第五章 MOS场效应管的特性

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1、MOS场效应管的特性上次课：第4章集成电路器件工艺§1.引言§2.双极型集成电路的基本制造工艺§3.MESFET工艺与HEMT工艺§4.CMOS集成电路的基本制造工艺§5.BiCMOS集成电路的基本制造工艺第五章MOS场效应管的特性§1.MOSFET的结构和工作原理§2.MOSFET的寄生电容§3.MOSFET的其它特性3.1噪声3.2温度3.3体效应§4.MOSFET尺寸按比例缩小§5.MOSFET的二阶效应5.1MOSFET的结构和工作原理集成电路中，有源元件有BJT、HBT、PMOS、NMOS、MESFET和HEMT鉴于当前大多数集成

2、电路采用CMOS工艺制造，掌握NMOS和PMOS两种元件特性对设计集成电路具有重要意义MOS管结构MOS管－符号和标志DSGDSGGSDDSGNMOSEnhancementNMOSPMOSDepletionEnhancementBNMOSwithBulkContactMOS管工作状态MOS管特性推导栅极电压所感应的电荷Q为这些电荷在源漏电压VDS作用下，在t时间内通过长度为L的沟道，即通过MOS管源漏间的电流为MOS管特性推导当Vgs－VT＝Vds时，近漏端的栅极有效控制电压Vge＝Vgs－VT－Vds＝0，感应电荷为0，沟道夹断，电流不会

3、增加，此时Ids为饱和电流。MOS管饱和时MOS管的IV特性曲线00.511.522.50123456x10-4VDS(V)ID(A)VGS=2.5VVGS=2.0VVGS=1.5VVGS=1.0VResistiveSaturationVDS=VGS-VT阈值电压VT阈值电压是MOS器件的一个重要参数阈值电压VT是将栅极下面的Si表面反型所必要的电压，这个电压与衬底浓度有关按MOS沟道随栅压变化形成或消失的机理，存在两种类型的MOS器件耗尽型：沟道在VGS＝0时已经存在，VT≦0增加型：沟道在VGS＝0时截止，当VGS“正”到一定程度时才导

4、通。VT>0阈值电压VT表达式经过深入研究，影响VT的因素主要有四个：材料的功函数之差SiO2层中可移动的正离子的影响氧化层中固定电荷的影响界面势阱的影响阈值电压VT在工艺确定之后，阈值电压VT主要决定于衬底的掺杂浓度：P型衬底制造NMOS，杂质浓度越大，需要赶走更多的空穴，才能形成反型层，VT值增大，因而需要精确控制掺杂浓度如果栅氧化层厚度越薄，Cox越大，电荷的影响就会降低。故现在的工艺尺寸和栅氧化层厚度越来越小5.2MOSFET的电容MOS电容结构复杂，最上面是栅极电极，中间是SiO2和P型衬底，最下面是衬底电极（欧姆接触）MOS电容

5、大小与外加电压有关Vgs<0Vgs>0Vgs增加达到VT值Vgs继续增大Vgs<0Vgs增加达到VT值Vgs继续增加MOS管电容变化曲线MOS电容计算VGSVTMOS电容是变化的MOS电容对Cg和Cd都有贡献，贡献大小取决于MOS管的工作状态非饱和状态Cg＝Cgs＋2C/3Cd＝Cdb＋C/3饱和状态Cg＝Cgs＋2C/3Cd＝Cdb5.3MOSFET的其它特性体效应温度特性噪声体效应很多情况下，源极和衬底都接地实际上，许多场合源极和衬底并不连接在一起源极不接地会

6、影响VT值，这称为体效应体效应某一CMOS工艺条件下阈值电压随源极-衬底电压变化曲线温度MOS的温度特性来源于沟道中载流子的迁移率μ和阈值电压VT随温度的变化载流子的迁移率μ随温度的变化的基本特征：T上升μ下降阈值电压VT的绝对值随温度变化的基本特征：T升高VT减小VT变化与衬底杂质浓度和氧化层厚度有关噪声噪声来源于两个部分：热噪声闪烁噪声热噪声热噪声由沟道内载流子的无规则热运动造成其等效电压值表示为由于gm与MOS的栅宽和电流成正比关系，因而增加MOS的栅宽和电流可以减小器件的热噪声闪烁噪声闪烁噪声由沟道处二氧化硅与硅界面上电子的充放

7、电引起的其等效电压值表示为增加栅长和宽，可以降低闪烁噪声两点说明有源器件的噪声特性对于小信号放大器、振荡器等模拟电路至关重要所有的FET的1/f噪声都高出相应的BJT的1/f噪声约10倍。5.4MOSFET尺寸按比例缩小为了提高器件集成度和性能，MOS管的尺寸迅速减小为了在缩小器件尺寸的同时，同时保持大尺寸器件的电流-电压特性不变，Dennard等人提出了等比例缩小规律等比例缩小规律即器件水平和垂直方向的参数以及电压按同一比例因子K等比例缩小，同时掺杂浓度按比例因子增大K倍，这就是经典的恒电场等比例缩小规律等比例缩小方案：恒电场恒电压准恒电

8、压恒电压缩减方案参数变化因子备注电压1/α电路密度α2L↓和W↓器件电流1/α功率1/α2Ids↓和Vds↓电容1/α沟道延迟1/α连线电阻α连线电容1/α连线响应时间1R↑且C