《MOSFET北大微电子》PPT课件

微电子器件与IC设计,第6章 MOSFET,主要内容 MOS结构与特性 MOSFET结构与特性 MOSFET工作原理 I-V特性 交流特性,引言,MOSFET,引言,特点 单极器件、多子器件 电压控制器件 噪声低 制作工序少，隔离容易,MOSFET,6.1 MOS结构及其特性,假设： 金属和半导体的功函数差为零 氧化层里面没有电荷而且氧化层完全不导电 氧化层和半导体界面不存在任何界面态,栅极上加负电压，空穴聚集,P型半导体,氧化绝缘层,金属,空穴,栅极上加正电压，耗尽,P型半导体,氧化绝缘层,金属,电子,栅极正电压增大，表面反型,P型半导体,氧化绝缘层,金属,电子,6.1 MOS结构及其特性,MOS电容,氧化层电容,表面层电容,总电容,6.2 MOSFET的结构及其特性,1 MOSFET的基本结构 构成：半导体衬底、氧化层、金属栅极、源漏扩散区。,6.2 MOSFET的结构及其特性,MOSFET的基本结构 主要的结构参数：L, W, tox, NA.,6.2 MOSFET的结构及其特性,2、MOSFET的类型,沟道中导电的 载流子类型,N沟道 （P型衬底）,P沟道 （N型衬底）,强反型时，导电沟道中的电子漂移运动形成电流,强反型时，导电沟道中的空穴漂移运动形成电流,VG0时，是 否有导电沟道,增强型,耗尽型,VG0时，无导电沟道,VG0时，有导电沟道,（1）共有四种类型 （2）增强型MOSFET多为P沟道型，耗尽型多为N沟道型,6.2 MOSFET的结构及其特性,2、MOSFET的类型,6.2 MOSFET的基本结构及工作原理,3、MOSFET的基本工作原理,VG0：S、D之间只有微小的pn结反向电流。,VG 0：出现从栅极指向半导体的电场，表面出现耗尽层；VG增加，半导体表面出现反型层。当VDS 0，形成漏源电流IDS。,VT： VGS使半导体表面达到强反型时电压。VGSVT，表面出现导电通道。 VDS一定，VGS越大，沟道越厚，导电电子越多，沟道电流越大。,6.2 MOSFET的基本结构及工作原理,6.2.2、 MOSFET的基本工作原理,耗尽层: 表面少子浓度 表面多子浓度 强反型: 表面少子浓度 体内多子浓度 导电沟道: 强反型时漏源之间形成的导电通道 阈值电压 VT ：使半导体表面达到强反型时(ns p0) 所需的栅源电压 漏极： 载流子流出沟道 源极： 载流子流入沟道 ( 漏源电压总是使载流子 由源极流入沟道 由漏极 流出沟道 ),6.2 MOSFET的基本结构及工作原理,6.2.2、 MOSFET的基本工作原理 VDS为常数，IDSVGS VGS0， IDS0 VGSVT（阈值电压）： VGS ：P型耗尽层N反型层 VGS0：,6.3 MOSFET的阈值电压,6.3.2 强反型,6.3 MOSFET的阈值电压,6.3.2 强反型 半导体表面积累的少子浓度等于甚至超过体内多子浓度的状态 费米势： 强反型条件：,6.3 MOSFET的阈值电压,6.3.3 强反型时的电荷分布 QG：金属栅上的面电荷密度 QOX：栅绝缘层中的面电荷密度 Qn ：反型层中电子电荷面密度 QB ：半导体表面耗尽层中空间电荷面密度,6.3 MOSFET的阈值电压,6.3.4 理想状态MOSFET的阈值电压 1. 理想状态：Qox0，Vms0 2. 沟道形成时的临界状态：Qn0 3. 出现强反型后：xd xdmax,6.3 MOSFET的阈值电压,6.3.4 理想状态MOSFET的阈值电压,理想假设条件下不考虑,刚达到强反型时Qn分布在表面很薄的一层内 QnQB,单位面积栅电容,6.3 MOSFET的阈值电压,6.3.4 理想状态MOSFET的阈值电压,空间电荷区宽度 (强反型时可视为np),6.3 MOSFET的阈值电压,6.3.4 理想状态MOSFET的阈值电压,单位面积栅电容,栅氧化层厚度,6.3 MOSFET的阈值电压,6.3.4 理想状态MOSFET的阈值电压,6.3 MOSFET的阈值电压,6.3.5 实际MOSFET的阈值电压 （1）实际MOS结构的特点,6.3 MOSFET的阈值电压,6.3.5 实际MOSFET的阈值电压 （2）,NMOS：,PMOS：,6.3 MOSFET的阈值电压,6.3.5 实际MOSFET的阈值电压 （3）非平衡下之VT VDS0,6.3 MOSFET的阈值电压,6.3.5 实际MOSFET的阈值电压 （4） 衬偏电压VBS0,6.3 MOSFET的阈值电压,6.3.6影响阈值电压的因素 （1）栅电容Cox （2）接触电势 （3）衬底杂质浓度的影响 （4）氧化层电荷密度的影响,6.3 MOSFET的阈值电压,6.3.6影响阈值电压的因素 （1）栅电容Cox 选用较大介电系数的材料作栅介质膜 减小氧化层厚度,6.3 MOSFET的阈值电压,6.3.6影响阈值电压的因素 （2）接触电势 尽量使得Vms=0 用硅栅工艺（用多晶硅作栅极）,6.3 MOSFET的阈值电压,6.3.6影响阈值电压的因素 （3）衬底杂质浓度的影响 费米势： 耗尽层电荷： Vms,NMOS,PMOS,6.3 MOSFET的阈值电压,6.3.6影响阈值电压的因素 （4）氧化层电荷密度的影响,NMOS： 1）NA一定时，Qox VT （+ 0 ） 2）当 时，NA 在1015cm-3 仍是 VTn 1015cm-3， 才形成EMOS 所以，NMOS易形成耗尽型,6.3 MOSFET的阈值电压,6.3.6影响阈值电压的因素 （4）氧化层电荷密度的影响 PMOS： VTp始终小于0，为EMOS 欲PMOS成为DPMOS，可预制一层P型预反型层或利用Al2O3膜的负电荷效应，制作Al2O3/SiO2复合栅,6.4 MOSFET的电流电压特性,6.4.1 理想模型（以ENMOS为例） 一维近似，只考虑电流在y方向的流动； 强反型近似： 渐变沟道近似： 只考虑漂移电流，忽略扩散电流； 忽略沟道和衬底间的反向漏电流； 忽略源极、漏极、沟道之间的接触电阻； 考虑沟道杂质浓度均匀分布。,6.4 MOSFET的电流电压特性,6.4 MOSFET的电流电压特性,6.4.2 沟道电荷密度Qn 设沟道中某一点y的电荷密度为Qn(y)： 沟道中某一点电位为V(y)则：,6.4 MOSFET的电流电压特性,6.4.3 漂移电流IDS qn(x,y)：沟道中某点的电荷密度，n：迁移率,6.4 MOSFET的电流电压特性,6.4.3 漂移电流IDS 1、线性区： VDSVGSVT V(y)可忽略 2、可变电阻区：VDS较大，V(y)不能忽略 3、饱和区： VDS继续增大到VDSVGS-VT 沟道夹断,6.4 MOSFET的电流电压特性,6.4.4 影响电流电压特性的因素 耗尽层电容的影响 高场迁移率的影响 栅电场的影响（Ex） 横向电场(Ey)的影响,6.4 MOSFET的电流电压特性,6.4.4 影响电流电压特性的因素 （1）耗尽层电容的影响,随VDS变化,6.4 MOSFET的电流电压特性,6.4.4 影响电流电压特性的因素 （2）高场迁移率的影响 栅电场的影响（Ex）,时，,6.4 MOSFET的电流电压特性,6.4.4 影响电流电压特性的因素 （2）高场迁移率的影响 横向电场(Ey)的影响,饱和漂移速度的临界场,6.4 MOSFET的电流电压特性,6.4.5 MOSFET直流参数 1、 2、最大饱和漏源电流IDSS 3、截止漏电流 4、栅源直流输入阻抗RGS 5、导通电阻Ron,6.5 MOS的交流小信号参数,6.5.1 跨导gm 表示栅源电压对漏源电流的控制能力。 影响因素: VGS VDS 提高gm,饱和区：,6.5 MOS的交流小信号参数,6.5.2 漏导gd 反映漏源电压对漏源电流的控制能力。 表达式 1）非饱和区 2）线性区 3）饱和区 （理想） gds不为0的原因 1）沟长调制效应 2）漏区电场静电反馈效应,6.5 MOSFET交流小信号等效电路及频率特性,交流小信号下MOSFET的工作特点,6.5 MOSFET交流小信号等效电路及频率特性,6.5.3栅源电容Cgs及栅漏电容Cgd 1. Cgs：,6.5 MOSFET交流小信号等效电路及频率特性,6.5.3栅源电容Cgs及栅漏电容Cgd Cgs： 1）当VDS很小，可忽略不计时（线性区）： 2）当饱和区,6.5 MOSFET交流小信号等效电路及频率特性,6.5.3 栅源电容Cgs及栅漏电容Cgd 2. Cgd： 线性区： 饱和区：,6.5 MOSFET交流小信号等效电路及频率特性,6.5.4 MOSFET交流小信号等效电路 （1）电流方程 输入端： 输出端：,6.5 MOSFET交流小信号等效电路及频率特性,6.5.4 MOSFET交流小信号等效电路 （2）本征等效电路 Rgs=2/5 Ron 1/gd =rd,6.5 MOSFET交流小信号等效电路及频率特性,6.5.4 MOSFET交流小信号等效电路 （3）实际等效电路 RS：源极串联电阻 RD：漏极串联电阻 Cgs：栅源寄生电容 Cgd：栅漏寄生电容 CDS：漏极和衬底之间寄生电容,6.5 MOSFET交流小信号等效电路及频率特性,6.5.5 MOSFET频率特征参数 1、 跨导截止频率 （1）高频跨导gm() 电流改变量相同：,6.5 MOSFET交流小信号等效电路及频率特性,6.5.5 MOSFET频率特征参数 1、 跨导截止频率 （2）跨导截止频率：,6.5 MOSFET交流小信号等效电路及频率特性,6.5.5 MOSFET频率特征参数 2、截止频率fT 流过Cgs的电流交流短路输出电流时的频率 寄生电容的影响： fT会降低,总输入电容,6.5 MOSFET交流小信号等效电路及频率特性,6.5.5 MOSFET频率特征参数 3、提高截止频率的措施 L降低，可缩短沟道渡越时间 增大，选择高的材料，工艺用NMOS 减少界面态、表面态 采用埋沟器件，避免表面散射的影响 减小寄生电容,