧化层电容，层电容， ，TOX 代表栅氧化层厚度。代表栅氧化层厚度。 2、

12、实际、实际 MOS 结构（结构（ MS 0）当）当 VG = 0 时的能带图时的能带图OXOXOXTCOXSMSOXQqqqC 3、实际、实际 MOS 结构当结构当 VG = VFB 时的能带图时的能带图 当当 时，可以使能带恢复为平带状态，时，可以使能带恢复为平带状态，这时这时 S = 0，硅表面呈电中性。，硅表面呈电中性。VFB 称为称为 平带电压平带电压 。OXOXMSFBGCQVV 4、实际、实际 MOS 结构当结构当 VG = VT 时的能带图时的能带图 要使表面发生强反型，应使表面处的要使表面发生强反型，应使表面处的 EF - Eis = q FP ，这时，这时能带总的弯曲量是能带

13、总的弯曲量是 2q FP ，表面势为，表面势为 S = 2 FP 。 外加栅电压超过外加栅电压超过 VFB 的部分（的部分（VG - -VFB）称为）称为 有效栅电压有效栅电压。有效栅电压可分为两部分：降在氧化层上的有效栅电压可分为两部分：降在氧化层上的 VOX 与降在硅表面与降在硅表面附近的表面电势附近的表面电势 S ，即，即 VG VFB = VOX + S 表面势表面势 S 使能带发生弯曲。表面发生强反型时能带的弯曲使能带发生弯曲。表面发生强反型时能带的弯曲量是量是 2q FP ，表面势为，表面势为 2 FP ，于是可得：，于是可得： VT VFB = VOX + 2 FP VT = V

14、FB + VOX + 2 FP 上式中，上式中， QM 和和 QS 分别代表金属一侧的分别代表金属一侧的电荷面密度和半导体一侧的电荷面密度，而电荷面密度和半导体一侧的电荷面密度，而 QS 又是耗尽层电荷又是耗尽层电荷QA 与反型层电荷与反型层电荷 Qn 之和。之和。,OXSOXMOXCQCQVQAQMQn中，可得中，可得 MOS 结构的阈电压为结构的阈电压为FPOXFPAOXOXMST22CQCQV 再将再将 和上式代入和上式代入 VT = VFB + VOX + 2 FPOXOXMSFBCQV关于关于 QA 的进一步推导在以后进行。的进一步推导在以后进行。 作为近似，在刚开始强反型时，可忽略

15、作为近似，在刚开始强反型时，可忽略 Qn 。QA 是是 S 的的函数，在开始发生强反型时，函数，在开始发生强反型时，QA ( S ) = QA ( 2 FP ) ，故得：，故得：OXFPAOX2CQV 1、阈值电压一般表达式的导出、阈值电压一般表达式的导出 MOSFET 与与 MOS 结构的不同之处是：结构的不同之处是： a) 栅与衬底之间的外加电压由栅与衬底之间的外加电压由 VG 变为变为 (VG - -VB) ，因此有效，因此有效栅电压由栅电压由 (VG - -VFB ) 变为变为 (VG - -VB - - VFB ) 。 b) 有反向电压有反向电压 (VS - -VB )加在源、漏及反

16、型层的加在源、漏及反型层的 PN 结上，使结上，使之处于非平衡状态，之处于非平衡状态，EFp- -EFn = q(VS - -VB ) 。 c) 强反型开始时的表面势强反型开始时的表面势 S,inv 由由 2 FP 变为变为( 2 FP + VS - -VB )。 以下推导以下推导 QA 的表达式。对于均匀掺杂的衬底，的表达式。对于均匀掺杂的衬底， 式中，式中， ，称为，称为 体因子体因子。AS,invAd()QqN x OX21sA2CNqKS,invOXS,invAFBBTCQVVV 因此因此 MOSFET 的阈值电压一般表达式为的阈值电压一般表达式为21BSFP21BSFPOX21sAO

17、XS,invA222VVKVVCNqCQ21AS,invsA2NqNq12AsFPSB2(2)qNVV 于是可得于是可得 N 沟沟 MOSFET 的阈值电压为的阈值电压为SFP21BSFPOXOXMSBSFP21BSFPFBBT2222VVVKCQVVVVKVVV 注意上式中，通常注意上式中，通常 VS 0，VB VS 后，产生漂移电流，后，产生漂移电流，yVnqnEqjyddnnnbyVQZyVxqnZI0nnnDddddd 式中，式中， 代表沟道内的电子电荷面密度。代表沟道内的电子电荷面密度。bxqnQ0nd)( 1、漏极电流的一般表达式、漏极电流的一般表达式 （1）VQLZIVVdDSn

18、nDDSddnn0DVVLVQZyIVQZyIddnnDyVQZIddnnD（2）（1） 当当 VG VT 后，沟道中产生的大量电子对来自栅电极的纵向后，沟道中产生的大量电子对来自栅电极的纵向电场起到屏蔽作用，所以能带的弯曲程度几乎不再随电场起到屏蔽作用，所以能带的弯曲程度几乎不再随 VG 增大增大 ，表面势表面势 S 也几乎维持也几乎维持 S,inv 不变。于是，不变。于是， 2、沟道电子电荷面密度、沟道电子电荷面密度 Qn AinvS,FBBGOXAOXOXAMASnQVVVCQVCQQQQQ）（QAQMQn 当外加当外加 VD ( VS ) 后，沟道中将产生电势后，沟道中将产生电势 V

19、( y ) ，V (y) 随随 y 而增加，从源极处的而增加，从源极处的 V (0) = VS 增加到漏极处的增加到漏极处的 V (L) = VD 。这样这样 S,inv 、xd 与与 QA 都成为都成为 y 的函数，分别为：的函数，分别为： S,invFPB12sdFPBA12AAdsAFPB( )22( )2( )( )22( )yVV yxyVV yqNQyqN xqNVV y 将上面的将上面的 S,inv 和和 QA 代入沟道电子电荷面密度代入沟道电子电荷面密度 Qn 后，可知后，可知 Qn 也成为也成为 y 的函数，即：的函数，即： 21BFPAsFPFBGOXn222)(yVVNq

20、yVVVCyQ 将将 Qn 代入式（代入式（5-37）23SBFP23DBFPOX21As2S2DSDFPFBGOXnD22232212VVVVCNqVVVVVVCLZI 对上式可进行简化。对上式可进行简化。VQLZIVVdDSnnD 3、漏极电流的精确表达式、漏极电流的精确表达式 并经积分后得：并经积分后得： 将将 Qn 中的中的 在在 V = 0 处用级数展开，处用级数展开，21BFP)(2yVV 21BFP21BFP21BFP2222VVVyVV 当只取一项时，当只取一项时， 21BFP21BFP22VyVV 当当 VS = 0 ，VB = 0 时，可将时，可将 VD 写作写作 VDS

21、，将，将 VG 写作写作 VGS ，则则 Qn 成为：成为： 4、漏极电流的近似表达式、漏极电流的近似表达式 将此将此 Qn 代入式（代入式（5-37 2）的）的 ID 中，并经积分后得：中，并经积分后得：2DSDSTGSOXn0TGSOXnD21)(d)(DSVVVVCLZVyVVVCLZIVOX21FPAsFPFBGSOX22)(2(CNqyVVVC)(TGSOXyVVVC 21FPAsFPFBGSOXn222)(NqyVVVCyQ（3） 再将再将 写作写作 ，称为称为 MOSFET 的增益因子，的增益因子，则则OXnCLZ2DSDSTGSD21)(VVVVI 式（式（4）表明，）表明，I

22、D 与与 VDS 成成 抛物线关系抛物线关系，即：，即： 式（式（4）只在抛物线的左半段有物理意义。）只在抛物线的左半段有物理意义。IDsatIDVDSVDsat0（4）2TGS2DsatDsatTGSDsat2121)(VVVVVVI 此时所对应的漏极电流称为此时所对应的漏极电流称为 饱和漏极电流饱和漏极电流 IDsat ， 这一点正好是抛物线的顶点。所以这一点正好是抛物线的顶点。所以 VDsat 也可由令也可由令而解出。而解出。 0ddDSDVITGSsatDVVV 由由 Qn 的表达式可知，在的表达式可知，在 y = L 的漏极处，的漏极处，DSTGSOXn)(VVVCLQ 可见可见 |

23、 Qn(L) | 是随是随 VDS 增大而减小的。当增大而减小的。当 VDS 增大到被称增大到被称为为 饱和漏源电压饱和漏源电压 的的 VDsat 时，时，Qn ( L ) = 0 ，沟道被夹断沟道被夹断。显然，。显然，（5）（6） 当当 VDS VD sat 后，简单的处理方法是从抛物线顶点以水平方后，简单的处理方法是从抛物线顶点以水平方向朝右延伸出去。向朝右延伸出去。 以不同的以不同的 VGS 作为参变量，可得到一组作为参变量，可得到一组 ID VDS 曲线，这曲线，这就是就是 MOSFET 的输出特性曲线。的输出特性曲线。 对于对于 P 沟道沟道 MOSFET，可得类似的结果，可得类似的

24、结果，2TGSDsatTGSDsat2DSDSTGSD)(2121)(VVIVVVVVVVI 式中，式中，OXpCLZ 以上公式虽然是近似的，但因计算简单，在许多场合得到以上公式虽然是近似的，但因计算简单，在许多场合得到了广泛的应用。了广泛的应用。 5、沟道中的电势和电场分布、沟道中的电势和电场分布 DnnddVIZQy 将将 代入式（代入式（1），得：），得：nOXGST( )( )QyCVVV y （7）nOXGSTd( )dVZCVVV yy 令上式与式（令上式与式（4） 将上式沿沟道积分，可解得沟道中沿将上式沿沟道积分，可解得沟道中沿 y 方向的电势分布方向的电势分布 V(y) 为为2

25、GSTDSDSGST11()d()d2VVVVyVVVVL相等，得到一个微分方程：相等，得到一个微分方程：2DnOXGSTDSDS1()2ZICVV VVL 12GSTGSTeff( )1yV yVVVVy式中，式中，DSGST1VVV 对对 V(y) 求导数可得到沟道中沿求导数可得到沟道中沿 y 方向的电场分布方向的电场分布 Ey(y) 为为 DSGSTGSTDSy1122effeffeff2d( )d2211VVVVVVVE yyLyyyyyeff21Ly 当当 VDS = VDsat 时，时， = 0，yeff = L ，沟道电势分布和沟道电，沟道电势分布和沟道电场分布分别成为场分布分别

26、成为 12GSTGST( )1yV yVVVVLGSTy122( )2VVEyLLy （8）（9） 6、漏极电流的一级近似表达式、漏极电流的一级近似表达式 当在当在 级数展开式中取前两项时，得：级数展开式中取前两项时，得：FPFPFP2222VV21FP2）（V式中，式中，FPFPOXAs2212KCNq 以上公式与不对以上公式与不对 做简化的精确公式已极为接近。做简化的精确公式已极为接近。1)(211)1 (21)(2TGSDsatTGSDsat2DSDSTGSDVVIVVVVVVVI 经类似的计算后可得：经类似的计算后可得：21FP2）（V 实测表明，当实测表明，当 VDS VDsat 后

27、，后，ID 随随 VDS 的增大而略有增大，的增大而略有增大，也即也即 MOSFET 的增量输出电阻的增量输出电阻 不是无穷大而是一个不是无穷大而是一个有限的值。有限的值。 DDSdsIVr 通常采用两个模型来解释通常采用两个模型来解释 ID 的增大。的增大。 当当 VDS VDsat 后，沟道中满足后，沟道中满足 V = VDsat 和和 Qn = 0 的位置的位置向左移动向左移动 L，即：，即： 1、有效沟道长度调制效应、有效沟道长度调制效应 已知当已知当 VDS = VDsat 时，时，V (L) = VDsat ，Qn (L) = 0 。 satD)(VLLV0)(nLLQ 这意味着有

28、效沟道长度缩短了。这意味着有效沟道长度缩短了。L0yVDsatV(y) L图中，曲线图中，曲线 代表代表 VDS VDsat 而而 V ( L - - L ) = VDsat 。 21TGSDSAs21DsatDSAs22VVVqNVVqNL 当当 VDS VDsat 后，可以将后，可以将 VDS 分为两部分，其中的分为两部分，其中的 VDsat 降降在有效沟道长度在有效沟道长度 ( L - - L ) 上，超过上，超过 VDsat 的部分的部分 ( VDS - - VDsat ) 则降落在长度为则降落在长度为 L 的耗尽区上。根据耗尽区宽度公式可计算的耗尽区上。根据耗尽区宽度公式可计算出出

29、L 为：为： 由于由于 ，当，当 L 缩短时，缩短时，ID 会增加。会增加。LI1D 若用若用 IDsat 表示当表示当 VDS VDsat 后的漏极电流，可得：后的漏极电流，可得： 当当 L 较长或较长或 NA 较大时，较大时， 较小，电流的增加不明显，较小，电流的增加不明显，rds 较大较大 ；反之，则电流的增加较明显，；反之，则电流的增加较明显，rds 较小。较小。LLLLILLLVVCLZVVCLLZI11)(21)(21Dsat2TGSOXn2TGSOXnDsat 对于对于L 较短及较短及 NA 较小的较小的 MOSFET，当，当 VDS VD sat 后，耗后，耗尽区宽度接近于有效

30、沟道长度，这时从漏区发出的电力线有一尽区宽度接近于有效沟道长度，这时从漏区发出的电力线有一部分终止于沟道上，使沟道电子的数量增多，从而导致电流增部分终止于沟道上，使沟道电子的数量增多，从而导致电流增大。可以把此看作是在漏区与沟道之间存在一个电容大。可以把此看作是在漏区与沟道之间存在一个电容 CdCT ，当当 VDS 增加增加 VDS 时，沟道区的电子电荷面密度的增量为时，沟道区的电子电荷面密度的增量为ZLVCQDSdCTAV 2、漏区静电场对沟道的反馈作用、漏区静电场对沟道的反馈作用 1、阈值电压、阈值电压 VT 2、饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS 此参数不是一般的此参数不是一般的 IDs

31、at ，它只适用于耗尽型，它只适用于耗尽型 MOSFET ，表示当表示当 VGS = 0 ，VDS VDsat 且一定时的且一定时的 IDsat ，即：，即：2T2TGSDSS2)(2VVVI 4、通导电阻、通导电阻 Ron Ron 表示当表示当 MOSFET 工作于线性区，且工作于线性区，且 VDS 很小时的沟道很小时的沟道电阻。当电阻。当 VDS 很小时，很小时，ID 可表示为可表示为DSTGS2DSDTGSD)(21)(VVVVVVVISDSonDGSTnOXGST1()()VLRIVVZCVV 3、截止漏极电流、截止漏极电流 此参数只适用于增强型此参数只适用于增强型 MOSFET，表示

32、当，表示当 VGS = 0 ，外加，外加VDS 后的亚阈电流与后的亚阈电流与 PN 结反向电流引起的微小电流。结反向电流引起的微小电流。 5、栅极电流、栅极电流 IG 表示从栅极穿过栅氧化表示从栅极穿过栅氧化 层到沟道之间的电流。栅极电流层到沟道之间的电流。栅极电流 IG极小，通常小于极小，通常小于 10- -14 A 。 1 、阈值电压阈值电压与温度的关系与温度的关系 上式中与温度关系密切的只有上式中与温度关系密切的只有 ，FB21BSFBAsOXOXOXMST2)2(21VqNCCQVFBTVCqNTTVCqNTVdd2)2()2(dd2dd)2(2)2(2ddFB21BSFBOX21As

33、FBFB21BSFBOX21AsTqENNNqkTkTENNNqkTkTENNNqkTnNqkT2ln2ln2explnlnGVCAGVCAGVCAiAFBVCAFBlnddNNNqkT 式中，式中， ，所以对于，所以对于 N 沟沟 MOSFET， ，AVCNNN0ddTTV阈值电压阈值电压具有负温系数。具有负温系数。VCA21BSFBOX21AsTln2)2()2(ddNNNqkVCqNTV 无论无论 N 沟道还是沟道还是 P 沟道，沟道， 约为每度几个约为每度几个 mV，所以，所以 温度对于温度对于阈值电压阈值电压的影响不是很大。的影响不是很大。 用同样的方法可以得到用同样的方法可以得到

34、P 沟道沟道 MOSFET 的的阈值电压阈值电压与温度与温度的关系，并且得到的关系，并且得到 ，所以，所以 P 沟道沟道 MOSFET 的的阈值电阈值电压压具有正温系数。具有正温系数。0ddTTVTVddTTVVCLZTITVVITITIddddddddddTDSOXnnnDTTDnnDD因因 ， ，又已知，又已知 N 沟沟 MOSFET 的的 所以所以 的正负取决于的正负取决于 ID 的大小，也即（的大小，也即（VGS VT ）的大小。）的大小。23nT0ddnT,0ddTTV 2 、漏极电流与温度的关系、漏极电流与温度的关系 2DSDSTGSOXnD21VVVVCLZI 上式中与温度关系密

35、切的有上式中与温度关系密切的有 与与 。nTIddDTV(1) 当（当（VGS VT ）较大时，）较大时，(3) 令令 ，可解得：，可解得：, 0ddDTI(2) 当（当（VGS VT ）较小时，）较小时，, 0ddDTI0ddDTITTVVVVdddd21nTnDSTGS 当满足上式时，漏极电流的温度系数为零，温度对漏极电当满足上式时，漏极电流的温度系数为零，温度对漏极电流无影响。对流无影响。对 P 沟道沟道 MOSFET 也可得到类似的结论。也可得到类似的结论。 总的说来，总的说来，MOSFET 有较好的温度稳定性。有较好的温度稳定性。 (a) 漏漏 PN 结雪崩击穿结雪崩击穿 由于在漏与

36、栅之间存在由于在漏与栅之间存在附加电场附加电场，使，使 MOSFET 的漏源击穿的漏源击穿电压远低于相同掺杂和结深的电压远低于相同掺杂和结深的 PN 结雪崩击穿电压。当衬底掺杂结雪崩击穿电压。当衬底掺杂浓度小于浓度小于 1016 cm- -3 后，后，BVDS 就主要取决于就主要取决于 VGS 的极性、大小和的极性、大小和栅氧化层的厚度栅氧化层的厚度 TOX 。 1、漏源击穿电压、漏源击穿电压 BVDS2sApt2LqNV (b) 源、漏之间的穿通源、漏之间的穿通21Aptbisd)(2qNVVxL略去略去 Vbi 后得：后得： 可见，可见，L 越短，越短，NA 越小，越小，Vpt 就越低。由

37、于沟道区掺杂远就越低。由于沟道区掺杂远低于源漏区，所以穿通现象是除工艺水平外限制低于源漏区，所以穿通现象是除工艺水平外限制 L 缩短的重要缩短的重要因素之一。因素之一。 由于由于 MOS电容上存贮的电荷不易泄放，且电容值很小，故电容上存贮的电荷不易泄放，且电容值很小，故很少的电荷即可导致很高的电压很少的电荷即可导致很高的电压 ，使栅氧化层被击穿，使栅氧化层被击穿 。由于这。由于这种击穿是破坏性的，所以种击穿是破坏性的，所以 MOSFET 在存放与测试时，一定要注在存放与测试时，一定要注意使栅极良好地接地。意使栅极良好地接地。0.79GSOXBVT 当当 TOX VT ，并假设，并假设当当 VG

38、S VT 时时 ID = 0 。但实际上当。但实际上当 VGS VT 时，时，MOSFET 仍能微弱导电，这称为仍能微弱导电，这称为 亚阈区导电亚阈区导电 。这时的漏极电流称为。这时的漏极电流称为亚阈电流亚阈电流 ，记为，记为 IDsub 。 定义：定义： 使硅表面处于本征状态的使硅表面处于本征状态的 VGS 称为称为 本征电压本征电压 ，记，记为为 Vi 。当。当 VGS = Vi 时，表面势时，表面势 S = FB ，能带弯曲量为，能带弯曲量为 q FB ，表面处于表面处于 本征状态本征状态。 当当 Vi VGS VT 时，时， FB S 2 FB ，表面处于，表面处于 弱反型状弱反型状态

39、态，反型层中的少子（电子）浓度介于本征浓度与衬底平衡多，反型层中的少子（电子）浓度介于本征浓度与衬底平衡多子浓度之间。子浓度之间。 在亚阈区，表面弱反型层中的电子浓度较小，所以漂移电在亚阈区，表面弱反型层中的电子浓度较小，所以漂移电流很小；但电子浓度的梯度却很大，所以扩散电流较大。因此流很小；但电子浓度的梯度却很大，所以扩散电流较大。因此在计算在计算 IDsub 时只计入扩散电流而忽略漂移电流。时只计入扩散电流而忽略漂移电流。ynqDJddnDsubynZbqDIddnDsub式中，式中， kTqnnSp0exp0 kTVqnLnDSS0pexpLLnnZbqD)()0(nMOSFET 的亚阈

40、漏极电流的亚阈漏极电流 设沟道上下的纵向电势差为设沟道上下的纵向电势差为 ( kT/ /q ) ，则沟道厚度，则沟道厚度 b 可表为可表为xqEkTb 根据高斯定理，根据高斯定理，)(2SDA21sSAsACqNqNQEx 定义沟道耗尽区的势垒电容为定义沟道耗尽区的势垒电容为21SsASASD2dd)(qNQC 于是可得沟道厚度为于是可得沟道厚度为ASD)(qNCqkTb 将将 n(0)、n(L) 和和 b 代入代入 IDsub 中，得：中，得： kTqVkTqnqNCqkTqDLZIDSS0pASDnDsubexp1exp)( kTqVkTqkTqCqkTLZDSSFPSD2nexp1exp

41、2exp)( 表面势表面势 S 与栅源电压与栅源电压 VGS 之间的关系可表为之间的关系可表为nVVCCVVTGSFP1OXSDTGSFPS2)(12式中，式中，OXSD)(1CCn 由于由于 FB S 2 FB ，CD( S ) 中的中的 S 可取为可取为 1.5 FB 。 于是得到亚阈电流的表达式为于是得到亚阈电流的表达式为kTqVnVVkTqCqkTLZIDSTGSSD2nDsubexp1exp)( 1、IDsub 与与 VGS 的关系的关系 当当 VGS = 0 时时 IDsub 0，IDsub 与与 VGS 之间为指数关系。之间为指数关系。 2、IDsub 与与 VDS 的关系的关系

42、 当当 VDS = 0 时时 IDsub = 0；当；当 VDS 较小时，较小时，IDsub 随随 VDS 的增大而的增大而增大；但是当增大；但是当 后，后，IDsub 变得与变得与 VDS 无关，即无关，即 IDsub 对对 VDS 而言会发生饱和。而言会发生饱和。qkTVDSMOSFET 的亚阈区特性的亚阈区特性kTqVnVVkTqCqkTLZIDSTGSSD2nDsubexp1exp)(ASD,)(NC即OXOX,TC即 定义定义亚阈区栅源电压摆幅亚阈区栅源电压摆幅 S 为亚阈区转移特性斜率的倒数，为亚阈区转移特性斜率的倒数，即：即：qkTCCqnkTIVSOXSDDsubGS)(1)(lndd S 的意义：使的意义：使 IDsub 扩大扩大 e 倍所需的倍所需的 VGS 的增量。的增量。 对于作为开关管使用的对于作为开关管使用的 MOSFET，要求，要求 S 的值要尽量小。的值