第八章MOSFET

1、第八章MOSFET MOSFET的類(lèi)型 閾值電壓 直流輸出特性 跨導(dǎo) 擊穿 高頻特性 開(kāi)關(guān)特性 倒相器 二級(jí)效應(yīng)MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖()pn或耗盡型增強(qiáng)型增強(qiáng)型：柵極不加電壓時(shí)表面沒(méi)有溝道，源和漏之間不導(dǎo)通。柵極加電壓使溝道逐步形成，溝道內(nèi)載流子逐步增加，導(dǎo)電能力逐步增強(qiáng)。耗盡型：柵極不加電壓時(shí)表面就有溝道，源和漏之間處于導(dǎo)通狀態(tài)。柵極加電壓使溝道逐步耗盡，導(dǎo)電能力逐步減弱。左圖為MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖。MOSFET有增強(qiáng)型和耗盡型兩種，在左下圖中給出。MOSFET 的類(lèi)型和符號(hào)的類(lèi)型和符號(hào)NMOSPMOS增強(qiáng)型增強(qiáng)型 耗盡型耗盡型增強(qiáng)型增強(qiáng)型 耗盡型耗盡型襯底襯底pnS/Dn+p

2、+載流子載流子電子電子空穴空穴VDS+ IDSD SS D載流子運(yùn)動(dòng)方向載流子運(yùn)動(dòng)方向S DS DVT+ +符號(hào)符號(hào)GDBSGDBSGDBSGDBSMOSFET 的閾值電壓的閾值電壓oxABFBoxBBFBTCdqNVVCdQVVVmaxmax2)(2oxtoxoxoxssmsFBdxxtxCCQV0)(1其中其中功函數(shù)差功函數(shù)差smmsWWqn 溝溝 MOS（NMOS）iAoxAoxssmsTnnNqkTCdqNCQVln2maxiDoxDoxssmsTpnNqkTCdqNCQVln2maxp 溝溝 MOS（PMOS）在忽略氧化層中在忽略氧化層中 電荷電荷 (x)的情況下的情況下表面固定電荷

3、表面固定電荷SSQ,MOSFET 閾值電壓控制閾值電壓控制1. 金屬功函數(shù)金屬功函數(shù) Wm 的影響的影響金屬金屬M(fèi)gAlNiCuAuAgn+-poly p+-polyWm (eV) 3.354.14.554.75.05.14.055.152. 襯底雜質(zhì)濃度襯底雜質(zhì)濃度 NA 的影響的影響iAoxAoxssmsTnnNqkTCdqNCQVln2maxiABnNqkTVlnNA 增加增加 1 個(gè)數(shù)量級(jí)，個(gè)數(shù)量級(jí)， VB 增加增加 60 mV3. 界面固定電荷界面固定電荷 QSS 的影響的影響4. 離子注入調(diào)整閾值電壓離子注入調(diào)整閾值電壓離子注入調(diào)整離子注入調(diào)整閾值電壓閾值電壓增強(qiáng)型增強(qiáng)型耗盡型耗盡

4、型)()()()(maxmax0maxmaxdQdQdxxNNqdQBBdAAtotalBImdABqNdxxqNdQmax0max)()(其中其中oxImoxBTCqNCQViAoxAoxssmsTnnNqkTCdqNCQVln2maxRp VT）VDS 較小時(shí)較小時(shí)221DSDSTGSnoxDSVVVVLWCILWCnox跨導(dǎo)參數(shù)跨導(dǎo)參數(shù)(1) 當(dāng)當(dāng) VDS = VDSsat 時(shí)時(shí)定義定義 VDSsat VGS VT Qn(L) = 0 反型電子消失反型電子消失溝道被溝道被夾斷夾斷221TGSTGSTGSnoxDSVVVVVVLWCIMOSFET 的飽和區(qū)的飽和區(qū)Leff Ly222121

5、DSsatTGSnoxVVVLWC(2) 當(dāng)當(dāng) VDS VDS sat 時(shí)時(shí)夾斷點(diǎn)左移，有效溝道縮短夾斷點(diǎn)左移，有效溝道縮短LLLLLLeff1221DSsatDSsatDSVIIIDSsat 不飽和，不飽和，溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)NMOS（增強(qiáng)型）（增強(qiáng)型）NMOS（耗盡型）（耗盡型）PMOS（增強(qiáng)型）（增強(qiáng)型）PMOS（耗盡型）（耗盡型）四種四種 MOSFET 的輸出特性的輸出特性溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng) 溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)使輸出特性的飽和區(qū)發(fā)生傾斜。MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性的轉(zhuǎn)移特性IDSsat VGS（VDS為參量）為參量）NMOS（增強(qiáng)型）（增強(qiáng)型）輸入輸入G輸出輸出SSD注：需保證

6、注：需保證 VDS VGS VT 四種四種 MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性的轉(zhuǎn)移特性NMOS（增強(qiáng)型）（增強(qiáng)型）NMOS（耗盡型）（耗盡型）PMOS（增強(qiáng)型）（增強(qiáng)型）PMOS（耗盡型）（耗盡型）MOSFET 的跨導(dǎo)的跨導(dǎo)定義：跨導(dǎo)定義：跨導(dǎo) gmDSVGSDSmVIgS 1 西門(mén)子西門(mén)子=DSV TGSVV線(xiàn)性區(qū)線(xiàn)性區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)提高提高 gm 的途徑：的途徑：1o n tox ox Cox W/L gm 2o VGS gms MOSFET 的擊穿特性的擊穿特性1. 源漏擊穿源漏擊穿1. 源漏擊穿源漏擊穿2. 柵擊穿柵擊穿漏漏-襯底襯底pn結(jié)雪崩擊穿結(jié)雪崩擊穿溝道雪崩擊穿溝道雪崩擊穿漏源勢(shì)壘穿通漏

7、源勢(shì)壘穿通(1) 漏漏-襯底襯底 pn 結(jié)雪崩擊穿結(jié)雪崩擊穿 ( BVDS )n+n+p-SiVGSVDSAcsDSqNEBV22NA BVDS 線(xiàn)性區(qū)線(xiàn)性區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)擊穿區(qū)擊穿區(qū)MOSFET 的擊穿特性的擊穿特性(2) 溝道雪崩擊穿溝道雪崩擊穿n+n+p-SiVGS VTVDSSB.。VDS Ey 當(dāng)當(dāng) Ey Ec 時(shí)，溝道擊穿時(shí)，溝道擊穿電子：溝道電子：溝道 D 溝道溝道 SiO2空穴：溝道空穴：溝道 B(3) 漏源勢(shì)壘穿通漏源勢(shì)壘穿通n+n+p-SiVGSVDSSBE(x)x0LDsAPTVLqNV22擴(kuò)散勢(shì)擴(kuò)散勢(shì) 0.7 VDMOSFET 的柵擊穿的柵擊穿SiO2 擊穿電場(chǎng)擊穿電場(chǎng)

8、Ec = (510) 106 V/cm Eg. Cox = 1 pF，tox = 100 nm，Q = (510) 10 11 CV/cm 1056oxoxoxCtQE n+n+p-SiGDn+S柵擊穿！柵擊穿！齊納二極管齊納二極管（隧道二極管）（隧道二極管）dtdVCGDGDdtdVCGSGSMOSFET 的電容的電容n+n+GSDiGiSiDCGSOCGDOCJSCJDCGBBMOSFET 的高頻等效電路的高頻等效電路最高振蕩頻率最高振蕩頻率GSmimCgCgf22maxgmvGS+ GSDCGSgD 1S +CGD = 0（飽和區(qū)）（飽和區(qū)）vGS其中（飽和區(qū)）其中（飽和區(qū)）TGSoxn

9、mVVLWCgWLCCCoxGGS3232 考慮到實(shí)際考慮到實(shí)際 MOSFET 的寄生電容的寄生電容（尤其是柵漏交迭電容（尤其是柵漏交迭電容 CGDO），）， CGDO 作為反饋電容耦合進(jìn)作為反饋電容耦合進(jìn)Ci，GDOVmGDOGDVGSOGSmimCGgCCGCCgCgf12122max減小減小 Overlap，降低寄生電容，可采用自對(duì)準(zhǔn)多晶硅柵工藝。，降低寄生電容，可采用自對(duì)準(zhǔn)多晶硅柵工藝。MOSFET 的開(kāi)關(guān)特性的開(kāi)關(guān)特性v (t)VTvGS (t)10%90%0tontofftvDS (t)IDSVDSABMOS 倒相器開(kāi)關(guān)特性：倒相器開(kāi)關(guān)特性： Von 0（導(dǎo)通有電阻）（導(dǎo)通有電阻）

10、； 開(kāi)關(guān)速度取決于對(duì)電容的開(kāi)關(guān)速度取決于對(duì)電容的充放電和載流子渡越時(shí)間。充放電和載流子渡越時(shí)間。 Ioff 0（亞閾值電流）（亞閾值電流）；VonVoff0VDD負(fù)載線(xiàn)負(fù)載線(xiàn)+VDDvDS(t)vGS(t)+ RDC+ 幾種幾種 MOS 倒相器倒相器+VDDRDC+VDDCM2M1+VDDCM2M1+VDDCM2M1電阻負(fù)載型電阻負(fù)載型 MOS 倒相器倒相器E-E MOS 倒相器倒相器E-D MOS 倒相器倒相器CMOS 倒相器倒相器MOS 倒相器負(fù)載線(xiàn)和電壓傳輸特性倒相器負(fù)載線(xiàn)和電壓傳輸特性IDS0VDDIonVDS電阻型負(fù)載電阻型負(fù)載E-E MOSE-D MOSCMOSCMOS的結(jié)構(gòu) CM

11、OS是一個(gè)N溝MOS和一個(gè)P溝MOS組成的倒相器，它的結(jié)構(gòu)示意圖為：N-SiPN+N+p+p+CMOS 倒相器電傳輸特性倒相器電傳輸特性四種倒相器的比較 在數(shù)字電路中應(yīng)用的倒相器和前面講的開(kāi)關(guān)要求不完全相同。它的功能是：輸入低電壓到高電壓的躍變轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠妷旱降碗妷旱能S變。它的要求是：低功耗、高速度、充分利用電源電壓得到大的輸出擺幅。 從這些要求出發(fā)，CMOS的突出優(yōu)點(diǎn)是功耗低、電壓擺幅大；而E-DNMOS占用面積小、速度比較快、電壓擺幅也比較大；EE-NMOS性能最差，但是最容易制造。MOSFET按比例縮小規(guī)則集成電路技術(shù)的發(fā)展縮小器件和電路的尺寸，為了降低成本和縮短設(shè)計(jì)時(shí)間通常對(duì)MOSFET

12、采用按比例縮小規(guī)則。最簡(jiǎn)單的辦法是：把溝道長(zhǎng)度L、寬度W、氧化層厚度tox、柵電壓和漏電壓都除以某一比例系數(shù)，而雜質(zhì)濃度則乘以該比例系數(shù)。這時(shí)在縮小器件尺寸時(shí)提高了器件的工作速度和集成度而溝道內(nèi)的電場(chǎng)保持不變。按照以上的按比例縮小規(guī)則制作的器件：器件的工作速度提高倍、密度增加2倍、功耗降低2倍、閾值電壓的減小接近倍；而亞閾值電流基本不變。與此同時(shí)由于寄生電容沒(méi)有減少和互連電阻增加會(huì)使延遲時(shí)間增加。MOSFET 的二級(jí)效應(yīng)的二級(jí)效應(yīng)1o 非常數(shù)表面遷移率效應(yīng)（表面散射、柵電場(chǎng)）非常數(shù)表面遷移率效應(yīng)（表面散射、柵電場(chǎng)） ；3o 體電荷效應(yīng)；體電荷效應(yīng)；4o 溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)；溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)；5o

13、 源漏串聯(lián)電阻寄生效應(yīng)；源漏串聯(lián)電阻寄生效應(yīng)；6o 亞閾值效應(yīng)；亞閾值效應(yīng)；7o 襯偏效應(yīng)；襯偏效應(yīng)；8o 短溝道效應(yīng)。短溝道效應(yīng)。2o 漏端速度飽和效應(yīng)；漏端速度飽和效應(yīng)；9o CMOS閉鎖效應(yīng)；閉鎖效應(yīng)；亞閾值效應(yīng) 回憶我們前面假設(shè)表面呈現(xiàn)強(qiáng)反型時(shí)MOSFET溝道開(kāi)始形成，源、漏之間開(kāi)始導(dǎo)通。 實(shí)際上MOSFET源、漏之間加上電壓以后，源端PN結(jié)處于正向，就會(huì)有非平衡載流子注入，漏端PN結(jié)就會(huì)收集到注入的非平衡載流子，同時(shí)還有反向的產(chǎn)生電流（包括表面態(tài)的產(chǎn)生電流），所以在強(qiáng)反型之前源、漏之間就會(huì)有電流，這就稱(chēng)為亞閾值電流。亞閾值特性亞閾值特性溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng) 溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致飽和電流

14、區(qū)伏安特性?xún)A斜。表面遷移率和漏端速度飽和效應(yīng) 由于二氧化硅和硅的界面有許多雜質(zhì)缺陷，而且載流子被束縛在表面非常狹窄的勢(shì)阱里，所以表面載流子的遷移率比體內(nèi)要低很多。 通常硅表面的電子和空穴的遷移率約為： 垂直表面的電場(chǎng)越強(qiáng)表面遷移率越小。 漏端勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)很強(qiáng)，載流子流進(jìn)勢(shì)壘區(qū)后就會(huì)出現(xiàn)速度飽和效應(yīng)。 n = 550 950 cm2/V s p = 150 250 cm2/V s n/ p=24體電荷效前面給出MOSFET特性公式：221DSDSTGSnoxDSVVVVLWCI 在該公式中認(rèn)為溝道中耗盡層寬度是不變的，實(shí)際上由于漏端和源端存在電勢(shì)差，溝道的寬度當(dāng)然也不一樣，考慮到這個(gè)因素以后必須計(jì)

15、入溝道體電荷變化部分對(duì)閾值電壓的貢獻(xiàn)。CMOS閉鎖效應(yīng)前面看到CMOS結(jié)構(gòu)有寄生的NPNP結(jié)構(gòu)。NPNP結(jié)構(gòu)可以看作由PNP和NPN兩個(gè)晶體管的復(fù)合結(jié)構(gòu)。P NP NP P N N N P 從圖中不難看出這是一個(gè)觸發(fā)器，只要兩個(gè)晶體管共基極電流增益之和等于1，該結(jié)構(gòu)就處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)上端接正時(shí)中間的PN結(jié)是反向的，而上端接負(fù)時(shí)上下兩個(gè)PN結(jié)都是反向的，因此可以認(rèn)為它們處于截至狀態(tài)。這時(shí)電流很小，電流增益也很小，不會(huì)導(dǎo)通。如果由于電壓波動(dòng)或輻射效應(yīng)使兩端電壓瞬時(shí)超過(guò)擊穿電壓，那么該結(jié)構(gòu)將被觸發(fā)導(dǎo)通，這時(shí)電流很大。如果電壓恢復(fù)正常，由于電流比較大，電流增益比較大，所以該結(jié)構(gòu)會(huì)在比較低的電壓下保持導(dǎo)通狀態(tài)，使CMOS的電壓鎖