MOSFET基础MOSFET工作原理频率教案

会计学1MOSFET基础MOSFET工作原理频率11.3MOSFET原理

MOSFET分类(1)n沟道MOSFETp型衬底，n型沟道，电子导电VDS>0，使电子从源流到漏p沟道MOSFETn型衬底，p型沟道，空穴导电VDS<0，使空穴从源流到漏按照导电类型的不同可分为：2第1页/共43页11.3MOSFET原理

MOSFET分类(2)n沟道增强型MOSFET零栅压时不存在反型沟道，VTN>0n沟道耗尽型MOSFET零栅压时已存在反型沟道，VTN<0按照零栅压时有无导电沟道可分为：3第2页/共43页11.3MOSFET原理

MOSFET分类(3)p沟道增强型MOSFET零栅压时不存在反型沟道，VTP<0p沟道耗尽型MOSFET零栅压时已存在反型沟道，VTP>04第3页/共43页增强型：栅压为0时不导通N沟（正电压开启“1”导通）P沟（负电压开启“0”导通）耗尽型：栅压为0时已经导通N沟（很负才关闭）P沟（很正才关闭）5第4页/共43页11.3.2N沟道增强型MOS场效应管工作原理1.VGS对半导体表面空间电荷区状态的影响(1)

VGS

=0漏源之间相当于两个背靠背的PN结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。SBD当VGS

逐渐增大时，栅氧化层下方的半导体表面会发生什么变化？BPGSiO2SDN+N+6第5页/共43页(2)VGS

>0逐渐增大栅氧化层中的场强越来越大，它们排斥P型衬底靠近SiO2

一侧的空穴，形成由负离子组成的耗尽层。增大VGS

耗尽层变宽。当VGS继续升高时,沟道加厚，沟道电阻减少，在相同VDS的作用下，ID将进一步增加。BPGSiO2SDN+N+++--++--++++VGS--------反型层iD由于吸引了足够多P型衬底的电子，会在耗尽层和SiO2

之间形成可移动的表面电荷层——反型层、N型导电沟道。这时，在VDS的作用下就会形成ID。(3)VGS

继续增大弱反型强反型VDS7第6页/共43页阈值电压：使半导体表面达到强反型时所需加的栅源电压。用VT表示。阈值电压MOS场效应管利用VGS来控制半导体表面“感应电荷”的多少，来改变沟道电阻，从而控制漏极电流ID。

MOSFET是一种电压控制型器件。

MOSFET能够工作的关键是半导体表面必须有导电沟道，而只有表面达到强反型时才会有沟道形成。8第7页/共43页2.VDS对导电沟道的影响(VGS>VT)c.VDS=VGS–VT，即VGD=VT：靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。VDS=VDSatb.0<VDS<VGS–VT，即VGD=VGS–VDS>VT:导电沟道呈现一个楔形。靠近漏端的导电沟道减薄。VDS>0，但值较小时：VDS对沟道影响可忽略，沟道厚度均匀VDSVGSBPGN+N+SDd.VDS>VGS–VT，即VGD<VT：夹断区发生扩展，夹断点向源端移动VGD=VGS–VDSVGSEL

9第8页/共43页3.N沟道增强型MOS场效应管的特性曲线1）输出特性曲线(假设VGS=5V)

输出特性曲线非饱和区饱和区击穿区BVDSID/mAVDS/VOVGS=5VVGS=4VVGS=3V预夹断轨迹VDSat过渡区线性区(d)VDS:VGD<VTBPN+N+VDSVGSGSDL<<L

VTVGSVGD(b)VDS:

VGD>VTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVGD(c)VDS:VGD=VTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVT(a)VDS很小VGSBPGN+N+SDVDSVGSVGD≈VGS

ID=IDSat10第9页/共43页VT

VGS/VID/mAO2）转移特性曲线(假设VDS=5V)

a.VGS<VT

器件内不存在导电沟道，器件处于截止状态，没有输出电流。

b.VGS>VT

器件内存在导电沟道，器件处于导通状态，有输出电流。且VGS越大，沟道导电能力越强，输出电流越大转移特性曲线11第10页/共43页4.N沟道耗尽型MOS场效应管BPGN+N+SDSiO2

++++++1）N沟道耗尽型MOS场效应管结构1、结构2、符号SGDB12第11页/共43页ID/mAVGS/VOVP(b)转移特性IDSS(a)输出特性ID/mAVDS/VO+1VVGS=0-3V-1V-2V432151015202）基本工作原理a.当VGS=0时，VDS加正向电压，产生漏极电流ID,此时的漏极电流称为漏极饱和电流，用IDSS表示b.当VGS＞0时，ID进一步增加。c.当VGS＜0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减小。直至ID=0。对应ID=0的VGS称为夹断电压，用符号VP表示。13第12页/共43页种类符号转移特性曲线输出特性曲线

NMOS增强型耗尽型PMOS增强型耗尽型IDSGDBSGDBIDSGDBIDSGDBIDVGSIDOVTIDVGSVPIDSSOVDSID_VGS=0+__OIDVGSVTOIDVGSVPIDSSO_IDVGS=VTVDS_o_+VDSID+++OVGS=VTIDVGS=0V+_VDSo+14第13页/共43页15第14页/共43页11.3MOSFET原理

I-V特性:基本假设沟道中的电流是由漂移而非扩散产生的（长沟器件）栅氧化层中无电流缓变沟道近似，即垂直于沟道方向上的电场变化远大于平行于沟道方向上的电场变化(近似认为ｘ方向Ｅ为常数)氧化层中的所有电荷均可等效为Si-SiO2界面处的有效电荷密度耗尽层厚度沿沟道方向上是一个常数沟道中的载流子迁移率与空间坐标无关衬底与源极之间的电压为零16第15页/共43页电流密度:(漂移电流密度为)11.3MOSFET原理

I-V特性:沟道电流X方向的电流强度：反型层中平行于沟道方向的电场：17第16页/共43页11.3MOSFET原理I-V特性:电中性条件18第17页/共43页高斯定理相互抵消E5=E6=0，即使有也相互抵消E3＝0表面所在材料的介电常数某闭合表面沿闭合表面向外法线方向的电场强度该闭合表面所包围区域的总电荷量11.3MOSFET原理

I-V特性:表面电荷dxW24315619第18页/共43页11.3MOSFET原理I-V特性:氧化层电势20第19页/共43页11.3MOSFET原理I-V特性:反型层电荷与电场氧化层电势半导体表面空间电荷区的单位面积电荷氧化层中垂直于沟道方向的电场由上三式可得反型层单位面积的电荷不应是x或Vx的函数（电流连续性定律）21第20页/共43页11.3MOSFET原理

I-V特性:线性区与饱和区22第21页/共43页11.3MOSFET原理μ和VT的测试提取方法高场下迁移率随电场上升而下降存在亚阈值电流n沟耗尽型n沟增强型23第22页/共43页11.3MOSFET原理p沟增强型MOSFET的I-V特性注：Vds=-VsdVgs=-Vsg,等24第23页/共43页11.3MOSFET原理跨导(晶体管增益):模型跨导用来表征MOSFET的放大能力：令材料参数设计参数工艺参数影响跨导的因素：25第24页/共43页小节内容电流电压关系——推导跨导器件结构迁移率阈值电压WL(p350第二段有误：L增加，跨导降低)tox26第25页/共43页思考题：

试分析VGS,VDS对增强型PMOS及耗尽型PMOS导电沟道及输出电流的影响，并推导其电流电压方程。27第26页/共43页11.3MOSFET原理衬底偏置效应(1)≥0必须反偏或零偏Vsb=Vs-Vb>0,即Vb更负（这样才反偏）在沟道源端感应出来的电子全跑掉了28第27页/共43页11.3MOSFET原理衬底偏置效应(2)能带图衬底偏压表面准费米能级反型条件耗尽层电荷不同衬偏电压条件下的能带图：29第28页/共43页11.3MOSFET原理衬底偏置效应(3)现象反型层电子势能比源端电子势能高→电子更容易从反型层流到源区→达到反型所需的电子浓度需更高的栅压；反型层-衬底之间的电势差更大→表面耗尽层更宽、电荷更多→同样栅压下反型层电荷更少；表面费米能级更低→要达到强反型条件需要更大的表面势；30第29页/共43页11.3MOSFET原理衬底偏置效应(4)阈值电压负的耗尽层电荷更多需更大的正栅压才能反型，且VSB越大，VT越大体效应系数31第30页/共43页小节内容衬底偏置效应P阱更负，n管阈值上升N衬底更正，p管阈值更负此种类型偏置经常做模拟用途。例11.10：T=300K，Na=3×1016cm-3，tox=500埃，VSB=1V△VT=0.66V32第31页/共43页11.4频率限制特性交流小信号参数源极串联电阻栅源交叠电容漏极串联电阻栅漏交叠电容漏-衬底pn结电容栅源电容栅漏电容跨导寄生参数本征参数33第32页/共43页11.4频率限制特性完整的小信号等效电路共源n沟MOSFET小信号等效电路总的栅源电容总的栅漏电容与ID-VDS曲线的斜率有关34第33页/共43页11.4频率限制特性简化的小信号等效电路低频条件下只计入rs只计入本征参数低频条件下只计入rds35第34页/共43页11.4频率限制特性MOSFET频率限制因素限制因素2：对栅电极或电容充电需要时间限制因素1：沟道载流子从源到漏运动需要时间沟道渡越时间通常不是主要频率限制因素对SiMOSFET，饱和漂移速度36第35页/共43页11.4频率限制特性电流-频率关系负载电阻输入电流输出电流对栅电容充电需要时间消去电压变量VD37第36页/共43页11.4频率限制特性密勒电容等效只计入本征参数器件饱和时，Cgd=0，寄生电容成为影响输入阻抗的重要因素。38第37页/共43页11.4频率限制特截止频率推导截止频率：电流增益为1时的频率。提高频率特性：提高迁移率（100方向，工艺优质）；缩短L；减小寄生电容；增大跨导；39第38页/共43页11.5CMOS技术什么是CMOS？n沟MOSFETp沟MOSFETCMOS（ComplentaryMOS，互补CMOS）使n沟MOSFET与p沟MOSFET取长补短实现低功耗、全电平摆幅数字逻辑电路的首选工艺场氧（用作管间、互连-衬底间隔离）栅氧（用作MOS电容的介质）通常接电路最低电位通常接电路最高电位40第39页/共43页11.6小结

1MOS电容是MOSFET的核心。随表面势的不同，半导体表面可以处于堆积、平带、耗尽、本征、弱反型、强反型等状态。MOSFET导通时工作在强反型状态栅压、功函数差、氧化层电荷都