微电子器件基础- 课件 第4章 MOS场效应晶体管

第四章

MOS场效应晶体管4.1结构与工作原理MOSFET和BJT的对比双极型晶体管(BJT)场效应晶体管（MOSFET）4.1结构与工作原理MOSFET和BJT的对比工艺要求低求4.1结构与工作原理MOS电容基本结构

金属和半导体分别引出电极，

形成双端MOS器件---MOS电容

金属电极：对应MOSFET的栅电极，

MOS结构所加电压也称为栅电压栅电压正负：金属相对于半导体Al或高掺杂的多

晶硅（poly-Si）氧化层介电常数n型硅或p型硅掺杂浓度NSiO2氧化层厚度4.1结构与工作原理MOSFET类型-n沟道

VTN>0

VTN<0

加栅压VGS>VTN,沟道开启

加栅压VGS<VTN,

沟道关闭

四种MOS晶体管:

N沟增强型；N沟耗尽型；

P沟增强型；P沟耗尽型4.1结构与工作原理MOSFET类型-p沟道

p沟耗尽型MOSFET

零栅压时存在反型沟道

VTP>0

加栅压VGS>VTP,

沟道关闭

p沟增强型MOSFET

零栅压时不存在反型沟道

VTP<0

加栅压VGS<VTP,

沟道开启

四种MOS晶体管:

N沟增强型；N沟耗尽型；

P沟增强型；P沟耗尽型4.1结构与工作原理四种MOSFET特性比较4.2阈值电压MOS电势

费米势：禁带中心能级(EFi)与费米能级(EF)之差的电势表示，

φf

(φfp

,φfn

)

表面势

：半导体表面电势与体内电势之差，体内EFi和表面EFi之差的电势表示，

φsφS

=

e

[EFi

(体内)

-

EFi（表面）]

可正可负

表面势是横跨空间电荷区的电势差：体内能带平，等电势区

空间电荷区和体内比：能带有弯曲，和体内比电子势能不同，即电势不同P型衬底1

阈值反型点：

表面势=

2倍费米势，

衬底表面处反型载流子浓度=体内多子浓度

阈值电压：

使半导体表面达到阈值反型点时的栅电压4.2阈值电压表面势与电学状态的关系s增加4.2阈值电压功函数

功函数：起始能量等于EF

的电子，

由材料内部（EF

）逸出体外到真空（E0

）所需最小能量。

金半功函数差（电势表示）硅的电子亲和能

金属的费米能级

硅的费米能级

真空能级

4.2阈值电压表面势与电学状态的关系

MOS紧密接触，假设有外部导线连接M和S,MOS成为统一的电子系统

0栅压下热平衡状态的能带图？

MOS成为统一系统，

0栅压下热平衡状态有统一的EF

SiO2

的能带倾斜

半导体一侧能带弯曲

变化原因：金属半导体Φms不为0

条件：零栅压，热平衡4.2阈值电压

半导体表面达到阈值反型点时所需的栅压VG

，

记为VT

VTN

，

VTP

，下标N/P指的是反型沟道的导电类型

强反型半导体表面，导电能力强，可作为MOSFET沟道

VG≥VTN：Φs≥2Φfp

，衬底表面强反型，

沟道形成，器件导通

VG<VTN：

Φs<2Φfp

，衬底表面未强反型，

沟道未形成，器件截止

阈值电压(ThresholdVoltage)：阈值电压定义4.2阈值电压阈值电压影响因素

VTN越小越好，可减小工作电压，降低功耗

不能太小，否则器件的开和关不好控制

VTN的影响因素：

COX

、

Q`SS

、

ΦmS

、

Na阈值电压VTN

=

－

＋2φfp

+

φms

VTN是MOSFET强反型沟道是否存在的临界电压，决定器件的开和关mS4.2阈值电压阈值电压影响因素COX越大，则VTN越小；COX越大，同样VG在半导体表面感应的电荷越多，阈值反型点时（负电荷总量不变）

所需VG越小，

VTN小，易反型45nm工艺前，减薄栅氧化层厚度，

65nm工艺栅氧厚1.2nm;45nm工艺后，选择介电常数大的绝缘介质，

HfO2

(SiO2

的6倍)COX提高途径：

Cox

=

|Q'SDmax|>>Q'ss

COX影响：4.2阈值电压阈值电压影响因素

Q

`SS影响：

Q

`SS越大，则VTN越小；

Q

`SS越大，其在半导体表面感应出的负电荷越多，阈值反型点时需VG感应出的负电荷越少，

VTN越小，易反型

注意：

Q

`SS对VT影响的大小与衬底掺杂浓度有关

，Na越大，

Q

`SS

的影响越小。4.2阈值电压阈值电压影响因素阈值反型点时需VG产生的负电荷越少，

所需VG越小，

VTN越小

P衬(n沟)配N+多晶硅栅

N+栅：

φms

＜0

电子从栅往半导体转移，表面能带下弯，易形成电子反型层越负，则VTN越小；越负，金属往半导体表面转移的负电荷越多，

φms

影响：φmsφms

4.3稳态响应沟道电荷来源

VGS越正，半导体表面的ΦS越正，源和半导体表面的势垒高度降低源区电子到达沟道区的几率越大

φs

≥

2φfp

：势垒足够低源区电子到达沟道区的多，形成反型沟道MOSFET反型层电子来源于源区多子MOS电容：反型层电子来源于衬底热运动少子

数量少，需要时间4.3稳态响应VGS的作用

MOSFET在VGS控制下可实现开关作用和放大作用

VGS

<VT

，半导体表面非强反型，

VGS

≥VT

，半导体表面强反型，沟沟道不存在，器件截止，

ID

≈0

道存在，器件导通，

ID

随VDS变化

VGS

越大，沟道载流子越多,

沟道

开关作用：

电导增加，ID增加。

VGS

控制器件在导通和截止间转换

放大作用：

ΔVGS

ΔID

MOSFET电压控制器件：VGS通过栅电容COX控制器件沟道的电导，从而控制沟道电流ID4.3稳态响应线性区

VDS

＜

＜

VGS-

VT,

VDS对Vox的抵消作用可忽略，→沟厚不等的现象可忽略，

反型层和耗尽层近似均匀Rch

=

P

→沟道等效电阻Rch不变→ID

∝

VDS

（线性区）VGS

>VTN

的某常数时，

ID

随VDS

的变化曲线输出特性曲线-线性区4.3稳态响应输出特性曲线-过渡区

脱离线性区后，

VDS

↑,

VDS对Vox的抵消作用不可忽略→

VDS造成的沟厚从源到漏越来越薄，沟道横截面A越来越小→ID

随VDS

的增长率减小（过渡区）→沟道等效电阻Rch增加=

PRch4.3稳态响应

饱和点：VGD

=

VGS

-VDS

=VT

→漏端处于临界强反型点

→漏端沟道刚好消失

→漏端反型电荷面密度≈0DS

DS(sat),

D

D(sat)

临界强反型点：

沟道夹断点(x)>

→

VGx

=VT>

→

VxS=VGS-VT=VDS(sat)

器件预夹断，

V=V

I

=

I

VDS(sat)

=

VGS

-

VT输出特性曲线-饱和点4.3稳态响应输出特性曲线-饱和区

VDS>VDS(sat)，原沟道L=反型沟道L`+夹断区ΔL=L-L`,电流夹断了吗？

（VDS-VDS(sat)

）在夹断区ΔL上产生横向电场，

电场方向

反型沟道区：可导电，有电势差VDS(sat)

，电子漂移到夹断点

漂移到夹断点的电子，在夹断区电场作用下被扫向漏极，形成ID

整个器件的电流仍存在，

大小？

由导电沟道区决定

饱和区4.3稳态响应转移特性曲线

转移特性曲线：

VDS

为>0的某常数时，

ID

随VGS

的变化曲线

VGS

越大，

ID越大沟道载流子越多，

RCH越小，相同VDS

下，

ID越大

工作区不同，电流随栅压的依赖关系不同

线性区：

ID

∝

VGS

饱和区：

ID

∝(VGS-

VT)2

NMOSFETVGS4.3频率响应分析电路频率特性的一般方法

为准确预测设计的电路性能，

需利用电路仿真软件对电路仿真验证

常用的电路仿真软件如HSPICE、PSPICE、SPECTRE

仿真：围绕器件建立电路的IV关系，数学求解

电路中元器件要用模型和模型参数来替代真正的器件

能正确反映元器件的电学特性又适于在计算机上进行数值求解

模型：器件特性的定量表达式

，可采用数学表达式、等效电路等形式

常用模型：等效电路模型（行为级模型）

模型参数：描述等效电路中各元件值4.3频率响应交流小信号跨导与漏极输出电阻

ΩS、mS或Ω-1单位表达式定义式rdsgm符号漏极输出电阻跨导参数名称②①序号跨导是MOSFET的转移特性曲线的斜率，它反映了MOSFET的栅源电压VGS对漏极电流ID的控制能力，所以反映了MOSFET的增益。4.3频率响应“黑箱”模型

等效电路模型建立方法：

首先通过器件物理分析确定器件等效电路模型的具体形式，

从代工厂获得MOSFET器件样品

再把器件看成一个“黑箱”，

测试其端点的电学特性从测试数据提取器件模型参数，

得到一等效电路模型代替相应器件

模型参数是根据代工厂工艺线制备的器件提取

生产工艺线不同，器件模型参数不同

代工厂不同，器件模型参数也不同4.3频率响应交流小信号等效电路及Y参数4.3频率响应N沟道MOSFET中的Cgd和Cgsn沟道MOSFET中的Cgdn沟道MOSFET中的Cgs当VDS=0时：当VDS=V‘GS，即饱和时：4.3频率响应最高工作频率和最高震荡频率-定义定义：使最大输出电流与输入电流相等，即最大电流增益下降到1时的频率，称为最高工作频率，记为fT

。当输出端短路时，能够得到最大输出电流。最大输出电流将随频率的提高而下降。当输出端实现共轭匹配，即RL

=rds时，能够得到最大输出功率。最大输出功率将随频率的提高而下降。定义：使最大功率增益Kpmax下降到1时的频率