Ch06MOS场效应管的特性.ppt

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1、第六章MOS场效应管的特性6.1MOS场效应管6.2MOS管的阈值电压6.3影响VT值的四大因素6.4体效应6.5MOSFET的温度特性6.6MOSFET的噪声6.7MOSFET尺寸按比例缩小6.8MOS器件的二阶效应6.1MOS场效应管6.1.1MOS的基本结构两个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。器件制作在P型衬底上两个重掺杂N区形成源区和漏区重掺杂多晶硅区(Poly)作为栅极一层薄SiO2绝

2、缘层作为栅极与衬底的隔离NMOS管的有效作用就发生在栅氧下的衬底表面——导电沟道(Channel)上。NMOS管的简化结构MOSFET的三个基本几何参数栅长:L栅宽:W氧化层厚度:toxMOSFET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(featuresize)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

3、，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：µn=6

4、50cm2/(V.s)电子迁移率(nMOS)µp=240cm2/(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=0.88541851.10-11C.V-1.m-1此式常用于人工估算电路性能。MOS的伏安特性—方程分析非饱和情况下，Vds固定时，Ids是Vgs的线性函数：MOS的伏安特性—方程分析当Vgs固定时，Ids(Vds)由线性项和平方项组成：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

5、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，也称为线性工作区在饱和区(Ids与Vds无关)。MOSFET是平方律器件！6.1.2MOSFET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.MOS电容特性MOS电容的特性与栅极上所加的电

6、压紧密相关，这是因为半导体的表面状态随栅极电压的变化可处于积累层、耗尽层、反型层三种状态。1)积累层对P型衬底材料上的N型MOS器件，当Vgs<0时，栅极上的负电荷吸引衬底中的空穴趋向硅的表面，形成积累层。这时，MOS器件的结构就像平行平板电容器，栅极和高浓度空穴积累层分别是平板电容器的两个极板。由于积累层本身是和衬底相连的，所以栅电容可近似为式中:ε0——真空介电常数；εox——SiO2的相对介电常数，其值是3.9；tox——SiO2层的厚度;A——栅极的面积。2)耗尽层当0

7、面上，形成一个多数载流子空穴耗尽的负电荷区域，形成了一个耗尽层。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——Co以耗尽层为介质的电容器——Cdep这样,在耗尽状态下，栅极对衬底的总电容相当于栅氧化层电容C0和耗尽层电容Ｃdep的串联，即耗尽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