复旦大学(微电子)半导体器件第八章MOSFET课件

第八章MOSFETMOSFET的类型阈值电压直流输出特性跨导击穿开关特性倒相器二级效应MOSFET结构示意图左图为MOSFET结构示意图。MOSFET有增强型和耗尽型两种，在左下图中给出。MOSFET的类型和符号NMOSPMOS增强型耗尽型增强型耗尽型衬底pnS/Dn+p+载流子电子空穴VDS+IDSDSSD载流子运动方向SDSDVT+

+符号GDBSGDBSGDBSGDBSMOSFET阈值电压控制1.金属功函数Wm的影响金属MgAlNiCuAuAgn+-polyp+-polyWm(eV)3.354.14.554.75.05.14.055.152.衬底杂质浓度NA的影响NA增加1个数量级，VB增加60mV3.界面固定电荷QSS的影响4.离子注入调整阈值电压离子注入调整阈值电压增强型耗尽型其中Rp<<dmaxP-SiMOSFET的输出特性线性区饱和区击穿区IDS~VDS（VGS为参量）NMOS（增强型）输入G输出SSDMOSFET的可调电阻区(线性区)沟道中反型电子电荷面密度y0LV(0)=0V(L)=VDSB反型层薄层电阻可调电阻严格推导（考虑到VDS对沟道中反型电子浓度的影响）：强反型条件下（VGS>VT）VDS较小时跨导参数(1)当VDS

=VDSsat时定义VDSsat

VGSVT

Qn(L)=0反型电子消失沟道被夹断MOSFET的饱和区LeffLy(2)当VDS

>VDSsat时夹断点左移，有效沟道缩短IDSsat不饱和，沟道长度调制效应NMOS（增强型）NMOS（耗尽型）PMOS（增强型）PMOS（耗尽型）四种MOSFET的输出特性MOSFET的转移特性IDSsat~VGS（VDS为参量）NMOS（增强型）输入G输出SSD注：需保证VDS

VGSVT

四种MOSFET的转移特性NMOS（增强型）NMOS（耗尽型）PMOS（增强型）PMOS（耗尽型）MOSFET的跨导定义：跨导gm[S][1]西门子=线性区饱和区提高gm的途径：1o

n

tox

oxCox

W/L

gm

2o

VGS

gms

MOSFET的击穿特性(2)沟道雪崩击穿n+n+p-SiVGS>VTVDSSB.。VDS

Ey

当Ey

Ec时，沟道击穿电子：沟道D沟道SiO2空穴：沟道B(3)漏源势垒穿通n+n+p-SiVGSVDSSBE(x)x0L扩散势0.7VDMOSFET的栅击穿SiO2击穿电场Ec=(5~10)106V/cmEg.Cox=1pF，tox=100nm，Q=(5~10)1011Cn+n+p-SiGDn+S栅击穿！齐纳二极管（隧道二极管）MOSFET的电容n+n+……GSDiGiSiDCGSOCGDOCJSCJDCGBBMOSFET的开关特性v

(t)VTvGS(t)10%90%0tontofftvDS(t)IDSVDSABMOS倒相器开关特性：Von

0（导通有电阻）；开关速度取决于对电容的充放电和载流子渡越时间。Ioff

0（亚阈值电流）；VonVoff0VDD负载线+VDDvDS(t)vGS(t)+RDC+几种MOS倒相器+VDDRDC+VDDCM2M1+VDDCM2M1+VDDCM2M1电阻负载型MOS倒相器E-EMOS倒相器E-DMOS倒相器CMOS倒相器MOS倒相器负载线和电压传输特性IDS0VDDIonVDS电阻型负载E-EMOSE-DMOSCMOSCMOS倒相器电传输特性四种倒相器的比较在数字电路中应用的倒相器和前面讲的开关要求不完全相同。它的功能是：输入低电压到高电压的跃变转变为高电压到低电压的跃变。它的要求是：低功耗、高速度、充分利用电源电压得到大的输出摆幅。从这些要求出发，CMOS的突出优点是功耗低、电压摆幅大；而E-DNMOS占用面积小、速度比较快、电压摆幅也比较大；EE-NMOS性能最差，但是最容易制造。亚阈值效应回忆我们前面假设表面呈现强反型时MOSFET沟道开始形成，源、漏之间开始导通。实际上MOSFET源、漏之间加上电压以后，源端PN结处于正向，就会有非平衡载流子注入，漏端PN结就会收集到注入的非平衡载流子，同时还有反向的产生电流（包括表面态的产生电流），所以在强反型之前源、漏之间就会有电流，这就称为亚阈值电流。亚阈值特性沟道长度调制效应沟道长度调制效应会导致饱和电流区伏安特性倾斜。表面迁移率和漏端速度饱和效应由于二氧化硅和硅的界面有许多杂质缺陷，而且载流子被束缚在表面非常狭窄的势阱里，所以表面载流子的迁移率比体内要低很多。通常硅表面的电子和空穴的迁移率约为：垂直表面的电场越强表面迁移率越小。漏端势垒区电场很强，载流子流进势垒区后就会出现速度饱和效应。n=550~950cm2/Vsp=150~250cm2/Vsn/p=2~4体电荷效前面给出MOSFET特性公式：在该公式中认为沟道中耗尽层宽度是不变的，实际上由于漏端和源端存在电势差，沟道的宽度当然也不一样，考虑到这个因素以后必须计入沟道体电荷变化部分对阈值电压的贡献。CMOS闭锁效应前面看到CMOS结构有寄生的NPNP结构。NPNP结构可以看作由PNP和NPN两个晶体管的复合结构。PNPNPPNNNP从图中不难看出这是一个触发器，只要两个晶体管共基极电流增益之和等于1，该结构就处于导通状态。当上端接正时中间的PN结是反向的，而上端接负时上下两个PN结都是反向的，因此可以认为它们处于截至状态。这时电流很小，电流增益也很小，不会导通。如果由于电压波动或辐射效应使两端电压瞬时超过击穿电压，那么该结构将被触发导通，这时电流很大。如果电压恢复正常，由于电流比较大，电流增益比较大，所以该结构会在比较低的电压下保持导通状态，使CMOS的电压锁定在低电压情况下而不能正常工作。解决的办法是：在设计结构上尽量减少寄生晶体管电流增益或采用SOI工艺消除寄生晶体管。小尺寸效应随