PPT《第五章 MOS 场效应管的特性》

第五章 MOS 场效应管的特性 5.

1 MOS场效应管 5.2 MOS管的阈值电压5.3 体效应 5.4 MOSFET的温度特性 5.5 MOSFET的噪声5.6 MOSFET尺寸按比例缩小5.7 MOS器件的二阶效应 5.1 MOS场效应管5.1.1 MOS管伏安特性的推导 两个PN结: 1)N型漏极与P型衬底;

2)N型源极与P型衬底. 同双极型晶体管中的PN 结 一样, 在结周围由于载流 子的扩散、漂移达到动态平 衡,而产生了耗尽层.一个电容器结构: 栅极与栅极下面的区域形成一个电容器,是MOS管的核心. 图5.1 MOSFET的三个基本几何参数 栅长:L栅宽:W氧化层厚度: tox MOSFET的三个基本几何参数 Lmin、 Wmin和tox 由工艺确定Lmin: MOS工艺的特征尺寸(feature size)决定MOSFET的速度和功耗等众多特性L和W由设计者选定通常选取L= Lmin,由此,设计者只需选取WW影响MOSFET的速度,决定电路驱动能力和功耗 MOSFET的伏安特性:电容结构 当栅极不加电压或加负电压时,栅极下面的区域保持P型导电类型,漏和源之间等效于一对背靠背的二极管,当漏源电极之间加上电压时,除了PN结的漏电流之外,不会有更多电流形成.当栅极上的正电压不断升高时,P型区内的空穴被不断地排斥到衬底方向.当栅极上的电压超过阈值电压VT,在栅极下的P型区域内就形成电子分布,建立起反型层,即N型层,把同为N型的源、漏扩散区连成一体,形成从漏极到源极的导电沟道.这时,栅极电压所感应的电荷Q为,Q=CVge式中Vge是栅极有效控制电压. 非饱和时,在漏源电压Vds作用下,这些电荷Q将在?时间内通过沟道,因此有 MOS的伏安特性??电荷在沟道中的渡越时间 ?为载流子速度,Eds= Vds/L为漏到源方向电场强度,Vds为漏到源电压. ?为载流子迁移率: ? n =

650 cm2/(V.s) ? 电子迁移率(nMOS) ? p =

240 cm2/(V.s) ? 空穴迁移率(pMOS) MOSFET的伏安特性―方程推导 非饱和情况下,通过MOS管漏源间的电流Ids为: = ?'

.?0? 栅极-沟道间 氧化层介电常数, ?'

= 4.5, ?0 = 0.88541851.10-11 C.V-1.m-1 Vge是栅级对衬底的有效控制电压其值为栅级到衬底表面的电压减VT 当Vgs-VT=Vds时,满足:Ids达到最大值Idsmax,其值为Vgs-VT=Vds,意味着近漏端的栅极有效控制电压Vge=Vgs-VT-Vds=Vgs-Vds-VT = Vgd-VT =0感应电荷为0,沟道夹断,电流不会再增大,因而,这个 Idsmax 就是饱和电流. MOS的伏安特性―漏极饱和电流 MOSFET特性曲线 在非饱和区 ? 线性工作区在饱和区 (Ids 与Vds无关) . MOSFET是平方律器件! 5.1.2 MOSFET电容的组成 MOS电容是一个相当复杂的电容,有多层介质:首先,在栅极电极下面有一层SiO2介质.SiO2下面是P型衬底,衬底是比较厚的.最后,是一个衬底电极,它同衬底之间必须是欧姆接触.MOS电容还与外加电压有关.1)当Vgs0时,栅极上的正电荷排斥了Si中的空穴,在栅极下面的Si表面上,形成了一个耗尽区. 耗尽区中没有可以自由活动的载流子,只有空穴被赶走后剩下的固定的负电荷.这些束缚电荷是分布在厚度为Xp的整个耗尽区内,而栅极上的正电荷则集中在栅极表面.这说明了MOS电容器可以看成两个电容器的串联.以SiO2为介质的电容器――Cox以耗尽层为介质的电容器――CSi 总电容C为:比原来的Cox要小些. MOS电容―束缚电荷层厚度 耗尽层电容的计算方法同PN结的耗尽层电容的计算方法相同:利用泊松公式式中NA是P型衬底中的掺杂浓度,将上式积分得耗尽区上的电位差? :从而得出束缚电荷层厚度 MOS电容 ―耗尽层电容 这时,在耗尽层中束缚电荷的总量为,它是耗尽层两侧电位差?的函数,因此,耗尽层电容为,是一个非线性电容,随电位差的增大而减小. MOS电容―耗尽层电容特性 随着Vgs的增大,排斥掉更多的空穴,耗尽层厚度Xp增大,耗尽层上的电压降?就增大,因而耗尽层电容CSi就减小.耗尽层上的电压降的增大,实际上就意味着Si表面电位势垒的下降,意味着Si表面能级的下降.一旦Si表面能级下降到P型衬底的费米能级,Si表面的半导体呈中性.这时,在Si表面,电子浓度与空穴浓度相等,成为本征半导体. MOS电容―耗尽层电容特性(续) 3)若Vgs再增大,排斥掉更多的空穴,吸引了更多的电子,使得Si表面电位下降,能级下降,达到低于P型衬底的费米能级.这时,Si表面的电子浓度超过了空穴的浓度,半导体呈N型,这就是反型层.不过,它只是一种弱反型层.因为这时电子的浓度还低于原来空穴的浓度.随着反型层的形成,来自栅极正电荷发出的电力线,已部分地落在这些电子上,耗尽层厚度的增加就减慢了,相应的MOS电容CSi的减小也减慢了. 4) 当Vgs增加,达到VT值,Si表面电位的下降,能级下降已达到P型衬底的费米能级与本征半导体能级差的二倍.它不仅抵消了空穴,成为本征半导体,而且在形成的反型层中,电子浓度已达到原先的空穴浓度这样的反型层就是强反型层.显然,耗尽层厚度不再增加,CSi也不再减小.这样, 就达到最小值Cmin. 最小的CSi是由最大的耗尽层厚度Xpmax计算出来的. MOS电容―耗尽层电容特性(续) MOS电容―凹谷特性 5)当Vgs继续增大,反型层中电子的浓度增加,来自栅极正电荷的电力线,部分落在这些电子上,落在耗尽层束缚电子上的电力线数目就有所减少.耗尽层电容将增大.两个电容串联后,C将增加.当Vgs足够大时,反型层中的电子浓度已大到能起到屏蔽作用,全部的电力线落在电子上.这时,反型层中的电子将成为一种镜面反射,感应全部负电荷,于是,C = Cox .电容曲线出现了凹谷形,如图6.2 必须指出,上述讨论未考虑到反型层中的电子是哪里来的.若该MOS电容是一个孤立的电容,这些电子只能依靠共价键的分解来提供,它是一个慢过程,ms级. MOS电容―测量 若测量电容的方法是逐点测量法―一种慢进程,那么将测量到这种凹谷曲线. 图5.2 ① ② ③ ④ ⑤ MOS电容?凹谷特性测量 若测量电容采用高频方法,譬如,扫频方法,电压变化很快.共价键就来不及瓦解,反型层就无法及时形成,于是,电容曲线就回到Cox值.然而,在大部分场合,MOS电容与n+区接在一起,有大量的电子来源,反型层可以很快形成,故不论测量频率多高,电压变化多快,电容曲线都呈凹谷形. 5.1.3 MOS电容的计算 MOS电容C仅仅是栅极对衬底的电容,不是外电路中可以观察的电容Cg, Cs 和Cd.MOS电容C对Cg,Cd有所贡献.在源极和衬底之间有结电容Csb,在漏极和衬底之间也有结电容Cdb. 另外,源极耗尽区、漏极耗尽区都渗进到栅极下面的区域.又,栅极与漏极扩散区,栅极与源极扩散区都存在着某些交迭,故客观上存在着Cgs和Cgd.当然,引出线之间还有杂散电容,可以计入Cgs和Cgd. 图5.3 Cg、Cd的值还与所加的电压有关:1)若VgsVT,沟道建立,MOS管导通.MOS电容是变化的,呈凹谷状,从Cox下降到最低点,又回到Cox.这时,MOS电容C对Cg,Cd都有贡献,它们的分配取决于MOS管的工作状态. MOS电容的计算 MOS电容的计算 若处于非饱和状态,则按1/3与2/3分配,即Cg = Cgs + 2/3CCd = Cdb +1/3C 那是因为在非饱和状态下,与栅极电荷成比例的沟道电流为 由Vgs和Vds的系数可知栅极电压Vgs对栅极电荷的影响力,与漏极电压Vds对栅极电荷的影响力为2:1的关系,故贡献将分别为 2/3与1/3 . MOS电容的计算(续) 若处于饱和状态,则表明沟道电荷已与Vds无关,沟道已夹断.那么,Cg = Cgs + 2/3 C, Cd = Cdb + 0在饱和状态下,沟道长度受到Vds的调制,L变小 MOS电容的计算(续) 当Vds增加时,L?增大,Ids增加,那是因为载流子速度增加了,它与C的分配无关.然而,L?的增大使得漏极耗尽层宽度有所增加,增大了结电容.故, Cg = Cgs + 2/3C Cd = Cdb +