第4章 MOS場效應(yīng)晶體管

1、第4章 MOS場效應(yīng)晶體管 4.1 MOS結(jié)構(gòu)與基本性質(zhì)4.1.1 理想MOS結(jié)構(gòu)與基本性質(zhì) MOS結(jié)構(gòu)指金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。為便于討論，規(guī)定在金屬柵上所加電壓UG相對于P型半導(dǎo)體襯底為正，稱為正向偏置電壓;反之則為反向偏置電壓。MOS 二極管結(jié)構(gòu) a) 透視圖 b) 剖面圖1.理想MOS二極管的定義與能帶1）在外加零偏壓時，金屬功函數(shù)與半導(dǎo)體函數(shù)之間沒有能量差，或兩者的功函數(shù)差qms為零 UG=0 時理想 MOS 二極管的能帶圖0)2()(FgmsmmsqEqqqqq2）在任何偏置條件下，MOS結(jié)構(gòu)中的電荷僅位于半導(dǎo)體之中，而且與鄰近氧化層的金屬表面電荷數(shù)量大小相等，但符號相反。3）氧

2、化膜是一個理想的絕緣體，電阻率為無窮大，在直流偏置條件下，氧化膜中沒有電流通過。理想 MOS 二極管不同偏壓下的能帶圖及電荷分布 積累現(xiàn)象 耗盡現(xiàn)象a) 反型現(xiàn)象2.表面勢與表面耗盡區(qū)下圖給出了P型半導(dǎo)體MOS結(jié)構(gòu)在柵極電壓UG0情況下更為詳細的能帶圖。在下面的討論中，定義與費米能級相對應(yīng)的費米勢為因此，對于P型半導(dǎo)體， 對于N型半導(dǎo)體，靜電勢的定義如圖所示qEEFiF體內(nèi))(0)ln(iAFnNqT0)ln(iDFnNqT而空穴和電子的濃度也可表示為的函數(shù)當能帶如上圖所示向下彎曲時，為正值,表面載流子的濃度分別為TqnpFiPexpTqnnFiPexpTqnnFsis(expTqnpsFis

3、(exp通過以上討論，以下各區(qū)間的表面電勢可以區(qū)分為：ss0空穴耗盡（能帶向下彎曲）；F=s 表面上正好是本征的ns=ps=niFs 反型情況（反型層中電子積累，能帶向下彎曲）。電勢與距離的關(guān)系，可由一維泊松方程求得對泊松方程積分，可得表面耗盡區(qū)的靜電勢分布為表面勢s為此電勢分布與單邊PN+結(jié)相同。Sxdxd022)(2)1 (WxsSAsWqN0223.理想MOS結(jié)構(gòu)的電容-電壓特性MOS 結(jié)構(gòu)的總電容C是由氧化膜電容COX與半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)的微分電容Cd串聯(lián)組成，如下圖所示 MOS 電容等效示意圖 在平帶條件下對應(yīng)的總電容稱為MOS 結(jié)構(gòu)的平帶電容CFB右圖表示了P型半導(dǎo)體MOS結(jié)構(gòu)的

4、理想C-U曲線 MOS電容-電壓曲線DSOXOXOXFBLtC2104.1.2 實際MOS 結(jié)構(gòu)及基本特性幾種影響理想MOS結(jié)構(gòu)的特性1.功函數(shù)差的影響左圖為幾種主要硅柵極材料的功函數(shù)差隨濃度的變化在實際的MOS結(jié)構(gòu)中，金屬-半導(dǎo)體功函數(shù)差不等于零，半導(dǎo)體能帶需向下彎曲，如圖所示，這是因為在熱平衡狀態(tài)下，金屬含正電荷，而半導(dǎo)體表面則為負電荷為了達到理想平帶狀況，需要外加一個相當于功函數(shù)差qms的電壓，使能帶變?yōu)槿缦聢D所示的狀況。 平帶情況2.氧化層中電荷的影響在通常的SiO2-Si結(jié)構(gòu)中包括以下四種情況，如下圖系統(tǒng)電荷示意圖1）界面中陷阱電荷2）氧化層中的固定電荷3）氧化層陷阱電荷4）可動離子

5、電荷當金屬-半導(dǎo)體的功函數(shù)差和氧化膜中電荷都存在時，MOS結(jié)構(gòu)的平帶電壓為OXOXmsFBCQU1. MOS 晶體管的基本結(jié)構(gòu)4.2 MOS 場效應(yīng)晶體管的工作原理與基本特性4.2.1 MOS 場效應(yīng)晶體管的基本工作原理MOS 場效應(yīng)晶體管基本結(jié)構(gòu)示意圖2. MOS管的基本工作原理MOS 場效應(yīng)晶體管的工作原理示意圖4.2.2 MOS 場效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移特性MOS 場效應(yīng)晶體管可分為以下四種類型:N溝增強型、N溝耗盡型、P溝增強型、P溝耗盡型。1. N溝增強型MOS管及轉(zhuǎn)移特性2. N溝耗盡型MOS管及轉(zhuǎn)移特性3.P溝增強型MOS管及轉(zhuǎn)移特性4. P溝耗盡型MOS管及轉(zhuǎn)移特性4.2.3 MOS

6、 場效應(yīng)晶體管的輸出特性同雙極型晶體管一樣，場效應(yīng)晶體管的許多基本特性可以通過它的特性曲線表示出來。N 溝 MOS 場效應(yīng)晶體管的偏置電壓它的輸出特性曲線則如下圖所示：下面分區(qū)進行討論：1. 可調(diào)電阻區(qū)(線性工作區(qū))可歸納為：外加?xùn)艍篣GS增大，反型層厚度增加，因而漏源電流隨UDS線性增加，其電壓-電流特性如上圖中UGS=5V曲線中的OA段所示。 UDS較小時，導(dǎo)電溝道隨UGS的變化a) UGS UT 出現(xiàn)溝道 c) UGSUT 溝道增厚2. 飽和工作區(qū)此時的電流-電壓特性對應(yīng)與特性圖中UGS=5V曲線的AB段。 導(dǎo)電溝道隨UDS的變化a) UDS很小溝道電阻式常數(shù) b) UDS=UDSat開

7、始飽和 c) UDSUDSat漏極電流不再增加可以得出使溝道夾斷進入飽和區(qū)的條件為UDSUGS-UT .3. 擊穿工作區(qū)此時的電流-電壓特性曲線對應(yīng)于特性圖中UGS=5V的BC段。 四種 MOS 晶體管的結(jié)構(gòu)、接法和特性曲線a) N溝道增強型 b) N溝道耗盡型 c) P溝道增強型 d) P溝道耗盡型 4.3 MOS場效應(yīng)晶體管的閥值電壓4.3.1 閥值電壓1. MOS 結(jié)構(gòu)中的電荷分布對于MOS 結(jié)構(gòu)的P型半導(dǎo)體，其費米勢為：左圖給出了 MOS 結(jié)構(gòu)強反型時的能帶圖和電荷分布圖。 能帶圖a) 電荷分布圖iAFnNqTln2. 理想 MOS 結(jié)構(gòu)的閥值電壓理想MOS 結(jié)構(gòu)是指忽略氧化層中的表面

8、態(tài)電荷密度，且不考慮金屬-半導(dǎo)體功函數(shù)差時的一種理想結(jié)構(gòu)。理想 MOS 結(jié)構(gòu)的閥值電壓為 FOXBTCQU20max3. 實際 MOS 結(jié)構(gòu)的閥值電壓在實際的 MOS 結(jié)構(gòu)中，存在表面態(tài)電荷密度QOX和金屬-半導(dǎo)體功函數(shù)差ms。因此，在實際MOS結(jié)構(gòu)中，必須用一部分柵壓去抵消它們的影響。才能使MOS結(jié)構(gòu)恢復(fù)到平帶狀態(tài)，達到理想MOS結(jié)構(gòu)狀態(tài)。實際 MOS 結(jié)構(gòu)的閥值電壓為：msFOXBOXFOXFBTCQQUUU22max4.3.2 影響閥值電壓的其他諸因素1. 柵氧化層厚度與質(zhì)量的影響2. 絕緣柵表面態(tài)電荷密度QOX的影響右圖為室溫下AI 柵 N溝(P溝) MOS 的UT 隨NA(ND) 和

9、QOX變化的理論曲線a) N 溝 MOS b) P 溝 MOS3. 襯底雜質(zhì)濃度的影響襯底雜質(zhì)濃度對閥值電壓的影響4. 功函數(shù)差的影響功函數(shù)差也將隨襯底雜質(zhì)濃度的變化而變化。但實驗證明，該變化的范圍并不大。從閥值電壓的表示式可知，功函數(shù)越大，閥值電壓越高。為降低閥值電壓，應(yīng)選擇功函數(shù)差較低的材料，如摻雜多晶體硅作柵電極。5. 費米勢的影響 費米勢 隨襯底雜質(zhì)濃度的變化關(guān)系綜上所述，MOS場效應(yīng)晶體管的閥值電壓與柵氧化層的厚度、質(zhì)量、表面態(tài)電荷密度、襯底摻雜濃度、功函數(shù)差和費米勢等有關(guān)。但對于結(jié)構(gòu)一定的器件，在制造工藝中，能有效調(diào)節(jié)閥值電壓的方法，主要是通過調(diào)整襯底或者溝道的摻雜濃度來實現(xiàn)的。4

10、.4 MOS 場效應(yīng)晶體管的直流伏安特性以 N溝道增強型MOS場效應(yīng)晶體管為例，推導(dǎo)其電流-電壓特性。作如下假設(shè) 源接觸電極與溝道源端、漏接觸電極與溝道漏端之間的壓降忽略不計。 溝道電流為漂移電流。 反型層中電子遷移率n為常數(shù)。 溝道與襯底PN結(jié)反響飽和電流為零。5) 當對MOS管同時施加?xùn)旁措妷篣GS和漏源電壓UDS時，柵源電壓將在垂直與溝道的x方向（見下圖）產(chǎn)生縱向電場Ex，使半導(dǎo)體表面形成反型導(dǎo)電溝道；漏源電壓將在溝道方向產(chǎn)生橫向電場Ey，在漏源之間產(chǎn)生漂移電流。N溝 MOS管的簡化截面圖4.4.1 伏安特性方程基本表示式N溝 MOS增強型的一維簡化模型前面已給出，圖中標明了各參量的代表

11、符號和參數(shù)坐標。可以得出漏電流IDS為：將上式在整個溝道內(nèi)積分，便得到MOS場效應(yīng)晶體管伏安特性方程的基本表示式。為了方便，下面將分3個區(qū)域進行討論。dyydUyUUUCWIITGSOXnyDS)()(1. 線性工作區(qū)的伏安特性線性工作區(qū)，漏源電壓很小，故溝道壓降很小，可以忽略不計，線性工作區(qū)的漏源電流則可表示為將上式積分便可得到線性區(qū)的直流伏安特性方程式)(ydUCWUUdyIOXnTGSDSDSTGSOXnDSUUULCWI2. 非飽和區(qū)伏安特性3. 飽和區(qū)的伏安特性飽和時溝道電荷和電場分布221DSDSTGSDSUUUUI221TGSDsatUUI線性工作區(qū)對應(yīng)上圖的直線段1非飽和區(qū)對應(yīng)

12、與曲線上的段2飽和區(qū)則對應(yīng)于曲線上的段34.4.2 亞閥區(qū)的伏安特性 當柵極電壓UGS稍低于閥值電壓UT，甚至UGS=0時，在柵氧化層正電荷作用下，柵下P型半導(dǎo)體的表面很可能處于弱反型狀態(tài)，溝道中仍有很小的漏電流通過。通常將柵源電壓低于閥值電壓，器件的工作狀態(tài)處于亞閥值區(qū)，流過溝道的電流成為亞閥值電流。弱反型時亞閥值電流由下式給出TqUTqUAiSASnTqUTqUPnSDSDSSDSSeeNnUqNqqTLWeenLDqETWqI12112210204.4.3 擊穿區(qū)的伏安特性與擊穿機理如圖所示，當漏源電壓UDS增高到某一值時，漏源電流就會突然增大，輸出特性曲線向上翹起而進入擊穿區(qū)。關(guān)于擊穿

13、原因，可用兩種不同的擊穿機理進行解釋：漏區(qū)與襯底之間PN結(jié)的雪崩擊穿和漏-源之間的穿通。1. 漏區(qū)-襯底之間的PN結(jié)擊穿在MOS晶體管結(jié)構(gòu)中，柵極金屬有一部分要覆蓋在漏極上。由于金屬柵的電壓一般低于漏區(qū)的電位，這就在金屬柵極與漏區(qū)之間形成附加電場，這個電場使柵極下面PN結(jié)的耗盡區(qū)電場增大，如下圖，因而使漏源耐壓大大降低。2. 漏-源穿通當溝道足夠短，并且襯底為低摻雜，若漏源電壓UDS足夠大時，使漏結(jié)耗盡區(qū)向源端擴展并與源端周圍的耗盡區(qū)相連，便發(fā)生漏-源之間的直接穿通。由穿通現(xiàn)象引起的漏源擊穿電壓為式中，NBC為襯底材料的雜質(zhì)濃度；L為溝道長度。202LqNBUSBCDSP3. 最大柵源耐壓BU

14、GS最大柵源電壓是指柵-源之間能夠承受的最高電壓，它是由柵極下面SiO2層的擊穿電壓所決定。結(jié)構(gòu)完整的SiO2發(fā)生擊穿所需的臨界電場強度因此厚度為tOX的SiO2層的擊穿電壓為實際MOS場效應(yīng)晶體管柵-源之間的擊穿電壓，將比上式的計算值更低。cmVEox/1086(max)OXOXGStEBU(max)4.4.4 輸出特性曲線與直流參數(shù)區(qū)：非飽和區(qū)。區(qū)：飽和區(qū)。區(qū)：雪崩區(qū)。區(qū)：截止區(qū)。 MOS場效應(yīng)晶體管的完整輸出特性曲線 不同USB值下的MOSFET輸出特性曲線 a) USB=0V b) USB=1V c) USB=2V d) USB=4V2. 直流參數(shù)1) 閥值電壓UT2) 飽和漏源電流I

15、DSiAOXdAOXOXmsMOSNTnNqTCXqNCQUln2max)(溝iDOXdDOXOXmsMOSPTnNqTCXqNCQUln2max)(溝202)(22TOXSTOXDSULWtULCWI飽和3) 截止漏電流4) 導(dǎo)通電阻 定義漏源電壓與漏電流之比為導(dǎo)通電阻Ron5) 柵源直流輸入阻抗RGS6) 最大耗散功率PCM MOS場效應(yīng)晶體管的耗散功率PC等于其漏源電壓和漏源電流的乘積TGSOXTGSonUUWCLUUR1)(1DSDSCIUP4.5 MOS場效應(yīng)晶體管的頻率特性4.5.1 MOS場效應(yīng)晶體管的交流小信號參數(shù)以長溝道N型MOS場效應(yīng)晶體管為例，討論低頻小信號參數(shù)，而且只考

16、慮器件的本征部分，即源區(qū)和漏壓之間的部分，其余為器件的非本征部分，這是因為MOS晶體管作用主要發(fā)生在這里。1.跨導(dǎo)gm 定義為漏源電壓一定時，漏電流的微分增量與柵源電壓微分增量之比，即它標志著MOS場效應(yīng)晶體管電壓放大本領(lǐng)，它與電壓增益KV的關(guān)系為CUGSDSmDSUIgLmGSLDSVRgURIK顯然可見,MOS管的跨導(dǎo)越大,電壓增益也越大.跨導(dǎo)的大小與各種工作狀態(tài)有關(guān). 非飽和區(qū)跨導(dǎo)gml 飽和區(qū)跨導(dǎo)gms1) 襯底跨導(dǎo)gmbmlDSgUb=()msGSTgUUb=-112202()()nmbSADSSSBSSBWgqNUUUUULme e輊-犏=+-+犏臌2. 漏-源輸出電導(dǎo)gdl1)

17、非飽和區(qū)的漏源輸出電導(dǎo)gdl2) 飽和區(qū)的漏源輸出電導(dǎo)gds飽和情況下漏區(qū)電場對溝道靜電反饋示意圖)(DSTGSdlUUUg4.5.2 MOS場效應(yīng)晶體管交流小信號等效電路MOS 場效應(yīng)晶體管的R、C分布參數(shù)模型 NMOS小信號等效電路 NMOS 小信號物理模型4.5.3 MOS 場效應(yīng)晶體管的高頻特性1. 跨導(dǎo)截止頻率gm2. 截止頻率fT3. 最高工作頻率fM21)(415152321LUUUUCRCTGsnTGSGgsgsgm2)(43LUUfTGSnT)(22TgsnMUuLf4.6 MOS場效應(yīng)晶體管的開關(guān)特性4.6.1 MOS場效應(yīng)晶體管的開關(guān)作用 電阻負載P溝MOS倒相器工作原理

18、示意圖 a) 電路 b) 工作點 倒相器的輸入、輸出波形 飽和負載增強型倒相器工作原理示意圖 a) 電路 b)工作點4.6.2 MOS場效應(yīng)晶體管的開關(guān)過程1.非本征開關(guān)過程 導(dǎo)通過程 關(guān)斷過程 2. 本征開關(guān)過程1)本征開關(guān)過程是指載流子通過溝道的傳輸所引起的大信號延遲開關(guān)過程。 電阻負載倒相器等效電路4.6.3 MOS場效應(yīng)晶體管的開關(guān)時間計算 MOS 場效應(yīng)晶體管開關(guān)波形示意圖1. 非本征開關(guān)時間表示式延遲時間td，存儲時間ts 由下列式子給出:MOS場效應(yīng)晶體管的開通時間ton和關(guān)斷時間toff基本相等，即（其中tf為下降時間）11)1ln(GGTgenindUURCt122)(1ln

19、TGGTGSgeninrUUUURCtrdontttfsofftttoffontt2. 本征延遲開關(guān)時間表示式在線性工作區(qū)，本征開通延遲時間為在飽和區(qū)，本征開通延遲時間為2233234DSTGSTGSnDSTGSTGSchUUUUUUUUUULtDSnchULt121)(1342TDSnchsUULt4.7 MOS場效應(yīng)晶體管的溫度特性4.7.1 遷移率隨溫度的變化由實驗發(fā)現(xiàn)，在MOS場效應(yīng)晶體管的反型層中，當表面感生電荷密度 時，電子和空穴的有效遷移率實際上是常數(shù)，其數(shù)值等于半導(dǎo)體內(nèi)遷移率的二分之一。實驗還發(fā)現(xiàn)，此時遷移率隨溫度上升而呈下降趨勢。另外，在強電場下，當溝道中載流子達到速度飽和時

20、，由于溫度升高，溝道載流子的散射過程加劇，有散射而損失的能量增大。因而強場下溝道載流子的飽和速度也隨溫度升高而下降，從而使短柵器件的漏電流隨溫度增加而減小。122/10sQqcm-4.7.2 閥值電壓的溫度特性0TndUdTN溝MOS閥值電壓隨溫度的變化關(guān)系為顯然，N溝器件的 ，閥值電壓隨溫度的升高而下降。 而對P溝MOS場效應(yīng)晶體管來說，其閥值電壓則隨溫度的升高而增大。實驗還證明：在-55到+125 的范圍，N溝與P溝MOS晶體管的閥值溫度都隨溫度呈線性變換.0C22)6 . 0(maxFOXBFTnCQTdTdU4.7.3 MOS場效應(yīng)晶體管幾個主要參數(shù)的溫度特性0Ta= 非飽和區(qū)的溫度特性 1）電流的溫度特性漏極電流的溫度系數(shù)為令 ,可得到零溫度的工作條件為)(2)(111dTdUUUUdTddTdIITDSTGSDSDSTdTddTdUUUUTDSTGS212) 跨導(dǎo)的溫度特性跨導(dǎo)的溫度系數(shù)為 在非飽和區(qū)內(nèi)，跨導(dǎo)溫度的變化只與遷移率的溫度特性有關(guān)，因而跨導(dǎo)的溫度系數(shù)為負，即跨導(dǎo)隨溫度的升高而下降。3) 漏電導(dǎo)的溫度特性dTd