Lecure 第六章MOS場效應(yīng)晶體管ppt課件

1、 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui ProvinceMOSMOS場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管及其及其I-VI-V特性特性 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui ProvinceOutline1 1、根本構(gòu)造與任務(wù)原理、根本構(gòu)造與任務(wù)原理2 2、線性區(qū)、線性區(qū)I-VI-V特性特性3 3、飽和區(qū)、飽和區(qū)I-VI-V特性特性4 4、截止

2、區(qū)、截止區(qū)I-VI-V特性特性5 5、亞閾值區(qū)、亞閾值區(qū)I-VI-V特性特性 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province場區(qū)場區(qū)有源區(qū) Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province是四端器件，氧化物柵的金屬電極是柵極。通常把源和漏下是四端器件，氧化物柵的金屬電極是柵極。通常把源和漏下方稱為場區(qū)，而把柵極下區(qū)域

3、稱為有源區(qū)。方稱為場區(qū)，而把柵極下區(qū)域稱為有源區(qū)。器件的根本參數(shù)是溝道長度器件的根本參數(shù)是溝道長度L兩個兩個PN+結(jié)之間的間隔，溝結(jié)之間的間隔，溝道寬度道寬度Z，氧化層厚度，氧化層厚度x0，結(jié)深，結(jié)深xj，以及襯底摻雜濃度，以及襯底摻雜濃度Na等。等。 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province以源極作為電壓的參考點。當漏極加上正電壓以源極作為電壓的參考點。當漏極加上正電壓VD，而柵極，而柵極未加電壓時，從源極到漏極相當于兩個背靠背的未加電壓時，從源

4、極到漏極相當于兩個背靠背的PN結(jié)。從結(jié)。從源到漏的電流只不過是反向漏電流。當柵極加上足夠大的正源到漏的電流只不過是反向漏電流。當柵極加上足夠大的正電壓電壓VG時，中間的時，中間的MOS構(gòu)造發(fā)生反型，在兩個構(gòu)造發(fā)生反型，在兩個N+區(qū)之間的區(qū)之間的P型半導(dǎo)體構(gòu)成一個外表反型層即導(dǎo)電溝道。于是源和型半導(dǎo)體構(gòu)成一個外表反型層即導(dǎo)電溝道。于是源和漏之間被能經(jīng)過大電流的漏之間被能經(jīng)過大電流的N型外表溝道銜接在一同。這個溝型外表溝道銜接在一同。這個溝道的電導(dǎo)可以用改動?xùn)烹妷簛碚{(diào)制。反面接觸道的電導(dǎo)可以用改動?xùn)烹妷簛碚{(diào)制。反面接觸(稱為下柵稱為下柵)，可以接參考電壓或負電壓，這個電壓也會影響溝道電導(dǎo)?？梢越訁?/p>

5、考電壓或負電壓，這個電壓也會影響溝道電導(dǎo)。 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Pr

6、ovince Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province1. 1. 忽略源區(qū)和漏區(qū)體電阻和電極接觸電阻。忽略源區(qū)和漏區(qū)體電阻和電極接觸電阻。2. 2. 溝道內(nèi)摻雜均勻。溝道內(nèi)摻雜均勻。3. 3. 載流子在反型層內(nèi)的遷移率為常數(shù)。載流子在反型層內(nèi)的遷移率為常數(shù)。4. 4. 長溝道近似和漸近溝道近以，即假設(shè)垂直電場和程度長溝道近似和漸近溝道近以，即假設(shè)垂直電場和程度電場是相互獨立的。電場是相互獨立的。5. 5. 長溝道近似矩形溝道近似，即沿溝道長度方向上

7、長溝道近似矩形溝道近似，即沿溝道長度方向上 溝道寬度的變化量與溝道長度相比可以忽略溝道寬度的變化量與溝道長度相比可以忽略 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province柵極上加一正電壓使半導(dǎo)體外表反型。假設(shè)加一小的漏源電壓，柵極上加一正電壓使半導(dǎo)體外表反型。假設(shè)加一小的漏源電壓，電子將經(jīng)過溝道從源流到漏。溝道的作用相當于一個電阻，且電子將經(jīng)過溝道從源流到漏。溝道的作用相當于一個電阻，且漏電流漏電流ID和漏電壓和漏電壓VD成正比，這是線性區(qū)?？捎靡粭l恒定電

8、阻成正比，這是線性區(qū)?？捎靡粭l恒定電阻的直線來表示。的直線來表示。yx Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province支撐感應(yīng)載流子電荷支撐感應(yīng)載流子電荷QI在加上源漏之間的電壓在加上源漏之間的電壓VD之后，在之后，在y處建立電位處建立電位V(y) ，感應(yīng)溝，感應(yīng)溝道電荷修正為：道電荷修正為：由于溝道內(nèi)載流子分布均勻，不存在濃度梯度，溝道電流只含由于溝道內(nèi)載流子分布均勻，不存在濃度梯度，溝道電流只含電場作用的漂移項，且漂移電流為電子電流：電場作用的漂移項

9、，且漂移電流為電子電流：)(THG0IyVVVCQ(6-5-1)(6-5-2)yyyxnqyxj),(),(nI0nDd),(xyxyxnqZIyxQZxyxnyVZqIIn0nDId),(dd無關(guān)與xyVyd/d Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Provincey(0, L); V (0, VD)積分，得：積分，得：漏電流方程，稱為薩支唐漏電流方程，稱為薩支唐(Sah)方程。是描畫方程。是描畫MOSFET非飽和非飽和區(qū)直流特性的根本方程。區(qū)直流特性的根本

10、方程。由：由：留意：該方程假設(shè)留意：該方程假設(shè)VTH與與V無關(guān)無關(guān)yQZIInD)(THG0IyVVVCQyyddVVVVVCZyId)(dTHG0nD2)(2DTHGn0DVVVVLZCID(6-5-3)(6-5-4) Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province由閾值電壓的方程：由閾值電壓的方程：由于，由于，QB與溝道電壓有關(guān)。思索溝道電壓作用：與溝道電壓有關(guān)。思索溝道電壓作用：QB修正為：修正為：Si0B00msSi0BFBTHCQCQCQVVf

11、asSiasdmaB42NqNqxqNQ2/1SiasB)(2VNqQ(6-5-6)V( 2 2fSifSiy強反型條件變化強反型條件變化 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province修正為：修正為：于是，漏電流方程需求修正，即：于是，漏電流方程需求修正，即： )( 232)2(2/3Si2/3SiD0asD00SimsGn0DVCNqVVCQVLZCID2)(2DTHGn0DVVVVLZCID(6-5-7)(6-5-7)(6-5-4)(6-5-4)

12、Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province由于導(dǎo)電溝道上存在電壓降，使柵絕緣層上的有效電壓降從源由于導(dǎo)電溝道上存在電壓降，使柵絕緣層上的有效電壓降從源端到漏端逐漸減小，當端到漏端逐漸減小，當VDS很大時，溝道壓降對有效柵壓的影很大時，溝道壓降對有效柵壓的影響不可以

13、忽略，降落在柵下各處絕緣層上的電壓不相等，反型響不可以忽略，降落在柵下各處絕緣層上的電壓不相等，反型層厚度不相等，因此導(dǎo)電溝道中各處的電子濃度不一樣，當漏層厚度不相等，因此導(dǎo)電溝道中各處的電子濃度不一樣，當漏源電壓繼續(xù)添加到漏端柵絕緣層上的有效電壓降低于外表強反源電壓繼續(xù)添加到漏端柵絕緣層上的有效電壓降低于外表強反型所需的閾值電壓型所需的閾值電壓VTH 時，漏端絕緣層中的電力線將由半導(dǎo)時，漏端絕緣層中的電力線將由半導(dǎo)體外表耗盡區(qū)中的空間電荷所終止，漏端半導(dǎo)體外表的反型層體外表耗盡區(qū)中的空間電荷所終止，漏端半導(dǎo)體外表的反型層厚度減小到零，即在漏端處溝道消逝，而只剩下耗盡區(qū)，這就厚度減小到零，即在

14、漏端處溝道消逝，而只剩下耗盡區(qū)，這就稱為溝道夾斷。稱為溝道夾斷。)(THG0IyVVVCQ Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province進一步添加漏極電壓，會使夾斷點向源端挪動，但漏電流不會顯著添加或進一步添加漏極電壓，會使夾斷點向源端挪動，但漏電流不會顯著添加或者說根本不變，到達飽和；器件的任務(wù)進入飽和區(qū)。使者說根本不變，到達飽和；器件的任務(wù)進入飽和區(qū)。使MOS管進入飽和任管進入飽和任務(wù)區(qū)所加的漏一源電壓為務(wù)區(qū)所加的漏一源電壓為VDsat 。由：由：

15、0)(THG0IyVVVCQDsatTHG)(VVVLV2)(2DTHGn0DVVVVLZCID2THG0nDsat)(2VVLZCI(6-5-9)(6-5-9)(6-5-8)(6-5-8) Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province溝道被夾斷后，當溝道被夾斷后，

16、當VGS不變時，在漏不變時，在漏-源電壓源電壓VDS VDsat后，后，隨著隨著VDS的添加只是漏端空間電荷區(qū)展寬，對溝道厚度添加幾的添加只是漏端空間電荷區(qū)展寬，對溝道厚度添加幾乎沒有作用。當漏一源電壓繼續(xù)添加到乎沒有作用。當漏一源電壓繼續(xù)添加到VDS比比VDsat大得多時，大得多時，超越夾斷點電壓超越夾斷點電壓VDsat的那部分，即的那部分，即VDSVDsat將降落將降落在漏端附近的夾斷區(qū)上，因此夾斷區(qū)將隨在漏端附近的夾斷區(qū)上，因此夾斷區(qū)將隨VDS的增大而展寬，的增大而展寬，夾斷點將隨夾斷點將隨VDS的增大而逐漸向源端挪動，柵下面半導(dǎo)體外表的增大而逐漸向源端挪動，柵下面半導(dǎo)體外表被分成反型導(dǎo)

17、電溝道區(qū)和夾斷區(qū)兩部分。被分成反型導(dǎo)電溝道區(qū)和夾斷區(qū)兩部分。導(dǎo)電溝道中的載流子在漏源電壓的作用下，源源不斷地由源端導(dǎo)電溝道中的載流子在漏源電壓的作用下，源源不斷地由源端向漏端漂移，當這些載流子經(jīng)過漂移到達夾斷點時，立刻被夾向漏端漂移，當這些載流子經(jīng)過漂移到達夾斷點時，立刻被夾斷區(qū)的強電場掃入漏區(qū)，構(gòu)成漏極電流。斷區(qū)的強電場掃入漏區(qū)，構(gòu)成漏極電流。 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province假設(shè)假設(shè)MOS管進入飽和任務(wù)區(qū)后，繼續(xù)添加管進入飽和任務(wù)區(qū)后，

18、繼續(xù)添加VDS，那么溝道夾斷點，那么溝道夾斷點向源端方向挪動，在漏端將出現(xiàn)耗盡區(qū)，耗盡區(qū)的寬度向源端方向挪動，在漏端將出現(xiàn)耗盡區(qū)，耗盡區(qū)的寬度xd 隨著隨著VDS的增大而不斷變大，經(jīng)過單邊突變結(jié)的公式可得的增大而不斷變大，經(jīng)過單邊突變結(jié)的公式可得:aTHGSDSSd)(2qNVVVLLxDsataTHGSDSSDsatdDsatDsat)(2/IqNVVVLLIxLLLLII Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province漏源飽和電流隨著溝道長度的減小漏

19、源飽和電流隨著溝道長度的減小(由于由于VDS增大，漏端耗盡增大，漏端耗盡區(qū)擴展所致區(qū)擴展所致)而增大的效應(yīng)稱為溝道長度調(diào)變效應(yīng)。這個效應(yīng)會而增大的效應(yīng)稱為溝道長度調(diào)變效應(yīng)。這個效應(yīng)會使使MOS場效應(yīng)晶體管的輸出特性曲線明顯發(fā)生傾斜，導(dǎo)致它的場效應(yīng)晶體管的輸出特性曲線明顯發(fā)生傾斜，導(dǎo)致它的輸出阻抗降低。輸出阻抗降低。 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province用溝道調(diào)制系數(shù)用溝道調(diào)制系數(shù)來描畫溝道長度調(diào)制效應(yīng)：來描畫溝道長度調(diào)制效應(yīng)：飽和區(qū)的電流飽和區(qū)

20、的電流: :DSd1VLxDsatdDsatDsat/IxLLLLII2THG2THG0nDsat)(21)(2VVVVLZCI)1 ()(21SD2THGDsatVVVI(6-77)(6-78)(6-79)LZC0n Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province假設(shè)柵電壓小于閾值電壓，不會構(gòu)成反型層，結(jié)果是假設(shè)柵電壓小于閾值電壓，不會構(gòu)成反型層，結(jié)果是MOSFETMOSFET像是背對背銜接的兩個像是背對背銜接的兩個PNPN結(jié)一樣，相互阻撓任何一方的電流結(jié)一樣，相互阻撓任何一方的電流流過。晶體管在這一任務(wù)區(qū)域與開路類似。流過。晶體管在這一任務(wù)區(qū)域與開路類似。 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province當柵極電壓略微低于閾值電壓時，溝道處于弱反型形狀，流當柵極電壓略微低于閾值電壓時