微電子器件第七章MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管

1、微 電 子 器 件 原 理第七章 MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管2第七章 MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管7.1 基本結(jié)構(gòu)和工作原理7.2 閾值電壓7.3 I-V特性和直流特性曲線7.4 頻率特性7.5 功率特性和功率MOSFET結(jié)構(gòu)7.6 開(kāi)關(guān)特性7.7 擊穿特性7.8 溫度特性7.9 短溝道和窄溝道效應(yīng)37.1 MOSFET基本結(jié)構(gòu)和工作原理一、MOSFET的基本結(jié)構(gòu)二、MOSFET的基本工作原理三、MOSFET的分類4一、MOSFET的基本結(jié)構(gòu)N溝道增強(qiáng)型MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖7.1 MOSFET基本結(jié)構(gòu)和工作原理圖7-1 n溝MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖 5一、MOSFET的基本結(jié)構(gòu)7.1 MOSFET基本結(jié)構(gòu)和工作

2、原理67一、MOSFET的基本結(jié)構(gòu)7.1 MOSFET基本結(jié)構(gòu)和工作原理87.1 MOSFET基本結(jié)構(gòu)和工作原理9二、MOSFET的基本工作原理MOSFET的基本工作原理是基于半導(dǎo)體的“表面場(chǎng)效應(yīng)” 當(dāng)當(dāng)VGS=0V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的二極管，在靠背的二極管，在D、S之間加上電壓不之間加上電壓不會(huì)在會(huì)在D、S間形成電流。間形成電流。 當(dāng)柵極加有電壓當(dāng)柵極加有電壓0VGSVT時(shí)，通過(guò)時(shí)，通過(guò)柵極和襯底間的電容作用，將靠近柵極下柵極和襯底間的電容作用，將靠近柵極下方的方的P型半導(dǎo)體中的空穴向下方排斥，出型半導(dǎo)體中的空穴向下方排斥，出現(xiàn)了一薄層負(fù)離子的耗盡層。耗盡層中的

3、現(xiàn)了一薄層負(fù)離子的耗盡層。耗盡層中的少子將向表層運(yùn)動(dòng)，但數(shù)量有限，不足以少子將向表層運(yùn)動(dòng)，但數(shù)量有限，不足以形成溝道，將漏極和源極溝通，所以不足形成溝道，將漏極和源極溝通，所以不足以形成漏極電流以形成漏極電流ID。7.1 MOSFET基本結(jié)構(gòu)和工作原理圖7-2 MOSFET的物理模型10二、MOSFET的基本工作原理7.1 MOSFET基本結(jié)構(gòu)和工作原理11二、MOSFET的基本工作原理柵源電壓對(duì)溝道的影響7.1 MOSFET基本結(jié)構(gòu)和工作原理12二、MOSFET的基本工作原理漏源電壓對(duì)溝道的影響7.1 MOSFET基本結(jié)構(gòu)和工作原理13三、MOSFET的分類類型n溝MOSFETp溝MOSFE

4、T耗盡型增強(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型襯底p型n型S、D區(qū)n+區(qū)p+區(qū)溝道載流子電子空穴VDS00IDS方向由DS由SD閾值電壓VT0VT0VT0，則則也應(yīng)減去相應(yīng)電壓也應(yīng)減去相應(yīng)電壓33347.2 MOSFET的閾值電壓二、影響MOSFET閾值電壓的諸因素分析1.偏置電壓的影響2.柵電容Cox3.功函數(shù)差ms4.襯底雜質(zhì)濃度的影響5.氧化膜中電荷的影響NA(ND)通過(guò)通過(guò)費(fèi)米勢(shì)（以及功函數(shù)）費(fèi)米勢(shì)（以及功函數(shù)）影響影響VTFoxBoxoxmsTCQCQVV 2maxiDFniAFpnNqkTnNqkTlnln 每每2個(gè)數(shù)量級(jí)約個(gè)數(shù)量級(jí)約0.1V(eV)影響不大影響不大真空真空E0EFMEcEvEFSEi

5、Ec(SiO2)Enm m oxc cc cs s csEE 0c c357.2 MOSFET的閾值電壓二、影響MOSFET閾值電壓的諸因素分析1.偏置電壓的影響2.柵電容Cox3.功函數(shù)差ms4.襯底雜質(zhì)濃度的影響5.氧化膜中電荷的影響NA(ND)通過(guò)通過(guò)場(chǎng)感應(yīng)結(jié)耗盡層空間電荷場(chǎng)感應(yīng)結(jié)耗盡層空間電荷影響影響VTFoxBoxoxmsTCQCQVV 2max210maxmax2sAdABVqNxqNQoxACNFqF ;20設(shè)體效應(yīng)系數(shù)體效應(yīng)系數(shù)msiABSFoxoxTnVnNqkTVyVCQVln2)(221 36msiABSFAoxoxoxTnVnNqkTVyVqNCCQVln2)(2212

6、10 襯底雜質(zhì)濃度越大，襯底雜質(zhì)濃度越大，其變化對(duì)其變化對(duì)VT的影響越的影響越大，是因?yàn)殡s質(zhì)濃度大，是因?yàn)殡s質(zhì)濃度越大，越不易達(dá)到表越大，越不易達(dá)到表面強(qiáng)反型。面強(qiáng)反型。同時(shí)可見(jiàn)：同時(shí)可見(jiàn)：tox通過(guò)通過(guò)Cox影響影響VT圖7-10 襯底雜質(zhì)濃度對(duì)閾值電壓的影響 37襯底反偏襯底反偏VBS通過(guò)通過(guò)NA(ND) 影響影響QBmax，從而改變從而改變VTmsiABSFAoxoxoxTnVnNqkTVyVqNCCQVln2)(221210 即不同的即不同的 NA下，下，VBS對(duì)對(duì)VT的影響也不同的影響也不同 1)22()2(21)2(2121max210210FBSFoxBFAoxBSFAoxTVC

7、QqNCVqNCV向負(fù)方向漂移（更負(fù)）增大，即隨對(duì)于向正方向漂移（更正）增大，即隨對(duì)于TpBSTpBTnBSTnBVVVQVVVQ, 0, 0MOS,溝p, 0, 0MOS,溝nmaxmax 越大下，）越大，同樣（增大；且增大，總之，TBSDATBSVVNNVV 38越大下，同樣）越大，（且增大；增大，總之，TBSDATBSVVNNVV 1.偏置電壓的影響2.柵電容Cox3.功函數(shù)差ms4.襯底雜質(zhì)濃度的影響5.氧化膜中電荷的影響圖7-11 襯底偏置電壓所產(chǎn)生的閾值 電壓漂移隨襯底濃度的變化 391.偏置電壓的影響2.柵電容Cox3.功函數(shù)差ms4.襯底雜質(zhì)濃度的影響5.氧化膜中電荷的影響iA

8、FnNqkTln imgmsnNqkTEqVln)2(1 c c210maxmax2sdBVqNxqNQ襯底雜質(zhì)濃度襯底雜質(zhì)濃度N可以通過(guò)可以通過(guò)F、Vms及及QBmax影響影響VT，其中影響其中影響最大者為最大者為QBmax，故現(xiàn)代故現(xiàn)代MOS工藝中常用離子注入技術(shù)調(diào)整工藝中常用離子注入技術(shù)調(diào)整溝道區(qū)局部溝道區(qū)局部N來(lái)調(diào)整來(lái)調(diào)整VToxsoxBTCqNCQVmax Ns為注入劑量綜上所述：綜上所述：407.2 MOSFET的閾值電壓二、影響MOSFET閾值電壓的諸因素分析1.偏置電壓的影響2.柵電容Cox3.功函數(shù)差ms4.襯底雜質(zhì)濃度的影響5.氧化膜中電荷的影響界面態(tài)電荷界面態(tài)電荷（界面陷

9、阱電荷）（界面陷阱電荷）半導(dǎo)體表面晶格周期中斷，存在“懸掛鍵”（高密度局部能級(jí)）。束縛電子帶負(fù)電荷，俘獲空穴則帶正電荷。這種由懸掛鍵引起的表面電子狀態(tài)稱為表面態(tài)，與SiO2交界，又稱界面態(tài)其帶電狀態(tài)與能帶彎曲有關(guān)，且有放電馳豫時(shí)間，應(yīng)盡量降低其密度圖7-12 SiO2-Si系統(tǒng)中的電荷41固定氧化物電荷固定氧化物電荷可動(dòng)離子電荷可動(dòng)離子電荷電離陷阱電荷電離陷阱電荷位于界面SiO2側(cè)20nm的區(qū)域內(nèi)，密度約1011cm-2，帶正電荷。一般認(rèn)為是界面附近存在未充分氧化的Si離子過(guò)剩硅離子及氧空位特點(diǎn)：固定正電荷，不隨表面勢(shì)或能帶彎曲程度而變化 與硅摻雜濃度及類型無(wú)關(guān)，與SiO2膜厚度無(wú)關(guān) 與生長(zhǎng)條

10、件（氧化速率）、退火條件和晶體取向有關(guān)起因于進(jìn)入SiO2層中的Na+、K+、Li+等輕堿金屬離子及H+離子特點(diǎn)：室溫可動(dòng)，溫度和電場(chǎng)作用可使之移動(dòng)。X-射線、射線、高能/低能電子束等照射SiO2膜時(shí)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，若同時(shí)存在電場(chǎng)，則電場(chǎng)使電子-空穴分離，正柵壓的電場(chǎng)使部分電子移向柵極并泄放，多余空穴在未被硅側(cè)電子補(bǔ)償時(shí)積聚在界面附近形成正電荷層4243 上述4種電荷的作用統(tǒng)歸于Qox等效電荷 電荷本身與半導(dǎo)體表面的距離不同，對(duì)表面狀態(tài)的影響也不同。距離越近，影響越強(qiáng)。故等效為界面處的薄層電荷 由Vms、Qox及N的共同作用使器件呈增強(qiáng)型或耗盡型對(duì)n-MOS：Qox若較大，則易為耗盡型。欲得增

11、強(qiáng)型，需控制Qox，并適當(dāng)提高襯底濃度對(duì)p-MOS：VT總是負(fù)值，易為增強(qiáng)型。欲得耗盡型，需采用特殊工藝或結(jié)構(gòu)，如制作p預(yù)反型層，或利用Al2O3膜的負(fù)電荷效應(yīng)，制作Al2O3 /SiO2復(fù)合柵等。44n當(dāng)NA1015cm-3時(shí)， VT隨NA上升明顯，且逐漸由負(fù)變正n隨Qox增大，轉(zhuǎn)變點(diǎn)對(duì)應(yīng)的NA增大n當(dāng)Qox1012cm-2時(shí)，即使NA1017cm-3，仍有VT0)，可以n提高襯底濃度NAn降低氧化層中電荷量Qox圖7-13 室溫下Al柵MOS結(jié)構(gòu)VT隨N、Qox變化的理論曲線（VBS = 0） 457.2 MOSFET的閾值電壓三、關(guān)于反型程度劃分的討論 在以前的討論中，以表面勢(shì)達(dá)到2倍費(fèi)

12、米勢(shì)，即反型層載流子濃度等于體內(nèi)多子濃度為表面強(qiáng)反型的標(biāo)志 實(shí)際上，MOS器件工作在不同的柵壓下，其反型程度和反型載流子濃度變化規(guī)律也不同圖7-6 表面電子濃度與表面勢(shì)的關(guān)系 4647kTVqikTqVpskTVqikTqVpssFsFsseneppenenn)(0)(0 MOS結(jié)構(gòu)中半導(dǎo)體表面電荷密度與表面勢(shì)的關(guān)系0000;2;0pspsFsissFspspssnppnVnpnVppnnV 反型：耗盡：平帶：48002*,2*)( 0* ：1BssFnBsFsFsFiFspnVQpnVEEV ，強(qiáng)反型很小但開(kāi)始出現(xiàn)并，弱反型，能帶由平帶彎曲至，耗盡，劃分 ，強(qiáng)反型強(qiáng)反型開(kāi)始中反型中反型開(kāi)始弱

13、反型弱反型開(kāi)始，耗盡：劃分sFFFsFFFsFFFsVqkTnqkTnqkTnVVV 2*2 ,22*2 ,2* 0*2HO MOLO圖7-14 耗盡層及反型層電荷及其總電荷 與表面勢(shì)的關(guān)系曲線49弱反型區(qū)弱反型區(qū)dVs/dVGB較大，較大，且近似為常數(shù)，而強(qiáng)反且近似為常數(shù)，而強(qiáng)反型時(shí)斜率變得很小，中型時(shí)斜率變得很小，中反型區(qū)過(guò)渡反型區(qū)過(guò)渡綜上所述：1、Vs=2F時(shí)，ns=pB0，但Qn很小，故在前述討論中忽略是合理的2、 Vs=2F時(shí)，Qn很小，以至在中反型區(qū)內(nèi)變化緩慢，其屏蔽作用 和xdmax的真正實(shí)現(xiàn)都有較大誤差。故當(dāng)VGB較大時(shí)，假定Vs=2F進(jìn)入強(qiáng)反型，才不會(huì)引入太大誤差。3、強(qiáng)反型

14、需要Qn的屏蔽作用，使xd xdmax。 Vs=2F時(shí)，ns=pB0是以所用襯底的濃度為標(biāo)準(zhǔn)，若NA很低，則ns也將很小，故是相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)，不能保證屏蔽作用。圖7-15 表面勢(shì)與柵-襯底電壓的關(guān)系50soxGVVV圖7-16 單位面積反型層電荷與柵-襯底電壓的關(guān)系 517.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲線一、MOSFET的電流-電壓特性三、MOSFET的特性曲線四、MOSFET的直流參數(shù)二、弱反型（亞閾值）區(qū)的伏安特性 527.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲線一、MOSFET的電流-電壓特性目的：方法：獲得IDS隨VGS和VDS的變化關(guān)系，即),(DSGSDSVVfI )()(

15、)()()(2)()(2)()(),()(),(),(0yxqNyQyQyQyQVyVVCyQVyVCyQVdxWyxnqyQyxJyxndABBsnFBFGSoxsFBFoxsGSxnd 其中，可求得由形成電流在電場(chǎng)作用下，溝道中根據(jù)歐姆定律： BCoxGVFB53xnnp0y1y2y3ynxyzx, y, znnn0MOSFET溝道中載流子分布示意圖溝道中載流子分布示意圖JFET溝道中載流子分布示意圖溝道中載流子分布示意圖xyy1y2y354圖7-17 n溝MOSFET結(jié)構(gòu)(a)及電荷分布(b)示意圖55假設(shè)：1.源接觸電極與溝道源端之間、漏接觸電極與溝道漏端之間的壓降可忽略2.反型層中載

16、流子的遷移率n為常數(shù)3.溝道電流為漂移電流4.溝道與襯底之間的反向泄漏電流為零5.跨過(guò)氧化層而保持反型層電荷的沿 x 方向的電場(chǎng)分量Ex與溝道中使載流子沿溝道長(zhǎng)度y方向運(yùn)動(dòng)的電場(chǎng)分量Ey無(wú)關(guān)，且 即滿足緩變溝道近似yExEyx 溝道電場(chǎng)y方向變化很小y方向電場(chǎng)也很小56計(jì)算：強(qiáng)反型情況下，離開(kāi)源端y處，表面感應(yīng)總電荷面密度Qs(y)()()(yQyQyQBns 溝道電流ID沿溝道y方向產(chǎn)生壓降V(y)，此時(shí)表面勢(shì)FsyVyV 2)()( MOS結(jié)構(gòu)強(qiáng)反型所需柵壓FBsoxGSVyVyVV )()(其中oxoxoxsoxtyECyQyV )()()(故表面開(kāi)始（已經(jīng)）強(qiáng)反型時(shí)2)()(2)()(

17、FBFGSoxsFBFoxsGSVyVVCyQVyVCyQV BCoxGVFB57此時(shí)，場(chǎng)感應(yīng)結(jié)耗盡層中（電離受主）電荷面密度2102)(2)()(FAdAByVqNyxqNyQ p-n結(jié)外加電壓p-n結(jié)接觸電勢(shì)差則)(2)()()()(maxTGSoxoxBFBFGSoxBsnVyVVCCQVyVVCyQyQyQ 說(shuō)明強(qiáng)反型后，多余的VGS用于Qn(y)由歐姆定律dydVyxnqEqyxnEyxyxJnyny),()(,(),(),( 2)()(FBFGSoxsVyVVCyQ 58dydVyQWdxyxqndydVWdxWdydVyxnqdSyxJyIdxWdSdydVyxnqEqyxnEy

18、xyxJnnxnxnnnynydd)( ),(),(),()(),()(,(),(),(00 ）積分，則有對(duì)溝道橫截面積（ DSVTGSoxnLDSTGSoxnnDSTGSoxnnDSdVyVVVCWdyIdVyVVVCWdyyIdyIdydVyVVVCWyII00)()()()()( 21)(2DSDSTGSoxnDSVVVVLCWI n溝MOSFET基本I-V方程5921)(2DSDSTGSoxnDSVVVVLCWI 件結(jié)構(gòu)和材料的參數(shù)因子，是一個(gè)取決于器稱令 LCWoxn 21)(2DSDSTGSVVVV 近似線性關(guān)系與即時(shí)，當(dāng)DSDSDSTGSDSTGSDSVIVVVIVVV,)()(

19、 因?yàn)?，?dāng)VDS很小時(shí)，溝道壓降影響甚微，溝道中各處電子濃度近似相同，整個(gè)溝道近似為一個(gè)歐姆電阻，其阻值為：TGSnoxTGSDSDSVVWLtVVIVR 1)(10 60VDSDSI IDSDSV VGSGSV VGS GS IDsatVGS-VTIDsat非飽和區(qū)非飽和區(qū)近似線性關(guān)系與即時(shí)，當(dāng)DSDSDSTGSDSTGSDSVIVVVIVVV,)()( 因?yàn)椋?dāng)VDS很小時(shí)，溝道壓降影響甚微，溝道中各處電子濃度近似相同，整個(gè)溝道近似為一個(gè)歐姆電阻，上升變緩隨項(xiàng)增大，增大，隨著DSDSDSDSVIVV221* 因?yàn)閂DS增大，溝道壓降V(y)由源到漏上升，使柵絕緣層上壓降由源到漏下降，反型層

20、逐漸減薄，QB增加，Qn減小oxoxBTGDDSGSnTGSDSVCyQVVVVLQVVV )(；0)(max）；（時(shí)，當(dāng) 此時(shí)，溝道漏端反型層消失，溝道被夾斷（預(yù)夾斷），漏極電流達(dá)最大值Idsat稱飽和漏源電流2)(2TGSDsatVVI 溝道夾斷在y=L點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)的VDS=VGS-VT，稱為飽和漏源電壓VDsat=VDsat 夾斷點(diǎn)處保持V(y)=VDsat=VGS-VT的溝道壓降，并隨VDS的增加而向源端移動(dòng)，夾斷點(diǎn)與溝道漏端之間形成夾斷區(qū));TDSGSGDTGSDSTGSDSVVVVVVVVVV 時(shí)，（當(dāng) 增加的漏源電壓降落在夾斷區(qū)上，夾斷區(qū)電場(chǎng)增大，緩變溝道近似不再成立近似在飽和區(qū)以2

21、)(2TGSDSVVI 6162關(guān)于絕緣層中的電場(chǎng)Eox：在源端在源端y=0，tox兩側(cè)壓降兩側(cè)壓降Vox為為VGS(VT)，Eox由柵極指向源極由柵極指向源極隨隨y增大，增大，V(y)，tox兩側(cè)壓降為兩側(cè)壓降為VGS-V(y), Eox由柵極指向溝道區(qū)由柵極指向溝道區(qū)在夾斷點(diǎn)，在夾斷點(diǎn)，V(y)=VGS-VT(VDsat)， tox兩側(cè)壓降為兩側(cè)壓降為VT， Eox由柵極指向溝道區(qū)由柵極指向溝道區(qū)在夾斷點(diǎn)漏端側(cè)某處在夾斷點(diǎn)漏端側(cè)某處V(y)=VGS，Vox=0， Eox=0對(duì)于耗盡型對(duì)于耗盡型nMOSFET，VTVGS，則在夾斷點(diǎn)源端側(cè)有則在夾斷點(diǎn)源端側(cè)有Eox=0金屬柵極SiO2n+n+

22、y0LtoxSDGVGSVGSV(y)0VGSVGSVGSVGS-VTEox=0VDS63曾經(jīng)假設(shè)溝道載流子遷移率為常數(shù)實(shí)際上，由于Ex的散射，以及半導(dǎo)體表面存在更多的缺陷和其它散射中心，使溝道載流子遷移率比體內(nèi)的遷移率低得多另外，遷移率的變化與垂直方向場(chǎng)強(qiáng)Ex密切相關(guān)關(guān)于溝道中載流子遷移率關(guān)于溝道中載流子遷移率64亞閾值電流亞閾值電流 ：VGSVT時(shí)，器件處于弱反型狀態(tài)的漏極電流時(shí)，器件處于弱反型狀態(tài)的漏極電流從轉(zhuǎn)移特性曲線可以看出：強(qiáng)反型導(dǎo)電到亞閾值導(dǎo)電是連續(xù)過(guò)渡的。從轉(zhuǎn)移特性曲線可以看出：強(qiáng)反型導(dǎo)電到亞閾值導(dǎo)電是連續(xù)過(guò)渡的。亞閾值電流對(duì)器件的影響：亞閾值電流對(duì)器件的影響： 1.增大截止漏

23、極電流增大截止漏極電流 2.開(kāi)關(guān)特性變壞（開(kāi)關(guān)時(shí)間）開(kāi)關(guān)特性變壞（開(kāi)關(guān)時(shí)間） 3.增大動(dòng)態(tài)功耗增大動(dòng)態(tài)功耗 4.開(kāi)關(guān)電路動(dòng)態(tài)噪聲容限開(kāi)關(guān)電路動(dòng)態(tài)噪聲容限 5.動(dòng)態(tài)電路結(jié)點(diǎn)電平的保持動(dòng)態(tài)電路結(jié)點(diǎn)電平的保持 6.信號(hào)失真以及噪聲信號(hào)失真以及噪聲弱反型狀態(tài)：弱反型狀態(tài)：FSFV 2 7.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲線二、弱反型（亞閾值）區(qū)的伏安特性 存在亞閾值電流，且與強(qiáng)反型電流規(guī)律不同。65 無(wú)論長(zhǎng)溝或短溝無(wú)論長(zhǎng)溝或短溝MOSFET，ID并不在并不在VGSVT時(shí)突然截止，時(shí)突然截止，VGSVT時(shí)仍有微（較）小電流從漏極流向源極，這個(gè)電流被稱為亞閾值電流或時(shí)仍有微（較）小電流從漏極流向源

24、極，這個(gè)電流被稱為亞閾值電流或次開(kāi)啟電流，通常用次開(kāi)啟電流，通常用IDsub表示。表示。 亞閾值導(dǎo)電與強(qiáng)反型導(dǎo)電的機(jī)構(gòu)不相同。亞閾值導(dǎo)電與強(qiáng)反型導(dǎo)電的機(jī)構(gòu)不相同。 強(qiáng)反型溝道電子的主要運(yùn)動(dòng)方式是漂移，強(qiáng)反型溝道電子的主要運(yùn)動(dòng)方式是漂移， 溝道電流的主要成分是漂溝道電流的主要成分是漂移流。移流。 而在亞閾值區(qū)，漏極電流仍然是電子電流，但是溝道電子的主要運(yùn)而在亞閾值區(qū)，漏極電流仍然是電子電流，但是溝道電子的主要運(yùn)動(dòng)方式是擴(kuò)散亞閾值電流的主要成分是擴(kuò)散流。動(dòng)方式是擴(kuò)散亞閾值電流的主要成分是擴(kuò)散流。 柵源電壓調(diào)變溝道區(qū)的表面勢(shì)，柵源電壓調(diào)變溝道區(qū)的表面勢(shì)，源區(qū)到溝道區(qū)之間源區(qū)到溝道區(qū)之間的電子勢(shì)壘高度

25、的電子勢(shì)壘高度依賴于溝道區(qū)表面勢(shì)。隨著柵極電位升高，表面勢(shì)數(shù)值增大，溝道區(qū)源依賴于溝道區(qū)表面勢(shì)。隨著柵極電位升高，表面勢(shì)數(shù)值增大，溝道區(qū)源端電子勢(shì)能降低，從源區(qū)到溝道區(qū)的電子勢(shì)壘高度因而下降，于是從源端電子勢(shì)能降低，從源區(qū)到溝道區(qū)的電子勢(shì)壘高度因而下降，于是從源 區(qū)就會(huì)向溝道區(qū)注入更多的電子，從而使亞閾值電流增大。區(qū)就會(huì)向溝道區(qū)注入更多的電子，從而使亞閾值電流增大。短溝道中的亞閾值導(dǎo)電與短溝道中的亞閾值導(dǎo)電與npn晶體管基區(qū)中的電流傳輸相似。晶體管基區(qū)中的電流傳輸相似。66670()d ( )( )(0)deeSSDSDSnnnnqVq VVnnpkTkTn yn LnIA qDA qDyLA

26、 qD nL(7-34)根據(jù)上述分析可得亞閾值漏極電流根據(jù)上述分析可得亞閾值漏極電流: 01 2220e1 ee1 e2SDSSDSqVqVnpkTkTDSSqVqVnikTkTASAqD nWkTIqELqWnkTLqqN VN (7-37)定義反型層內(nèi)電勢(shì)下降定義反型層內(nèi)電勢(shì)下降kT/q時(shí)的距離為有效溝道厚度，則近似有時(shí)的距離為有效溝道厚度，則近似有 在閾值電壓附近的弱反型區(qū)中，漏極電流隨表面勢(shì)在閾值電壓附近的弱反型區(qū)中，漏極電流隨表面勢(shì)VS的增大而以指的增大而以指數(shù)關(guān)系上升。對(duì)于漏源電壓數(shù)關(guān)系上升。對(duì)于漏源電壓VDS，當(dāng)其大于約，當(dāng)其大于約3kT/q時(shí)，其所在指數(shù)項(xiàng)迅時(shí)，其所在指數(shù)項(xiàng)迅速

27、減小而趨于零。即當(dāng)漏源電壓超過(guò)速減小而趨于零。即當(dāng)漏源電壓超過(guò)3kT/q以后，弱反型亞閾值漏極電流以后，弱反型亞閾值漏極電流幾乎與漏源電壓無(wú)關(guān)。幾乎與漏源電壓無(wú)關(guān)。 68圖7-19 長(zhǎng)溝道MOSFET的亞閾值特性6 襯底偏置(VBS)影響閾值電壓。 當(dāng)VGS VT時(shí)，亞閾值漏極電流確實(shí)是隨柵源電壓VGS的增大而呈指數(shù)規(guī)律上升，而且?guī)缀跖c漏源電壓無(wú)關(guān)。 697.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲線三、MOSFET的特性曲線1、輸出特性曲線、輸出特性曲線非飽和區(qū)非飽和區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)截止區(qū)截止區(qū)輸出特性曲線描繪IDSVDS(VGS)關(guān)系曲線分4個(gè)區(qū)：非飽和區(qū)：VDSVDsat,，IDSVDS近

28、似線性關(guān)系，可調(diào)電阻區(qū)飽和區(qū)：VDsatVDSBVDS，溝道漏端夾斷，IDS達(dá)飽和值IDsat截止區(qū)：半導(dǎo)體表面沒(méi)有強(qiáng)反型導(dǎo)電溝道，僅有反向漏電流擊穿區(qū)：反偏漏-襯結(jié)擊穿，IDS劇增70圖(a)是以襯底電位為參考點(diǎn)，以VGB為參量的輸出特性圖(b)是以源極電位為參考點(diǎn)，以VGS為參量的輸出特性由于參考電位的不同，圖(a)相當(dāng)于圖(b)向右平移VSB，即VDB比VDS大VSB， VDB=VDS+VSB同時(shí)，VGB=VGS+VSB（左、右兩圖中對(duì)應(yīng)曲線的溝道導(dǎo)電狀況相同）襯底偏置（背柵）的作用襯底偏置（背柵）的作用71均以源極為參考電位時(shí)，隨襯底反偏增大，漏極電流減小均以源極為參考電位時(shí)，隨襯底反

29、偏增大，漏極電流減小 襯底反偏增大使半導(dǎo)體表面耗盡層加寬，電荷增加，反型溝道中襯底反偏增大使半導(dǎo)體表面耗盡層加寬，電荷增加，反型溝道中載流子（電荷）減少，導(dǎo)電能力減小載流子（電荷）減少，導(dǎo)電能力減小21)(2DSDSTGSoxnDSVVVVLCWI msiABSsAoxoxoxTnVnNqkTVyVVqNCCQVln2)(21210計(jì)算電流-電壓方程時(shí)僅考慮了V(y)的作用，未計(jì)入VBS圖7-21 不同VSB值下的MOSFET輸出特性曲線 727.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲線三、MOSFET的特性曲線2、轉(zhuǎn)移特性曲線、轉(zhuǎn)移特性曲線 作為電壓控制器件，轉(zhuǎn)移作為電壓控制器件，轉(zhuǎn)移特性

30、表征柵源輸入電壓特性表征柵源輸入電壓VGS對(duì)對(duì)漏源輸出電流漏源輸出電流IDS的控制能力的控制能力 與與JFET一樣，一樣，MOSFET的轉(zhuǎn)移特性可從輸出特性曲的轉(zhuǎn)移特性可從輸出特性曲線族上得到線族上得到耗盡型MOSFET增強(qiáng)型MOSFET73耗盡型增強(qiáng)型P溝n溝P溝n溝電路符號(hào)電路符號(hào)轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性輸出特性輸出特性747.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲線四、MOSFET的直流參數(shù)1、閾值電壓閾值電壓VTFoxBoxoxmsTCQCQVV 2maxiDoxdDoxoxmsTpiAoxdAoxoxmsTnnNqkTCxqNCQVVnNqkTCxqNCQVVln2ln2maxmaxiAB

31、SFAoxoxoxmsTnnNqkTVyVqNCCQVVln2)(221210對(duì)耗盡型器件，又稱對(duì)耗盡型器件，又稱夾斷電壓夾斷電壓；對(duì)增強(qiáng)型器件，又稱；對(duì)增強(qiáng)型器件，又稱開(kāi)啟電壓開(kāi)啟電壓它是通過(guò)它是通過(guò)VGS的變化，使導(dǎo)電溝道產(chǎn)生的變化，使導(dǎo)電溝道產(chǎn)生/消失的臨界電壓，是消失的臨界電壓，是VGS能夠：能夠：抵消金抵消金-半接觸電勢(shì)差半接觸電勢(shì)差補(bǔ)償氧化層中電荷補(bǔ)償氧化層中電荷建立耗盡層電荷（感應(yīng)建立耗盡層電荷（感應(yīng)結(jié)）結(jié)）提供反型的提供反型的2倍費(fèi)米勢(shì)倍費(fèi)米勢(shì)757.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲線四、MOSFET的直流參數(shù)2、零柵壓、零柵壓漏源電流漏源電流IDSS定義：當(dāng)定義：當(dāng)V

32、GS=0時(shí)的飽和漏源電流。時(shí)的飽和漏源電流。對(duì)于對(duì)于耗盡型耗盡型MOSFET，VGS=0時(shí)已有導(dǎo)電溝道。時(shí)已有導(dǎo)電溝道。IDSS對(duì)應(yīng)于對(duì)應(yīng)于VGS=0時(shí)輸出特性曲線飽和區(qū)的電流值，或者轉(zhuǎn)移特性時(shí)輸出特性曲線飽和區(qū)的電流值，或者轉(zhuǎn)移特性曲線與縱軸的交點(diǎn)，故又稱曲線與縱軸的交點(diǎn)，故又稱飽和漏極電流飽和漏極電流（不同于（不同于IDsat） 。溝取負(fù)號(hào)溝取正號(hào)pnVLWtVLCWIVVLCWIIIToxToxnDSSTGSoxnDsatVDsatDSSGS 2022022)(2可見(jiàn)：可見(jiàn)：IDSS與原始溝道導(dǎo)電能力有關(guān)：寬長(zhǎng)比、遷移率、原始溝道厚度與原始溝道導(dǎo)電能力有關(guān)：寬長(zhǎng)比、遷移率、原始溝道厚度(

33、VTns)、Cox 767.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲線四、MOSFET的直流參數(shù)3、導(dǎo)通電阻導(dǎo)通電阻 對(duì)于對(duì)于增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOSFET，VGS=0時(shí)，源、漏之間為兩背靠背的時(shí)，源、漏之間為兩背靠背的p-n結(jié)，結(jié)，VDS作用下，作用下，VGS=0時(shí)的時(shí)的IDS為為截止漏電流截止漏電流。 實(shí)際上是實(shí)際上是p-n結(jié)的反向漏電流，對(duì)結(jié)的反向漏電流，對(duì)Si-p-n結(jié)主要是勢(shì)壘產(chǎn)生電流。結(jié)主要是勢(shì)壘產(chǎn)生電流。 工作在非飽和區(qū)的工作在非飽和區(qū)的MOSFET，當(dāng)當(dāng)VDSVGS-VT時(shí)，輸出特性是時(shí)，輸出特性是直線（線性區(qū)），溝道的導(dǎo)電能力相當(dāng)于一個(gè)電阻（壓控電阻）。直線（線性區(qū)），溝道的導(dǎo)電能

34、力相當(dāng)于一個(gè)電阻（壓控電阻）。定義：定義：VDS很小時(shí)，很小時(shí)，VDS與與IDS之比為導(dǎo)通電阻，記為之比為導(dǎo)通電阻，記為Ron.TGSnoxTGSDSDSonVVWLtVVIVR1)(10 DSononRRRR*777.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲線四、MOSFET的直流參數(shù)4、柵源直流輸入阻抗柵源直流輸入阻抗RGS5、最大耗散功率最大耗散功率PCM柵源直流絕緣電阻。取決于柵氧化層的絕緣電阻值。柵源直流絕緣電阻。取決于柵氧化層的絕緣電阻值。一般在一般在109以上。以上。MOSFET輸入阻抗遠(yuǎn)高于輸入阻抗遠(yuǎn)高于BJT和和JFETDSDSCVIP耗散功率耗散功率PC將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃渴蛊骷?/p>

35、溫，性能劣化。將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃渴蛊骷郎?，性能劣化。保證器件正常工作所允許的保證器件正常工作所允許的PC為為PCM，或稱最大功耗。或稱最大功耗。MOSFET的耗散功率主要耗散在溝道區(qū)，特別是夾斷區(qū)。的耗散功率主要耗散在溝道區(qū)，特別是夾斷區(qū)。787980現(xiàn)象：現(xiàn)象：IDSS很大，超出設(shè)計(jì)要求，夾斷電壓高。很大，超出設(shè)計(jì)要求，夾斷電壓高。原因：襯底材料雜質(zhì)補(bǔ)償嚴(yán)重；柵絕緣層中正離子過(guò)多。原因：襯底材料雜質(zhì)補(bǔ)償嚴(yán)重；柵絕緣層中正離子過(guò)多。現(xiàn)象：夾不斷。還有點(diǎn)漏電?，F(xiàn)象：夾不斷。還有點(diǎn)漏電。原因：柵極斷裂；局部溝道穿通；原因：柵極斷裂；局部溝道穿通；p-n結(jié)退化，漏電。結(jié)退化，漏電?，F(xiàn)象：漏源穿通，短路。

36、現(xiàn)象：漏源穿通，短路。原因：柵氧化層斷裂；擴(kuò)散沾污使漏源短路；光刻針原因：柵氧化層斷裂；擴(kuò)散沾污使漏源短路；光刻針孔孔 導(dǎo)致漏源經(jīng)鋁柵短路。導(dǎo)致漏源經(jīng)鋁柵短路。81現(xiàn)象：跨導(dǎo)小現(xiàn)象：跨導(dǎo)小原因：工藝原因造成漏、源串聯(lián)電阻過(guò)大；原因：工藝原因造成漏、源串聯(lián)電阻過(guò)大； 工藝原因造成表面遷移率嚴(yán)重下降。工藝原因造成表面遷移率嚴(yán)重下降?，F(xiàn)象：駝背，過(guò)渡區(qū)出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象：駝背，過(guò)渡區(qū)出現(xiàn)塌陷原因：刻鋁電極時(shí)對(duì)版不準(zhǔn)。原因：刻鋁電極時(shí)對(duì)版不準(zhǔn)?，F(xiàn)象：飽和特性不好，飽和區(qū)不夠平坦?，F(xiàn)象：飽和特性不好，飽和區(qū)不夠平坦。原因：襯底材料電阻率太高；原因：襯底材料電阻率太高； 工藝原因?qū)е聹系里@著變短。工藝原因?qū)е聹?/p>

37、道顯著變短。82現(xiàn)象：低擊穿，擊穿電壓低。現(xiàn)象：低擊穿，擊穿電壓低。原因：擴(kuò)散時(shí)磷沾污，在漏結(jié)處出現(xiàn)合金點(diǎn)；原因：擴(kuò)散時(shí)磷沾污，在漏結(jié)處出現(xiàn)合金點(diǎn)； 各種原因?qū)е聹系雷兌蹋绰﹦?shì)壘穿通；各種原因?qū)е聹系雷兌?，源漏?shì)壘穿通； p-n結(jié)劣化，擊穿電壓下降。結(jié)劣化，擊穿電壓下降。現(xiàn)象：尾巴現(xiàn)象：尾巴原因：源漏電極與源漏擴(kuò)散區(qū)接觸不良，測(cè)試探針與原因：源漏電極與源漏擴(kuò)散區(qū)接觸不良，測(cè)試探針與 電極接觸不良；源漏區(qū)摻雜濃度低；電極接觸不良；源漏區(qū)摻雜濃度低； 使使VDS經(jīng)一個(gè)接觸壓降后才起作用。經(jīng)一個(gè)接觸壓降后才起作用?，F(xiàn)象：現(xiàn)象： VGS0時(shí)，圖示儀顯示雙線。時(shí)，圖示儀顯示雙線。原因：襯底接地不良。原

38、因：襯底接地不良。83現(xiàn)象：現(xiàn)象：VGS0的曲線漂移的曲線漂移原因：可動(dòng)離子沾污；磷硅玻璃中磷含量大；原因：可動(dòng)離子沾污；磷硅玻璃中磷含量大；現(xiàn)象：柵電流大，柵源短路。現(xiàn)象：柵電流大，柵源短路。原因：柵氧化層針孔；柵氧化層破壞。原因：柵氧化層針孔；柵氧化層破壞。847.4 MOSFET頻率特性一、一、MOSFET的交流小信號(hào)參數(shù)的交流小信號(hào)參數(shù)二、二、MOSFET的交流小信號(hào)等效電路的交流小信號(hào)等效電路 三、MOSFET的頻率參數(shù)的頻率參數(shù) 1、跨導(dǎo)截止頻率、跨導(dǎo)截止頻率 2、截止頻率、截止頻率fT 3、最高振蕩頻率最高振蕩頻率fM 4、溝道渡越時(shí)間溝道渡越時(shí)間四、提高四、提高M(jìn)OSFET頻率

39、性能的途徑頻率性能的途徑 1、提高遷移率、提高遷移率 2、縮短溝道長(zhǎng)度、縮短溝道長(zhǎng)度 3、減小寄生電容、減小寄生電容857.5 MOSFET頻率特性一、一、MOSFET的交流小信號(hào)參數(shù)的交流小信號(hào)參數(shù)+ - +- +SDGBVDS0VGS0VSB0IDnMOSFET的柵跨導(dǎo)的柵跨導(dǎo)gm(跨導(dǎo)）跨導(dǎo)）n小信號(hào)襯底跨導(dǎo)小信號(hào)襯底跨導(dǎo)gmbn小信號(hào)漏端電導(dǎo)小信號(hào)漏端電導(dǎo)gdsn電壓放大系數(shù)電壓放大系數(shù) VGSID+ID+ - +- +SDGBVDS0VGS0VSB0- +cVVGSDSmBSDSVIg ,nMOSFET的柵跨導(dǎo)的柵跨導(dǎo)gm(跨導(dǎo)）跨導(dǎo)）n小信號(hào)襯底跨導(dǎo)小信號(hào)襯底跨導(dǎo)gmbn小信號(hào)漏端

40、電導(dǎo)小信號(hào)漏端電導(dǎo)gdsn電壓放大系數(shù)電壓放大系數(shù) cVVBSDSmbGSDSVIg ,nMOSFET的柵跨導(dǎo)的柵跨導(dǎo)gm(跨導(dǎo)）跨導(dǎo)）n小信號(hào)襯底跨導(dǎo)小信號(hào)襯底跨導(dǎo)gmbn小信號(hào)漏端電導(dǎo)小信號(hào)漏端電導(dǎo)gdsn電壓放大系數(shù)電壓放大系數(shù) VBSID+ID+ - +- +SDGBVDS0VGS0VSB0- +cVVDSDSdsBSGSVIg ,nMOSFET的柵跨導(dǎo)的柵跨導(dǎo)gm(跨導(dǎo)）跨導(dǎo)）n小信號(hào)襯底跨導(dǎo)小信號(hào)襯底跨導(dǎo)gmbn小信號(hào)漏端電導(dǎo)小信號(hào)漏端電導(dǎo)gdsn電壓放大系數(shù)電壓放大系數(shù) VDSID+ID+ - +- +SDGBVDS0VGS0VSB0- +cIGSDSDSVV nMOSFET的柵

41、跨導(dǎo)的柵跨導(dǎo)gm(跨導(dǎo)）跨導(dǎo)）n小信號(hào)襯底跨導(dǎo)小信號(hào)襯底跨導(dǎo)gmbn小信號(hào)漏端電導(dǎo)小信號(hào)漏端電導(dǎo)gdsn電壓放大系數(shù)電壓放大系數(shù) VGSIDS=c+ - +- +SDGBVDS0VGS0VSB0- +VDS- +86MOSFET的柵跨導(dǎo)的柵跨導(dǎo)gm(跨導(dǎo)）跨導(dǎo)）cVVGSDSmBSDSVIg ,漏極電流微分增量與柵源電壓微分增量之比，表示柵源電壓VGS對(duì)漏極電流IDS的控制能力與JFET的跨導(dǎo)有相同的意義21)(2DSDSTGSDSVVVVI DSmVg 器件工作在非飽和區(qū)時(shí)，跨導(dǎo)gm僅隨漏極電壓VDS線性增大)()(2 2TGSmsTGSDsatVVgVVI 在飽和區(qū)中，跨導(dǎo)gms僅隨柵源電

42、壓VGS線性變化實(shí)際MOSFET中的附加串聯(lián)電阻導(dǎo)致跨導(dǎo)的實(shí)際值低于理論值。實(shí)際作用在溝道上的有效柵壓： 實(shí)際起作用的漏源電壓：SDGSGSRIVV)(DSDDSDSRRIVV SmmmsDSdlSmmmRgggRRgRggg 1;)(1*87 兩者溝道導(dǎo)電能力隨柵源電壓變化兩者溝道導(dǎo)電能力隨柵源電壓變化規(guī)律不同。在規(guī)律不同。在JFET中是中是VGS的平方根與的平方根與溝道厚度關(guān)系。溝道厚度關(guān)系。 兩者兩者VGS的范圍也不同。的范圍也不同。VDSIDSVGS=0VGS0MOSFETJFETJFET的線性關(guān)系而不同于因21DSnGSIQVMOSFET的跨導(dǎo) RLWtCggoxoxmsm、：因子)

43、,()( 21)(2DSDSTGSDSVVVVI 非飽和區(qū)跨導(dǎo)與VGS、VDS有關(guān)飽和區(qū)跨導(dǎo)僅與VGS有關(guān)非飽和區(qū)跨導(dǎo)gm僅隨VDS線性增大飽和區(qū)，跨導(dǎo)gms僅隨VGS線性變化欲使欲使88小信號(hào)襯底跨導(dǎo)小信號(hào)襯底跨導(dǎo)gmbcVVBSDSmbGSDSVIg ,漏極電流微分增量與襯底偏置電壓微分增量之比，表示襯底偏置電壓VBS對(duì)漏極電流IDS的控制能力背柵：襯底偏置表面耗盡層厚度空間電荷面密度反型層 電荷密度溝道導(dǎo)電能力計(jì)及空間電荷（耗盡層）影響的I-V方程為：)2()2(3221)2(23232BSFBSFDSDSDSFFBGSDSVVVVVVVI與空間電荷有關(guān)項(xiàng))2()2(221210BSFB

44、SFDSAnmbVVVLqNWgVDS構(gòu)成V(y)VBS構(gòu)成反偏按p-n結(jié)電壓-電荷規(guī)律)()()1()()()2(2212121002121210GSDGSDDSpmGSDGSDDSDnmVVVVVVGgVVVVVqNLWg89半導(dǎo)體器件物理與工藝美施敏p223)(2)()()()(maxTGSoxoxBFBFGSoxBsnVyVVCCQVyVVCyQyQyQ 21)(2DSDSTGSoxnDSVVVVLCWI理想結(jié)構(gòu)中忽略或歸入VT關(guān)于表面（場(chǎng)感應(yīng)結(jié)）耗盡層電荷關(guān)于表面勢(shì)Vs和2倍費(fèi)米勢(shì))2()2(3221)2(23232FFDSDSDSFGSDSVVVVI 2)(22)()(2)(2)(

45、)()()(00maxmaxFAFGSoxnFAdABBsnyVqNyVVCyQyVqNxqNyQyQyQyQ -VFB-VFBBSV BSV BSV BSV 半導(dǎo)體表面電勢(shì)和其特征值的關(guān)系半導(dǎo)體表面電勢(shì)和其特征值的關(guān)系90msiABSFAoxoxoxTnVnNqkTVyVqNCCQVln2)(221210 從從VT通式（通式（7-22）(y)帶入帶入dydVyVVVCWyIITGSoxnnDS)()( （7-52）dyydVVyVqNCyVVVCWIBSFAoxFFBGSoxnDS)()(2(21)(2210 從從y=0,V(0)=0到到y(tǒng)=L,V(L)=VDS積分，可得積分，可得)2()2

46、()2(3221)2(23232102BSFBSFDSoxADSDSFFBGSDSVVVCqNVVVVI 9169)-(7 )2()2(3221)2(23232BSFBSFDSDSDSFFBGSDSVVVVVVVI )2(23)2()2()2(3221)()2(23)2()2()2(3221)2(2)2(21232321022123232102210DSFBSFDSBSFoxADSDSTGSDSFBSFDSBSFoxADSDSoxFADSFFBGSVVVVCqNVVVVVVVVCqNVVCqNVVVQBmax11)-(6 )()(232232300GSDGSDDSDDSDVVVVVqNaVGI

47、張屏英晶體管原理P2579269)-(7 )2()2(3221)2(23232BSFBSFDSDSDSFFBGSDSVVVVVVVI )2(23)2()2()2(3221)()2(23)2()2()2(3221)2(2)2(21232321022123232102210DSFBSFDSBSFoxADSDSTGSDSFBSFDSBSFoxADSDSoxFADSFFBGSVVVVCqNVVVVVVVVCqNVVCqNVVVQBmax 第一項(xiàng)與（第一項(xiàng)與（7-54）相同，表示柵絕緣層電）相同，表示柵絕緣層電容控制的容控制的表面場(chǎng)效應(yīng)晶體管表面場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電特性的電特性 第二項(xiàng)與（第二項(xiàng)與（6-11

48、）相似，表示溝道壓降和）相似，表示溝道壓降和襯底反偏作用下，場(chǎng)感應(yīng)結(jié)非平衡，耗盡襯底反偏作用下，場(chǎng)感應(yīng)結(jié)非平衡，耗盡層寬度隨之變化的電特性，即層寬度隨之變化的電特性，即JFET特性特性11)-(6 )()(232232300GSDGSDDSDDSDVVVVVqNaVGI 其中，其中，2FVD;VBSVGS 可看作理想可看作理想MOS與與JFET的并聯(lián)的并聯(lián)93小信號(hào)漏端電導(dǎo)小信號(hào)漏端電導(dǎo)gdscVVDSDSdsBSGSVIg ,漏極電流微分增量與漏源電壓微分增量之比，表示漏源電壓VDS對(duì)漏極電流IDS的控制能力)(21)(2DSTGSdsDSDSTGSDSVVVgVVVVI 得由 gds隨隨V

49、DS增大而線性減小，即由非飽和區(qū)向飽和區(qū)，增大而線性減小，即由非飽和區(qū)向飽和區(qū)，IDS隨隨VDS的變化趨緩，以至進(jìn)入飽和區(qū)不再隨的變化趨緩，以至進(jìn)入飽和區(qū)不再隨VDS變化變化 在線性區(qū)，即在線性區(qū)，即VDS很小，忽略后很小，忽略后msTGSdsldsgVVgg)( 且正是導(dǎo)通電阻的倒數(shù)。且正是導(dǎo)通電阻的倒數(shù)。TGSnoxTGSDSDSonVVWLtVVIVR1)(10 94電壓放大系數(shù)電壓放大系數(shù) cIGSDSDSVV 漏源電壓微分增量與柵源電壓微分增量之比，表示漏極電流IDS不變，漏源電壓VDS與柵源電壓VGS之間的相對(duì)變化關(guān)系dsmDSTGSDSDSDSTGSDSggVVVVVVVVI 零

50、，得取全微分，并令其等于由21)(20)(22dsDSTGSoxnDsatgVVVLWCI無(wú)關(guān)，得與由動(dòng)態(tài)電阻無(wú)窮大，但實(shí)際動(dòng)態(tài)電阻無(wú)窮大，但實(shí)際MOSFET的動(dòng)態(tài)電阻都是有限值，因?yàn)椋旱膭?dòng)態(tài)電阻都是有限值，因?yàn)椋?、溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)、溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng) 2、漏區(qū)電場(chǎng)的靜電反饋效應(yīng)、漏區(qū)電場(chǎng)的靜電反饋效應(yīng)在飽和區(qū)95溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)VDSVDsat后，夾斷點(diǎn)向源端移動(dòng)，形成夾斷區(qū)，使溝道有效長(zhǎng)度縮短后，夾斷點(diǎn)向源端移動(dòng)，形成夾斷區(qū)，使溝道有效長(zhǎng)度縮短2)(2TGSoxnDsatVVLWCIL減小，則減小，則IDsat增大，說(shuō)明溝道長(zhǎng)度減小，電阻減小。增大，說(shuō)明溝道長(zhǎng)度減小，電阻減

51、小。DSDsatDSDsatDsatDsatTGSeffoxnDsateffdVLdLLLIdVdIgLLIVVLWCILLL)()1 ()1 ()(22*12*帶入，得以為有限值為有限值96漏區(qū)電場(chǎng)的靜電反饋效應(yīng)漏區(qū)電場(chǎng)的靜電反饋效應(yīng) 發(fā)自漏區(qū)的電力線有部分終止在溝道載流子電荷上，發(fā)自漏區(qū)的電力線有部分終止在溝道載流子電荷上，導(dǎo)致隨漏源電壓增大，溝道電子密度增大，溝道電導(dǎo)導(dǎo)致隨漏源電壓增大，溝道電子密度增大，溝道電導(dǎo)增大，漏源電流不完全飽和。增大，漏源電流不完全飽和。 溝道較短，襯底溝道較短，襯底濃度較低時(shí)，漏濃度較低時(shí)，漏-襯襯結(jié)和溝結(jié)和溝-襯結(jié)的耗盡襯結(jié)的耗盡層隨層隨VDS很快擴(kuò)展，很快

52、擴(kuò)展，圖7-23 漏區(qū)電場(chǎng)靜電反饋效應(yīng)示意圖97二、二、MOSFET的交流小信號(hào)等效電路的交流小信號(hào)等效電路DSdBSmbGSmDSCVVDSDSBSCVVBSDSGSCVVGSDSDSVgVgVgVVIVVIVVIIBSGSDSGSBSDS )()()(,00 BSGSII SDGBgdDSI GSV BSV DSV GSmVg BSmbVg 98GSDBgsCgsCgdCgdCbsCbdCTCC本征部分本征部分MOSFET小信號(hào)參數(shù)小信號(hào)參數(shù)物理模型物理模型SGD0Ly溝道溝道SiO2襯底襯底MOSFET的R、C分布參數(shù)模型二、二、MOSFET的交流小信號(hào)等效電路的交流小信號(hào)等效電路99D

53、SdGSmDSDSdBSmbGSmDSdVgdVgdIVgVgVgI 襯底偏置不變 dsdgsmdugugi dDSDSidII dtduCdtduCigdgdgsgsg SGDgdCgdCgsCgsRgsCSRDRdsCgsmg dgMOSFET小信號(hào)參數(shù)小信號(hào)參數(shù)等效電路等效電路dtduCugugigdgddsdgsmd 1、柵極電位變化引起溝道電導(dǎo)變化、柵極電位變化引起溝道電導(dǎo)變化形成交變漏極電流形成交變漏極電流2、輸出交變電壓在漏導(dǎo)上形成電流、輸出交變電壓在漏導(dǎo)上形成電流3、柵極電壓變化對(duì)柵漏電容充放電、柵極電壓變化對(duì)柵漏電容充放電電流電流100SGDgdCgsC1SR2DRgdCgs

54、CgsRgsmg dgB1SR1gR4gR2gR3gR1DR1bR4bR2bR3bRgbCbsCdsCTCCTCCbdC較完整的較完整的MOSFET小信號(hào)等效電路小信號(hào)等效電路Cgs:柵源之間分布電柵源之間分布電容的等效電容容的等效電容Cgd:等效的柵漏電容等效的柵漏電容Rgs:對(duì)柵源電容充放對(duì)柵源電容充放電的等效溝道串聯(lián)電的等效溝道串聯(lián)電阻電阻(2/5Ron)Rs、Rd:源、漏區(qū)串源、漏區(qū)串聯(lián)電阻聯(lián)電阻CVGSchgsDSVQC CVGDchgdGSVQC CVVGSIgsGSDSVQC JFET101與與JFET比較：比較：（估算）飽和區(qū)線性區(qū)中g(shù)dgsgdgscVDSIgdcVVGSIg

55、sCCCCCCVQCVQCggGSGSDS2121JFET0;3221;MOSFETgdGgsGgdGgscVDSchgdcVGSchgsCCCCCCCVQCVQCGSDS飽和區(qū)線性區(qū)中1、Cgd定義相同，在線性區(qū)各為定義相同，在線性區(qū)各為CG(Cg)的一半的一半2、Cgs定義不同，定義不同，JFET為為CG的一半；的一半；MOSFET為為CG3、飽和區(qū)飽和區(qū)MOSFET：Cgs占大半，占大半，Cgd0oxGWLCC QI、Qch之與之與Cgs1027.4 MOSFET頻率特性三、MOSFET的頻率參數(shù) 1、跨導(dǎo)截止頻率、跨導(dǎo)截止頻率 2、截止頻率、截止頻率fT 3、最高振蕩頻率最高振蕩頻率f

56、M 4、溝道渡越時(shí)間溝道渡越時(shí)間t tCgsRgsRLrdsgmsug+-+-usuoug+-交流小信號(hào)等效電路交流小信號(hào)等效電路輸出特性及負(fù)載線輸出特性及負(fù)載線0 gdC飽和區(qū)輸入輸入輸出輸出+VDDRARBRLMOST線性放大器基本電路線性放大器基本電路103dsLdsLgmsogsgssgsgsgssgrRrRuguCRjuCjRCjuu 111gsuu 低頻時(shí)dsLdsLmssorRrRguu 低頻低頻電壓放大系數(shù))(msLsoLdsgRuuRr 低頻時(shí)，當(dāng))(飽和狀態(tài)，溝道夾斷，溝道電阻增大飽和狀態(tài)，溝道夾斷，溝道電阻增大CgsRgsRLrdsgmsug+-+-usuoug+-104

57、高頻時(shí)高頻時(shí)mgmsgsgsmsmsdsLdsLmsdsLdsLgsgsmssojgCRjggrRrRgrRrRCRjguu 11)()(1)(其中高頻高頻下飽和區(qū)跨導(dǎo)高頻下飽和區(qū)跨導(dǎo)msmsggsgsgggCRmm21)(,1 時(shí)，當(dāng)被稱為跨導(dǎo)截止角頻率mg 21)(也下降為低頻值高頻souu的結(jié)果實(shí)際起作用的柵壓變化高頻分壓比的變化導(dǎo)致、也是的，充放電的延遲時(shí)間產(chǎn)生通過(guò)等效溝道電阻實(shí)際上是柵源電容gsgsgsgsgCRRCm 21)(41532)(1521LVVCVVCRTGSnGTGSgsgsgm oxGWLCC LCWoxn 1052、截止頻率、截止頻率fTCgsRgsRLrdsgms

58、ug+-+-usuoug+-gdCgsCdsCigid計(jì)算計(jì)算fT的等效電路（的等效電路（3個(gè)電容）個(gè)電容）定義：當(dāng)輸入電流定義：當(dāng)輸入電流ig與交流短路輸出電流與交流短路輸出電流id相等時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率，記為相等時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率，記為fT. 輸入回路中，輸入回路中，Cgs的的容抗隨容抗隨f的上升而減小，的上升而減小，使使ig上升，同時(shí)上升，同時(shí)ug下降，下降，gmug也下降。也下降。11gdsgsgssmsdgdgsgsgsgssgCjuCRjugiCjCRjCjCjui 21gdgsgsmsTCCCgf 取了一級(jí)近似取了一級(jí)近似10621gdgsgsmsTCCCgf 2)(432 LVVCgfCC

59、CTGSngsmsTgdgsgs 時(shí)，、當(dāng)LWCVVgWLCCCoxnTGSmsoxGgs )(32322)(415LVVTGSngm 同，但本質(zhì)相同。不同，因?yàn)槎x標(biāo)準(zhǔn)不相比，內(nèi)容相同，系數(shù)與gm跨導(dǎo)（截止角頻率）從電壓對(duì)電流的關(guān)系（電壓放大系數(shù)）定義標(biāo)準(zhǔn)跨導(dǎo)（截止角頻率）從電壓對(duì)電流的關(guān)系（電壓放大系數(shù)）定義標(biāo)準(zhǔn)截止頻率從電流對(duì)電流的關(guān)系定義標(biāo)準(zhǔn)，要計(jì)入截止頻率從電流對(duì)電流的關(guān)系定義標(biāo)準(zhǔn)，要計(jì)入3個(gè)電容個(gè)電容但是，它們都是但是，它們都是Cgs上電壓上電壓ug隨頻率的變化關(guān)系的反映，僅角度不同。隨頻率的變化關(guān)系的反映，僅角度不同。107寄生參數(shù)的影響：寄生參數(shù)的影響：3個(gè)電容個(gè)電容gsC并聯(lián)

60、在輸入端，對(duì)并聯(lián)在輸入端，對(duì)Cgs起分流作用，幫助起分流作用，幫助Cgs增大增大igdsC并聯(lián)在輸出端，對(duì)輸出電流起分流作用，并聯(lián)在輸出端，對(duì)輸出電流起分流作用，gmsug的一部分流過(guò)的一部分流過(guò)該電容，使該電容，使id減小減小數(shù)為放大器的電壓放大系其中soVuuA gdC連接在輸入、輸出端之間，使輸入電容為連接在輸入、輸出端之間，使輸入電容為)1 (gdVgsgsinCACCC 密勒效應(yīng)密勒效應(yīng)11, 0; 000 VVosVoLAAuuAuR故反相，與由于，實(shí)際放大器中)1 (1gdVsgsgssmsdCAjuCRjugi 此時(shí))1 (21gdVgsgsmsTCACCgf 1083、最高振