器件物理基礎PPT課件

1、12021-10-29絕緣柵型場效應管絕緣柵型場效應管MOSFET絕緣柵型絕緣柵型增強型增強型(常閉型常閉型)耗盡型耗盡型(常開型常開型)N溝道溝道P溝道溝道N溝道溝道P溝道溝道Insulated Gate Field Effect TransistorMOS管：Metal Oxide Semiconductor 利用柵源電壓的大小控制半導體表面的感生電荷的多利用柵源電壓的大小控制半導體表面的感生電荷的多少，從而改變溝道電阻，控制漏極電流的大小。少，從而改變溝道電阻，控制漏極電流的大小。第1頁/共81頁22021-10-29 N溝道增強型溝道增強型MOSFET1. 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 第2頁/共81頁3

2、2021-10-292. 工作原理工作原理00 GSDSuu, GSDSuu, 0耗盡層加厚耗盡層加厚uGS 增加增加反型層反型層吸引自由電子吸引自由電子柵極聚集正電荷柵極聚集正電荷排斥襯底空穴排斥襯底空穴剩下負離子區(qū)剩下負離子區(qū) 耗盡層耗盡層0 GSu漏源為背對的漏源為背對的PN結(jié)結(jié) 無導電溝道無導電溝道 即使即使00 DDSiu,開啟電壓 ：溝道形成的柵源電壓。)(thGSU(1) 對導電溝道的影響對導電溝道的影響.GSDSuu時時0+第3頁/共81頁42021-10-29(2) 對對 的影響的影響.DSthGSGSuUu時時)(Di)(thGSGSDSUuu)(thGSGSDSUuu)(

3、thGSGSDSUuuDSu 線性增大線性增大Di溝道從溝道從s-d逐漸變窄逐漸變窄DSu)(thGSGDUu 溝道溝道預夾斷預夾斷DSu夾斷區(qū)延長夾斷區(qū)延長 幾乎幾乎不變不變Di恒流區(qū)恒流區(qū)第4頁/共81頁52021-10-293. 特性曲線與電流方程特性曲線與電流方程 2)(1thGSGSDODUuIi。時的時的是是，其中，其中，DthGSGSDOiUuI)(2第5頁/共81頁62021-10-29FET放大電路的動態(tài)分析放大電路的動態(tài)分析一、一、FET的低頻小信號等效模型的低頻小信號等效模型 DSGSDuufi, DSUDSDGSUGSDDduuiduuidiGSDS dsUDSDmUG

4、SDruiguiGSDS1 令令dsdsgsmdUrUgI1 第6頁/共81頁72021-10-29DQDOthGSmDQDDDOthGSUthGSGSthGSDOUGSDmIIUgIiiIUUuUIuigDSDS)()()()(2 .212 小信號作用時，小信號作用時，gm與與rds的求法的求法第7頁/共81頁82021-10-29gm與與rds的求法的求法第8頁/共81頁92021-10-29二、基本共源放大電路的動態(tài)分析二、基本共源放大電路的動態(tài)分析doidmgsdgsmgsddiouRRRRgURUgURIUUA 第9頁/共81頁102021-10-292.1 MOSFET的基本概念2

5、.1.1 MOSFET開關(guān)閾值電壓是多少？當器件導通時，漏源之間的電阻有多大？這個電阻與端電壓的關(guān)系是怎樣的？總是可以用簡單的線性電阻來模擬漏和源之間的通道？器件的速度受什么因素限制？第10頁/共81頁112021-10-291. MOSFET的三種結(jié)構(gòu)簡圖圖2.1 NMOS FET結(jié)構(gòu)簡圖2.1.2 MOSFET的結(jié)構(gòu)第11頁/共81頁122021-10-29圖2.2 PMOS FET結(jié)構(gòu)簡圖第12頁/共81頁132021-10-29圖2.3 CMOS FET的結(jié)構(gòu)簡圖第13頁/共81頁142021-10-292. MOS FET結(jié)構(gòu)尺寸的通用概念W: gate widthLdrawn (L

6、): gate length(layout gate length)Leff: effective gate lengthLD:S/D side diffusion lengthW/L: aspect ratioS,D,G,B: source,drain,gate,body(bulk)第14頁/共81頁152021-10-293. MOS FET 的四種電路符號GDSBGSDBNMOSPMOS(d)第15頁/共81頁162021-10-292.2 MOS的I/V特性2.2.1.閾值電壓 先看MOS器件的工作原理:以NMOS為例來分析閾值電壓產(chǎn)生的原理.(a) VGS=0 第16頁/共81頁17

7、2021-10-29在(a)圖中，G極沒有加入電壓時，G極和sub表面之間，由于Cox的存在，構(gòu)成了一個平板電容，Cox為單位面積的柵氧電容;(b) VGS0 (c)在柵極加上正電壓后，如圖(b)所示，P-sub靠近G的空穴就被排斥，留下了不可動的負離子。這時沒有導電溝道的形成，因為沒有可移動的載流子，G和襯底間僅形成了氧化層電容和耗盡層電容的串連,如圖(c)所示。第17頁/共81頁182021-10-29（d）當VG繼續(xù)增加，界面電勢達到一定值時，就有電子從源極流向界面并最終到達漏極，導電溝道形成，晶體管打開。如圖（d）所示。這時，這個電壓值就是“閾值電壓” .THV)()(gatesubF

8、Fms oxdepFmsTHCQV 2 isubFnNqKTln (d)功函數(shù)差費米勢,MOS強反型時的表面勢為費米勢的2倍subFsidepNqQ 4耗盡區(qū)電荷(2.1)第18頁/共81頁192021-10-29PMOS器件的導通:與NFETS類似,極性相反.oxdepFmsTHCQV 2 isubFnNqKTln subFsidepNqQ 4第19頁/共81頁202021-10-292.2.2 I/V特性推導Iv我們用一個電流棒來輔助理解電流的概念.當沿電流方向的電荷密度為Qd (C/m)的電荷以速度v沿電流方向移動時,產(chǎn)生的電流為vQId* AsmmC*量量綱綱(2.2)第20頁/共81

9、頁212021-10-29 NMOS 溝道的平板電容近似與溝道電荷分布若將MOS結(jié)構(gòu)等效為一個由poly-Si和反型溝道構(gòu)成的平板電容。對均勻溝道，當VD=VS=0時，寬度為W的溝道中，單位長度上感應的可移動電荷量為式中Cox為柵極單位面積電容，WCox為單位長度柵電容.)(THGSoxdVVWCQ (2.3)第21頁/共81頁222021-10-29如果從S到D有一電壓差VDS，假設平板電容在L方向上x點的電位為V(x), 如上圖所示則有:)()(xVVVWCxQTHGSoxd(2.4) 電荷漂移速度：漂移速度 drift speed ：遷移率 mobility ：電場強度 electric

10、 field EE(2.5)dxxdVxE)()(第22頁/共81頁232021-10-29)()()()()(xExQxvxQxIddD 綜合(2.2)-(2.5)有)()( )()()(dxxdVVxVVWCdxxdVVxVVWCxInTHGSoxnTHGSoxD (2.6)DSVLVV)(,)(00邊界條件DSVVTHGSoxnLxDxdVVxVVCWdxxI00)()()( 兩邊積分可得221DSDSTHGSoxnDVVVVLWCI)( 溝道中電流是連續(xù)的恒量，即有：第23頁/共81頁242021-10-29分析：令 ,求得各拋物線的極大值在 點上，且相應各峰值電流為: )(THGSD

11、SVVV0DSDVI221)(max,THGSoxnDVVLWCI (2.7)VGS-VTH為過驅(qū)動（overdrive）電壓，只有過驅(qū)動電壓可以形成反型層電荷。THGSDSVVV時，器件工作在“三極管區(qū)”.221DSDSTHGSoxnDVVVVLWCI)( 第24頁/共81頁252021-10-29MOS器件作為邏輯工作和模擬開關(guān)，或小值線性電阻運用時，都會工作于深Triode區(qū)。此時VGS較大，MOS管的VDS很小，若滿足：DSTHGSoxnDVVVLWCI)( )(THGSDSVVV 22.2.3 MOS器件深Triode區(qū)時的導通電阻此時（2.6）簡化為：(2.8)(2.8)表明 為直

12、線關(guān)系，如圖(2.12)所示.DSDVI第25頁/共81頁262021-10-29)(THGSoxnDDSonVVLWCIVR 1(2.9)此時 D, S間體現(xiàn)為一個電阻，其阻值為：第26頁/共81頁272021-10-29（2.9）式表示：a：在滿足 的條件下，MOS管體現(xiàn)出線性電阻的特性，其直流電阻與交流動態(tài)電阻相等。b：該線性電阻大小取決與VGS，即調(diào)節(jié)VGS，可調(diào)節(jié)電阻的大小。因此我們常常把工作在這種區(qū)域的晶體管稱為“壓控晶體管”。)(2THGSDSVVV第27頁/共81頁282021-10-29討論: 一個NMOS管,若偏置電壓VGSVTH , 漏級開路(ID =0),問：此晶體管是

13、處于cut off 狀態(tài)還是其他狀態(tài)?為什么?例2.1第28頁/共81頁292021-10-29由 可知：VDS1VG0X1)()(1THGSVVXV2.2.4 MOS管在飽和區(qū)的跨導)()(xVVVWCxQTHGSoxd當 時，漏極電流怎樣變化呢？ THGSDSVVVTHGSVVxV)(時，0)(xQd，此時認為溝道夾斷 (pinch off ).THGSDSVVV的增大向源端移動。)()(2THGSVVXVVDS2VDS1VG0X2DSV時,夾斷點隨著THGSDSVVV, 溝道在 處夾斷. Lx 第29頁/共81頁302021-10-29221)(THGSoxnDVVLWCI 若LL DI

14、DSV,則與無關(guān).DSVVTHGSoxnLxDxdVVxVVCWdxxI00)()()( THGSVVVTHGSoxnLxDxdVVxVVCWdxxI00)()()( 由 時 , 相對恒定，器件工作在飽和區(qū)。)(THGSDSVVVDI(2.10)第30頁/共81頁312021-10-29221)(THGSoxnDVVLWCI (2.10)221DSDSTHGSoxnDVVVVLWCI)( 式(2.6),(2.10) 為analog CMOS design 的最基本的方程式.(2.6)它們描述了ID與工藝常數(shù) ,器件尺寸W和L以及柵和漏相對于源的電位之間的關(guān)系.oxnC第31頁/共81頁3220

15、21-10-29若 ，可以得到 不同VGS下漏電流曲線為:178GSGSGSVVV.LL 第32頁/共81頁332021-10-29221DSDSTHGSoxpDVVVVLWCI)( 221)(THGSoxpDVVLWCI 對于PMOS器件,其在三極管區(qū)和飽和區(qū)的電流方程分別表示為第33頁/共81頁342021-10-29若LL ,那么工作在飽和區(qū)的MOSFET構(gòu)成一個連接源和漏的電流源,如圖2.17所示.2121)(THGSoxnVVLWCI 2221)(THGSoxpVVLWCI 第34頁/共81頁352021-10-29 跨導gm的定義 gm是指在一定的VDS下，ID對VGS的變化率。

16、gm代表了器件的靈敏度：對于一個大的gm來說，VGS的一個微小的改變將會引起ID產(chǎn)生很大的變化。)(HTGSoxnconstVGSDmVVLWCVIgDS 當MOS器件處于飽和區(qū)時,溝道被夾斷.當VDS增大時,夾斷點向S方向移動，溝道長度由L變成了L,故飽和區(qū)電流方程中L應用L取代,但當L較大, VDS不是很高時,我們?nèi)砸訪作為MOS管的溝長.(2.11)第35頁/共81頁362021-10-29gm的變形表達式 將式兩邊平方得 所以 將乘以一個（VGS-VTH）,除以一個（VGS-VTH）得DoxnTHGSoxnoxnmILWCVVLWCLWCg 222)(.DoxnmILWCg 2)()(

17、).(HTGSDHTGSHTGSHTGSoxnmVVIVVVVVVLWCg2 (2.12)(2.13)第36頁/共81頁372021-10-29根據(jù)gm的表達式,我們可以得到如圖2.18所示的曲線,它反映了gm隨某一參數(shù)變化的特性.THGSDDoxnHTGSoxnmVVIILWCVVLWCg22 )(第37頁/共81頁382021-10-29提高gm的有效方法 提高載流子的溝道遷移率,選用高遷移率的材料,并使用遷移率高的晶面. 制作高質(zhì)量、盡可能薄的柵氧化層; 盡可能使用寬長比比較大的圖形; 減小源、漏區(qū)體電阻和歐姆接觸電阻以減小串連電阻,因為)(*DsdrsmmmRRgRggg1第38頁/共

18、81頁392021-10-29怎樣區(qū)分飽和區(qū)和三極管區(qū)?當柵壓和漏壓之差不足以形成反型層時,溝道被夾斷,器件工作在飽和區(qū).THNDGVVVTHPGDVVV對NMOS:對PMOS:第39頁/共81頁402021-10-29THGSDSVVVTHGSDSVVVTHGSVVTHGSodVVVTriode 區(qū)又稱非飽和區(qū)或線性電阻區(qū)；Saturation 區(qū)又稱飽和區(qū)；cut off 區(qū)又稱截止區(qū)；Overdrive Voltage 有時也稱Vod，它的表達式為有關(guān)的重要術(shù)語和概念：aspect ratio W/L第40頁/共81頁412021-10-29對應溝道剛剛pinch off 的情況:如果D

19、端電位增加，則溝道pinch off 的情況變?yōu)?THGSDSVVVTHGSDSVVV第41頁/共81頁422021-10-292.3 二級效應2.3.1 體效應通常,NMOS的源極和P型襯底相連,處于同一電位,如圖(a)所示.但在實際電路中（特別是Analog電路中），一些器件會處于源極和襯底電位分離的狀態(tài)。例如襯底接地，源極電位高于襯底；或源極接地，襯底接上負電位，如圖(b)所示:(a)(b)第42頁/共81頁432021-10-29的作用，襯底吸走更多的空穴，在溝道處留下更多不可動的負離子，由于柵的鏡像作用，柵上出現(xiàn)更多的正電荷，這表明襯底在反型前 被提高了，也就是閾值電壓 提高了.以源

20、極接地，襯底接負電位為例：假設 , 在反型溝道出現(xiàn)之前( )，溝道處由于柵極電壓出現(xiàn)耗盡層。時，耗盡層中的電荷數(shù)量少些；0BVBV當 后,由于0BVGVTHV0DSVVTHGVV 第43頁/共81頁442021-10-29這被稱為body effect 或back gate effect 或substrate bia effect.(源極電位和襯底電位不同,引起閾值電壓的變化)oxdepFmsTHCQV 2從 的表達式來看:THVdepQ增加了,所以 提高了.THV)(FSBFTHTHVVV 220考慮體效應后，oxsubSiCNq/ 2214030/.V 其中體效應系數(shù)對于NMOS管，F(xiàn)為正

21、,當VB比VS負時,VSB為正,VTH提高.,(2.14)第44頁/共81頁452021-10-29實際應用中，VSB只會為正值，或VB只會等于VS或低于VS，VSB被稱為sourcebody 電勢差。對PMOS管，襯底接Vdd，源極電位等于或低于Vdd。故這時VSB為負值， 且F為負 , 相應地VTH絕對值增加。)(FNFNBSpTHTHPVVV 220)(FPSBFPnTHTHNVVV 220)(FSBFTHTHVVV 220第45頁/共81頁462021-10-29考慮圖(a)所示的電路, Vin變化時, Vout將怎樣變化？第46頁/共81頁472021-10-29由 變化引起.MOS

22、FET工作于飽和區(qū)時,有效溝長 為2.3.2 溝長調(diào)制效應LLL LLLLLLLLLL/ 11122)()()(LLVVLWCVVLWCITHGSoxnTHGSoxnD 1212122 LDSV L這時,飽和區(qū)電流表達式為VDVG0LVSTHGSDSVVVL第47頁/共81頁482021-10-29由于 由 變化引起,故令LDSVDSVLL 于是可得到考慮溝道長度調(diào)制效應的飽和電流方程：)()(DSTHGSoxnDVVVLWCI 1212考慮溝長調(diào)制效應后飽和區(qū)的跨導相應修改為：HTGSDDSDoxnDSHTGSoxnGSDmVVIVILWCVVVLWCVIg2121)( )( 其中 是溝道長

23、度調(diào)制系數(shù),表示VDS對溝道L產(chǎn)生作用的大小因子。(2.15)第48頁/共81頁492021-10-29,在一定的 下, 為定值,于是有關(guān)于溝長調(diào)制效應我們應關(guān)注的問題：DSVLLDSVLL由于反比于 .DSDVI的曲線修正為：第49頁/共81頁502021-10-29器件進入飽和區(qū)后，ID隨VDS的增大而增大。越靠近x軸的曲線越平坦，越往上曲線越陡峭，增幅越大。從這個曲線可以看出：第50頁/共81頁512021-10-29MOS器件輸出電阻與溝道長度的關(guān)系:由(2.15)式求出輸出電導 221)(THGSoxnDSDVVLWCVI22121LVVWCVITHGSoxnDSD)( L1 2LI

24、VrDDSo DTHGSoxnDSDoIVVLWCVIr121112)(又因為,故有或有輸出電阻以上分析表明: 在(VGS VTH)一定時, 2Lro而在ID一定的情況下, Lro因為(2.16)第51頁/共81頁522021-10-29重要結(jié)論:MOS器件輸出電阻與溝道長度有極大的關(guān)系.在模擬電路放大器設計中,作為放大器件的MOS管及作為負載的MOS管,應取較大的溝長.特別是負載器件, L更要大一些.飽和區(qū)電流方程)()(DSTHGSoxnDVVVLWCI 1212表明一個MOS器件的溝道電流由VGS和VDS共同決定，但VDS的調(diào)節(jié)作用很微弱。作為恒流源的MOSFET來說，恒流源由VGS決定

25、，VDS對ID的調(diào)節(jié)只作為一種誤差分析。第52頁/共81頁532021-10-292.3.3 亞閾值導電性 VGS200mV后，飽和區(qū)ID-VGS平方律的特性變?yōu)橹笖?shù)的關(guān)系:TGSDVVII exp0亞閾值導電會導致較大的功率損耗。因此亞閾值工作狀態(tài)一般不可取。只在一些特殊情況，如低速低功耗的電路（如數(shù)據(jù)紀錄的電表、儀表電路等）才會用到。是一個非理想因子。(2.17)第53頁/共81頁542021-10-29前面內(nèi)容復習221)(THGSoxnDVVLWCI 221DSDSTHGSoxnDVVVVLWCI)( 1.MOS的I/V特性THGSDSVVVTHGSDSVVVTHGSVVa.,MOS管

26、截止;THGSVVb.,MOS管導通;當時,MOS管工作在三極管區(qū);時,MOS管工作在飽和區(qū);當?shù)?4頁/共81頁552021-10-29深三極管區(qū)導通電阻)(THGSoxnDDSonVVLWCIVR 1飽和區(qū)跨導THGSDDoxnHTGSoxnmVVIILWCVVLWCg22 )(第55頁/共81頁562021-10-292.MOS的二級效應a.體效應(背柵效應)源與襯底電位不同,引起閾值電壓的變化(增加).)(FSBFTHTHVVV 220b.溝長調(diào)制效應(飽和區(qū), 引起 的現(xiàn)象.)DSVL)()(DSTHGSoxnDVVVLWCI 1212THGSDDSDoxnDSHTGSoxnGSDm

27、VVIVILWCVVVLWCVIg2121)( )( 第56頁/共81頁572021-10-29 c.亞閾值導電性 VGS200mV后,飽和區(qū)ID-VGS平方律的特性變?yōu)橹笖?shù)的關(guān)系:TGSDVVII exp0第57頁/共81頁582021-10-292.4 MOS器件模型2.4.1 MOS器件版圖MOSFET的版圖由電路中的器件所要求的電特性和工藝要求的設計規(guī)則共同決定.每個晶體管的寬度和長度由電路設計決定,而L的最小值由工藝決定,版圖中其他大多數(shù)尺寸受設計規(guī)則的限制.(最小寬度,最小間距,最小包圍,最小延伸)第58頁/共81頁592021-10-29例2.5 畫出圖(a)所示電路的版圖.第5

28、9頁/共81頁602021-10-292.4.2 MOS器件電容 寄生電容模型參數(shù)Cox: 柵-溝道單位面積氧化層電容Cj: 單位結(jié)面積電容,與電壓有關(guān)Cjsw: PN結(jié)單位周長側(cè)面電容Cov: 單位柵寬覆蓋電容耗盡層單位面積電容由工藝參數(shù)算得EWmBRjjVCC/ 10第60頁/共81頁612021-10-29C1,柵和溝道之間的氧化層電容C2,襯底和溝道之間的耗盡層電容C3,C4,多晶硅柵與源漏的交疊電容C5,C6,源/漏區(qū)與襯底間的結(jié)電容于是我們可算出圖中C1-C6 分別為:oxWLCC 1)/(FsubSiNqWLC 42 ovWCCC43jswjCEWCEWCC)(265EW第61頁

29、/共81頁622021-10-29MOS電容:u圖中CSB和CDB為S-B和D-B結(jié)電容,即CSB=C5,CDB=C6;u器件關(guān)斷時，圖中CGB為氧化層電容和耗盡層電容的串聯(lián)；其他狀態(tài)時， CGB被忽略；u圖中CGD和CGS則與MOS管的工作狀態(tài)有關(guān):)/(2121CCCCCGB溝道截止時，CGS=CGD=WCov.第62頁/共81頁632021-10-29于是可提出CGS,CGD隨MOS狀態(tài)的變化圖:深 Triode 導通區(qū)，S，D溝道連成一片，將C1各分一半則得CGD和CGS. 即Triode區(qū)有CGS= CGD=WLCox/2+WCov.飽和區(qū)時,CGD=C4=WCov ,ovoxoxG

30、SWCWLCWLCCC32323第63頁/共81頁642021-10-29作業(yè)課后習題2.3, 2.4第64頁/共81頁652021-10-29前面介紹了MOS器件在各工作區(qū)的I/V特性，討論的是電流和電壓在一個大范圍內(nèi)變化的特性，它與器件電容構(gòu)成了MOSFET的大信號模型。通常我們研究器件的工作區(qū)域(工作點),輸入輸出范圍,都屬于大信號分析.若我們的討論只限于MOS器件在某一工作點附近微小變化的行為,即信號對偏置影響小，稱為小信號分析.此時MOS器件的工作模型稱小信號模型.2.4.3 MOS Small-Signal Models 第65頁/共81頁662021-10-29 MOS管的交流小

31、信號模型是以其直流工作點為基礎的。由于分析的是MOS管的交流小信號的響應，因此可以在工作點附近采用線性化的方法得出模型。小信號模型中的參數(shù)直接由直流工作點的電流、電壓決定。相同的MOS管在不同的直流工作點處得到的小信號參數(shù)是不同的。交流模型反映的是MOS管對具有一定頻率的信號的響應，它有別于MOS管的直流特性。直流模型和交流模型的關(guān)系如下圖所示：第66頁/共81頁672021-10-29MOS器件是一個壓控器件。以NMOS FET為例，它處于三個直流電壓偏置狀態(tài)：VGS 、VBS、VDS。這三個偏置電壓中任意一個發(fā)生改變，都會引起器件溝道電流的變化。電流變化與電壓變化的比率就是電導參數(shù)，因此，

32、在小信號分析中我們必須借助于三個電導參數(shù)。柵跨導:襯底跨導:溝道電導:contVVGSDmBSDSVIg,contVVDSDdsBSGSVIg,contVVBSDmbGSDSVIg,第67頁/共81頁682021-10-29(1) 不考慮二級效應時,最簡單的低頻小信號模型:DSdsBSmbGSmDScontVVDSDBScontVVBSDGScontVVGSDDvgvgvgVVIVVIVVIiBSGSGSDSBSDS , GSmGScontVVGSDDvgVVIiBSDS ,(2.19)(2.18)小信號模型（等效電路）第68頁/共81頁692021-10-29(2)考慮溝長調(diào)制效應后模型:DSdsGSmDScontVVDSDGScontVVGSDDvgvgVVIVVIiBSGSBSDS ,)()(DSTHGSoxnDVVVLWCI 1212oDDDSrIIV 1注: 器件模型中會給出,所給出的為特征尺寸下的值.不同的溝長MOS器件不同,因1/L.由(2.18)知某一給定MOS器件,工作直流偏置越大,輸出電阻越小.(2.20)第69頁/共81頁702021-10-29(3) 同時考慮溝道調(diào)制效應和body效應,模型為:其中VBS是通過影響VTH發(fā)生作用的.DSdsBSmbGSmDScontVVDSDBScontVVBSDGScontVVGSDDvgvgvgVVIV