MOSFET基础MOSFET工作原理频率CMOS.ppt

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MOSFET,原理,MOSFET,分类,(1),n,沟道,MOSFET,p,型衬底，,n,型沟道，电子导电,V,DS,0,，使电子从源流到漏,p,沟道,MOSFET,n,型衬底，,p,型沟道，空穴导电,V,DS,0,n,沟道,耗尽型,MOSFET,零栅压时已存在反型沟道，,V,TN,0,按照零栅压时有无导电沟道可分为：,5,10.3 MOSFET,原理,MOSFET,分类,(3),p,沟道,增强型,MOSFET,零栅压时不存在反型沟道，,V,TP,0,6,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）,7,10.3.2 N沟道增强型,MOS,场效应管工作原理,1.,V,GS,对半导体表面空间电荷区状态的影响,(,1,),V,GS,=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,。,S,B,D,当,V,GS,逐渐增大时，栅氧化层下方的半导体表面会发生什么变化？,B,P,G,S,i,O,2,S,D,N,+,N,+,8,(,2,),V,GS,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,SiO,2,一侧的空穴，,形成由负离子组成的耗尽层。,增大,V,GS,耗尽层变宽,。,当,V,GS,继续升高时,沟道加厚，沟道电阻减少，在相同,V,DS,的作用下，,I,D,将进一步增加。,B,P,G,S,i,O,2,S,D,N,+,N,+,+,+,-,-,+,+,-,-,+,+,+,+,V,GS,-,-,-,-,-,-,-,-,反型层,i,D,由于吸引了足够多,P,型衬底的电子，会在耗尽层和,SiO,2,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,V,DS,的作用下就会形成,I,D,。,(3)V,GS,继续增大,弱反型 强反型,V,DS,9,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,V,T,表示。,阈值电压,MOS,场效应管利用,V,GS,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,I,D,。,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。,10,2.,V,DS,对导电沟道的影响,(V,GS,V,T,),c.V,DS,=V,GS,V,T,，,即,V,GD,=V,T,：,靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断，,V,DS,=V,DSat,；,b.,0V,DS,V,T,:,导电沟道呈现一个楔形，靠近漏端的导电沟道减薄；,V,DS,0,，但值较小时：,V,DS,对沟道影响可忽略，沟道厚度均匀；,V,DS,V,GS,B,P,G,N,+,N,+,S,D,d.,V,DS,V,GS,V,T,，,即,VGD,V,T,：,夹断区发生扩展，夹断点向源端移动。,V,GD,=V,GS,V,DS,V,GS,E,L,11,3,.,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,V,GS,=5V),输出特性曲线,非饱和区,饱和区,击穿区,BV,DS,I,D,/,mA,V,DS,/,V,O,V,GS,=5V,V,GS,=4V,V,GS,=3V,预夹断轨迹,V,DSat,过渡区,线性区,(d),V,DS,:,V,GD,V,T,B,P,N,+,N,+,V,DS,V,GS,G,S,D,L,V,T,B,P,N,+,N,+,V,DS,V,GS,G,S,D,V,GS,V,GD,(c)V,DSV,GD,=,V,T,B,P,N,+,N,+,V,DS,V,GS,G,S,D,V,GS,V,T,(,a,),V,DS,很小,V,GS,B,P,G,N,+,N,+,S,D,V,DS,V,GS,V,GD,V,GS,I,D,=I,DSat,12,V,T,V,GS,/V,I,D,/mA,O,2,）转移特性曲线,(,假设,V,DS,=5V),a.V,GS,V,T,器件内存在导电沟道，器件处于,导通,状态，有输出电流。且,V,GS,越大，沟道导电能力越强，输出电流越大。,转移特性曲线,13,4.N,沟道,耗尽型,MOS,场效应管,B,P,G,N,+,N,+,S,D,SiO,2,+,（,1,）,N,沟道,耗尽型,MOS,场效应管结构,1,、结构,2,、符号,S,G,D,B,14,I,D,/,m,A,V,GS,/V,O,V,P,(b),转移特性,I,DSS,(a),输出,特性,I,D,/,mA,V,DS,/,V,O,+1V,V,GS,=0,-,3 V,-,1 V,-,2 V,4,3,2,1,5,10,15,20,（,2,）基本工作原理,a.,当,V,GS,=0,时，,V,DS,加正向电压，产生漏极电流,I,D,此时的漏极电流称为,漏极饱和电流,，用,I,DSS,表示。,b.,当,V,GS,0,时，,I,D,进一步增加,。,c.,当,V,GS,0,时，随着,V,GS,的减小漏极电流逐渐,减小,直至,I,D,=0,。对应,I,D,=0,的,V,GS,称为夹断电压，用符号,V,P,表示,。,15,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,I,D,S,G,D,B,S,G,D,B,I,D,S,G,D,B,I,D,S,G,D,B,I,D,V,GS,I,D,O,V,T,I,D,V,GS,V,P,I,DSS,O,V,DS,I,D,_,V,GS,=0,+,_,_,O,I,D,V,GS,V,T,O,I,D,V,GS,V,P,I,DSS,O,_,I,D,V,GS,=V,T,V,DS,_,o,_,+,V,DS,I,D,+,+,+,O,V,GS,=V,T,I,D,V,GS,=0V,+,_,V,DS,o,+,16,小 结,工作原理：,V,GS,：,耗尽,弱反型,强反型,V,DS,：,减薄,夹断,扩展,定性分析,17,耗尽型器件形成的原因，其基本特性与增强型器件之间的不同点,。,按照导电类型分,MOS,管分为,NMOS,和,PMOS,。,按照零栅压时有无沟道又分为,增强型和耗尽型,两种形式。,NMOS,和,PMOS,结构十分相似，只是两者的,衬底及源漏区掺杂类型刚好相反,。,特性曲线：输出特性曲线,(,非饱和区、饱和区、击穿区,),转移特性曲线,(,表征了,V,GS,对,I,D,的,控制,能力,),10.3 MOSFET,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,(,近似认为方向为常数,),氧化层中的所有电荷均可等效为,Si-SiO,2,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零,18,电流密度,:,(,漂移电流密度为,),10.3 MOSFET,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：,19,10.3 MOSFET,原理,I-V,特性,:,电中性条件,20,高斯定理,相互抵消,E,5,=E,6,=0,，即使有也相互抵消,E,3,0,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,10.3 MOSFET,原理,I-V,特性,:,表面电荷,dx,W,2,4,3,1,5,6,21,10.3 MOSFET,原理,I-V,特性,:,氧化层电势,22,10.3 MOSFET,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,V,x,的函数（电流连续性定律,）,23,10.3 MOSFET,原理,I-V,特性,:,线性区与饱和区,24,10.3 MOSFET,原理,和,V,T,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,25,存在亚阈值电流,存在亚阈值电流,存在亚阈值电流,10.3 MOSFET,原理,p,沟增强型,MOSFET,的,I-V,特性,注：,Vds=-Vsd Vgs=-Vsg,等,26,10.3 MOSFET,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：,27,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,W,L,t,ox,28,10.3 MOSFET,原理,衬底偏置效应,(1),0,必须反偏或零偏,Vsb=Vs-Vb0,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,29,10.3 MOSFET,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：,30,10.3 MOSFET,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；,31,10.3 MOSFET,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,V,SB,越大，,V,T,越大,体效应系数,32,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=310,16,cm,-3,，,t,ox,=500,埃，,V,SB,=1V,V,T,=0.66V,33,10.4,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,34,10.4,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,I,D,-V,DS,曲线的斜率有关,35,10.4,频率限制特性,简化的小信号等效电路,低频条件下只计入,r,s,只计入本征参数,低频条件下只计入,r,ds,36,10.4,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,Si MOSFET,，饱和漂移速度,37,10.4,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,V,D,38,10.4,频率限制特性,密勒电容等效,只计入本征参数,器件饱和时，,C,gd,=0,，寄生电容成为影响输入阻抗的重要因素。,39,10.4,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；,40,10.5 CMOS,技术,什么是,CMOS,？,n,沟,MOSFET,p,沟,MOSFET,CMOS,（,Complentary MOS,，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,41,10.6,小结,1,MOS,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、氧化层电荷都会引起半导体表面能带的弯曲或表面势。,表面处于平带时的栅压为平带电压，使表面处于强反型的栅压为阈值电压。阈值电压与平带电压、半导体掺杂浓度、氧化层电荷、氧化层厚度等有关。,C-V,曲线常用于表征,MOS,电容的性质，氧化层电荷使,C-V,曲线平移，界面陷阱使,C-V,曲线变缓,MOSFET,根据栅压的变化可以处于导通（强反型）或者截止状态，故可用作开关；加在栅源上的信号电压的微小变化可以引起漏源电流的较大变化，故可用作放大。,42,10.6,小结,2,MOSFET,可以分为,n,沟道、,p,沟道，增强型、耗尽型。对于不同类型的,MOSFET,，栅源电压、漏源电压、阈值电压的极性不同。,特性曲线和特性函数是描述,MOSFET,电流,-,电压特性的主要方式。跨导和截止频率是表征,MOSFET,性质的两个最重要的参数。,根据,MOSFET,的转移特性（,I,D,-,V,GS,），可分为导通区和截止区；根据,MOSFET,的输出特性（,I,D,-,V,DS,），可分为线性区、非饱和区和饱和区。,影响,MOSFET,频率特性的因素有栅电容充放电时间和载流子沟道渡越时间，通常前者是决定,MOSFET,截止频率的主要限制因素。,CMOS,技术使,n,沟,MOSFET,和,p,沟,MOSFET,的优势互补，但可能存在闩锁等不良效应。,43,44,本章作业,P306,复习题,1,2,7,P307,10.1,