微電子器件第四章

1、 P 型襯底型襯底 N 溝道溝道 MOSFET 的剖面圖的剖面圖金屬金屬絕緣層絕緣層半導(dǎo)體半導(dǎo)體基本的基本的MOS電容結(jié)構(gòu)電容結(jié)構(gòu)EEPEP加加負(fù)負(fù)電電壓壓EcEiEFEvEP加加正正電電壓壓EcEiEFEv空穴積累空穴積累空穴耗盡形成空間電荷區(qū)空穴耗盡形成空間電荷區(qū)EP加加正正電電壓壓EcEiEFEv形成反型區(qū)形成反型區(qū)EP加加正正電電壓壓EcEiEFEv空穴耗盡形成空間電荷區(qū)空穴耗盡形成空間電荷區(qū)EP加加負(fù)負(fù)電電壓壓 使柵下的硅表面處開始發(fā)生強(qiáng)反型時(shí)的柵電壓稱為使柵下的硅表面處開始發(fā)生強(qiáng)反型時(shí)的柵電壓稱為（或（或 ），記為），記為 。 當(dāng)硅表面處的少子濃度達(dá)到或超過體內(nèi)的平衡多子當(dāng)硅表面處

2、的少子濃度達(dá)到或超過體內(nèi)的平衡多子濃度時(shí)，稱為表面發(fā)生了濃度時(shí)，稱為表面發(fā)生了 。 當(dāng)當(dāng) VGS VT 時(shí)，柵時(shí)，柵下的下的 P 型硅表面發(fā)生型硅表面發(fā)生 ，形成連通源、漏區(qū)的，形成連通源、漏區(qū)的 N 型型 ，在在 VDS 作用下產(chǎn)生漏極電流作用下產(chǎn)生漏極電流 ID 。對(duì)于恒定的。對(duì)于恒定的 VDS ，VGS 越大越大 ，溝道中的電子就越多，溝道電阻就越小，溝道中的電子就越多，溝道電阻就越小，ID 就越大。就越大。 所以所以 MOSFET 是通過改變是通過改變 VGS 來(lái)控制溝道的導(dǎo)電性，從而來(lái)控制溝道的導(dǎo)電性，從而控制漏極電流控制漏極電流 ID ，是一種電壓控制型器件。，是一種電壓控制型器件

3、。 ：VDS 恒定時(shí)的恒定時(shí)的 VGS ID 曲線。曲線。MOSFET 的的轉(zhuǎn)移特性反映了柵源電壓轉(zhuǎn)移特性反映了柵源電壓 VGS 對(duì)漏極電流對(duì)漏極電流 ID 的控制能力的控制能力。 N 溝道溝道 MOSFET 當(dāng)當(dāng)VT 0 時(shí)，稱為時(shí)，稱為 ，為，為 。VT VT 且恒定時(shí)的且恒定時(shí)的 VDS ID 曲線?？煞譃榍€?？煞譃橐韵乱韵?4 段：段： 隨著隨著 VDS 增大，漏附近的溝道變薄，溝道電阻增大，曲線增大，漏附近的溝道變薄，溝道電阻增大，曲線逐漸下彎。當(dāng)逐漸下彎。當(dāng) VDS 增大到增大到 時(shí)，漏端處的時(shí)，漏端處的可動(dòng)電子消失，這稱為溝道被可動(dòng)電子消失，這稱為溝道被 ，如圖中的，如圖中的

4、AB 段所示。段所示。 線性區(qū)與過渡區(qū)統(tǒng)稱為線性區(qū)與過渡區(qū)統(tǒng)稱為 ，有時(shí)也統(tǒng)稱為，有時(shí)也統(tǒng)稱為 。 當(dāng)當(dāng) VDS VDsat 后，溝道夾斷點(diǎn)左移，漏附近只剩下耗盡區(qū)。后，溝道夾斷點(diǎn)左移，漏附近只剩下耗盡區(qū)。這時(shí)這時(shí) ID 幾乎與幾乎與 VDS 無(wú)關(guān)而保持常數(shù)無(wú)關(guān)而保持常數(shù) ，曲線為水平直線，如，曲線為水平直線，如圖中的圖中的 BC 段所示。段所示。 實(shí)際上實(shí)際上 ID 隨隨 VDS 的增大而略有增大，曲線略向上翹。的增大而略有增大，曲線略向上翹。 當(dāng)當(dāng) VDS 繼續(xù)增大到繼續(xù)增大到 時(shí)，漏結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，或者漏源時(shí)，漏結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，或者漏源間發(fā)生穿通，間發(fā)生穿通，ID 急劇增大，如圖中的急劇

5、增大，如圖中的 CD 段所示。段所示。 將各曲線的夾斷點(diǎn)用虛線連接起來(lái)，將各曲線的夾斷點(diǎn)用虛線連接起來(lái)，。 以以 VGS 作為參變量，可得到不同作為參變量，可得到不同 VGS 下的下的 VDS ID 曲線族，曲線族，這就是這就是 MOSFET 的的 。 4 種類型種類型 MOSFET 的特性曲線小結(jié)的特性曲線小結(jié) 使柵下的硅表面處開始發(fā)生強(qiáng)反型時(shí)的柵電壓稱為使柵下的硅表面處開始發(fā)生強(qiáng)反型時(shí)的柵電壓稱為（或（或 ），記為），記為 。 當(dāng)硅表面處的少子濃度達(dá)到或超過體內(nèi)的平衡多子當(dāng)硅表面處的少子濃度達(dá)到或超過體內(nèi)的平衡多子濃度時(shí)，稱為表面發(fā)生了濃度時(shí)，稱為表面發(fā)生了 。 在推導(dǎo)閾電壓的表達(dá)式時(shí)可近

6、似地采用一維分析，即認(rèn)為在推導(dǎo)閾電壓的表達(dá)式時(shí)可近似地采用一維分析，即認(rèn)為襯底表面下耗盡區(qū)及溝道內(nèi)的空間電荷完全由柵極電壓產(chǎn)生的襯底表面下耗盡區(qū)及溝道內(nèi)的空間電荷完全由柵極電壓產(chǎn)生的縱向電場(chǎng)所決定，而與漏極電壓產(chǎn)生的橫向電場(chǎng)無(wú)關(guān)?？v向電場(chǎng)所決定，而與漏極電壓產(chǎn)生的橫向電場(chǎng)無(wú)關(guān)。 本小節(jié)推導(dǎo)本小節(jié)推導(dǎo) P 型襯底型襯底 MOS 結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的閾電壓閾電壓。當(dāng)金屬、氧化層和當(dāng)金屬、氧化層和P型硅未接觸時(shí)的能帶圖型硅未接觸時(shí)的能帶圖當(dāng)金屬、氧化層和當(dāng)金屬、氧化層和P型硅接觸時(shí)的能帶圖型硅接觸時(shí)的能帶圖 1、金屬與半導(dǎo)體間的功函數(shù)差、金屬與半導(dǎo)體間的功函數(shù)差 MS = = 0 ，柵氧化層中的電荷面，柵氧

7、化層中的電荷面密度密度 QOX = 0，且，且VG = = 0 時(shí)的能帶圖時(shí)的能帶圖上圖中，上圖中，AFPiFi1ln0NkTEEqqn，稱為，稱為 。 2、金屬與半導(dǎo)體間的功函數(shù)差、金屬與半導(dǎo)體間的功函數(shù)差 MS 0，且，且VG = = 0 時(shí)的能帶圖時(shí)的能帶圖 上圖中，上圖中， S 稱為稱為 ，即從硅表面處到硅體內(nèi)平衡處的，即從硅表面處到硅體內(nèi)平衡處的電勢(shì)差，等于能帶彎曲量除以電勢(shì)差，等于能帶彎曲量除以 q 。 4、實(shí)際、實(shí)際 MOS 結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)（ MS 0）當(dāng)）當(dāng) VG = = 0 時(shí)的能帶圖時(shí)的能帶圖oxOXCQqqqMSS5、實(shí)際、實(shí)際 MOS 結(jié)構(gòu)當(dāng)結(jié)構(gòu)當(dāng) VG = = VFB 時(shí)

8、的能帶圖時(shí)的能帶圖 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，可以使能帶恢復(fù)為平帶狀態(tài)，時(shí)，可以使能帶恢復(fù)為平帶狀態(tài)，這時(shí)這時(shí) S = = 0，硅表面呈電中性。，硅表面呈電中性。 稱為稱為 。COX 代表單代表單位面積的柵氧化層電容，位面積的柵氧化層電容， ，TOX 代表柵氧化層厚度。代表柵氧化層厚度。OXOXMSFBGCQVVOXOXOXTC 4、實(shí)際、實(shí)際 MOS 結(jié)構(gòu)當(dāng)結(jié)構(gòu)當(dāng) VG = = VT 時(shí)的能帶圖時(shí)的能帶圖 要使表面發(fā)生強(qiáng)反型，應(yīng)使表面處的要使表面發(fā)生強(qiáng)反型，應(yīng)使表面處的 EF - - EiS = = q FP ，這時(shí)，這時(shí) 外加?xùn)烹妷撼^外加?xùn)烹妷撼^ VFB 的部分的部分稱為稱為 。有效柵電壓可分為兩部分

9、：降在氧化層上的有效柵電壓可分為兩部分：降在氧化層上的 VOX 與降在硅表面與降在硅表面附近的表面電勢(shì)附近的表面電勢(shì) S ，即，即 VG VFB = = VOX + S 表面勢(shì)表面勢(shì) S 使能帶發(fā)生彎曲。表面發(fā)生強(qiáng)反型時(shí)能帶的彎曲使能帶發(fā)生彎曲。表面發(fā)生強(qiáng)反型時(shí)能帶的彎曲量是量是 2q FP ，表面勢(shì)為，表面勢(shì)為 2 FP ，于是可得，于是可得 VT VFB = = VOX + 2 FP 上式中，上式中， QM 和和 QS 分別代表金屬一側(cè)的分別代表金屬一側(cè)的電荷面密度和半導(dǎo)體一側(cè)的電荷面密度，而電荷面密度和半導(dǎo)體一側(cè)的電荷面密度，而 QS 又是耗盡層電荷又是耗盡層電荷QA 與反型層電荷與反型

10、層電荷 Qn 之和。之和。,OXSOXMOXCQCQV- -QAQM- -QnCOX- -QSP可得可得 MOS 結(jié)構(gòu)的閾電壓為結(jié)構(gòu)的閾電壓為FPOXFPAOXOXMST2)2(CQCQV 再將再將 和上式代入和上式代入 中，中，OXOXMSFBCQV關(guān)于關(guān)于 QA 的進(jìn)一步推導(dǎo)在以后進(jìn)行。的進(jìn)一步推導(dǎo)在以后進(jìn)行。 作為近似，在強(qiáng)反型剛開始時(shí)，可以忽略作為近似，在強(qiáng)反型剛開始時(shí)，可以忽略 Qn 。QA 是是 S 的的函數(shù)，在開始強(qiáng)反型時(shí)，函數(shù)，在開始強(qiáng)反型時(shí)，QA ( S ) = = QA ( 2 FP ) ，故得，故得OXFPAOXSOX)2(CQCQV MOSFET 與與 MOS 結(jié)構(gòu)的不

11、同之處是：結(jié)構(gòu)的不同之處是： a) 柵與襯底之間的外加電壓由柵與襯底之間的外加電壓由 VG 變?yōu)樽優(yōu)?(VG - -VB) ，因此有效，因此有效柵電壓由柵電壓由 (VG - -VFB ) 變?yōu)樽優(yōu)?(VG - -VB - - VFB ) 。 b) 有反向電壓有反向電壓 (VS - -VB )加在源、漏及反型層的加在源、漏及反型層的 PN 結(jié)上，使結(jié)上，使 強(qiáng)反型開始時(shí)的表面勢(shì)強(qiáng)反型開始時(shí)的表面勢(shì) S,inv 由由 2 FP 變?yōu)樽優(yōu)?( 2 FP + VS - -VB )。 b) 有反向電壓有反向電壓 (VS - -VB )加在源、漏及反型層的加在源、漏及反型層的 PN 結(jié)上，使結(jié)上，使 強(qiáng)反

12、強(qiáng)反型開始時(shí)的表面勢(shì)型開始時(shí)的表面勢(shì) S,inv 由由 2 FP變?yōu)樽優(yōu)?( 2 FP + VS - -VB )。 EcEiEFEvEcEiEFPEvEFNq FP q FP q FP q FP q(VS-VB) S,inv = 2 FP S,inv = 2 FP + VS - -VB 以下推導(dǎo)以下推導(dǎo) QA 的表達(dá)式。對(duì)于均勻摻雜的襯底，的表達(dá)式。對(duì)于均勻摻雜的襯底，AS,invAdmax()QqN xAS,invTBFBS,invOX()QVVVC 因此因此 MOSFET 的閾電壓一般表達(dá)式為的閾電壓一般表達(dá)式為21AS,invsA2NqNq12AsFPSB22qNVV EcEiEFPEv

13、EFNq FP q FP q(VS-VB) S,inv = 2 FP + VS - -VB 于是可得于是可得 N 溝道溝道 MOSFET 的閾電壓為的閾電壓為12TBFBFPSBFPSB1OX2MSFPSBFPSOX2222VVVKVVVVQKVVVC 注意上式中，通常注意上式中，通常 VS 0，VB VDsat 后，漏極電流主要決定于源區(qū)與夾斷點(diǎn)之間后，漏極電流主要決定于源區(qū)與夾斷點(diǎn)之間的電子速度，受夾斷區(qū)域的影響不大，所以可以簡(jiǎn)單地假設(shè)的電子速度，受夾斷區(qū)域的影響不大，所以可以簡(jiǎn)單地假設(shè) ID保持保持 IDsat 不變，即從拋物線頂點(diǎn)以水平方向朝右延伸出去。不變，即從拋物線頂點(diǎn)以水平方向朝

14、右延伸出去。 以不同的以不同的 VGS 作為參變量，可得到一組作為參變量，可得到一組 ID VDS 曲線，這就曲線，這就是是 。 但是實(shí)測(cè)表明，當(dāng)?shù)菍?shí)測(cè)表明，當(dāng) VDS VDsat 后，后，ID 隨隨 VDS 的增大而略有的增大而略有增大，也即增大，也即 MOSFET 的增量輸出電阻的增量輸出電阻 不是無(wú)窮大不是無(wú)窮大而是一個(gè)有限的值。而是一個(gè)有限的值。DSdsDVrI 通常采用兩個(gè)模型來(lái)解釋通常采用兩個(gè)模型來(lái)解釋 ID 的增大。的增大。 當(dāng)當(dāng) VDS VDsat 后，溝道中滿足后，溝道中滿足 V = = VDsat 和和 Qn = = 0 的位置向左的位置向左移動(dòng)移動(dòng) L，即這意味著有效溝

15、道長(zhǎng)度縮短了。即這意味著有效溝道長(zhǎng)度縮短了。 已知當(dāng)已知當(dāng) VDS = = VDsat 時(shí)，時(shí)，V (L) = = VDsat ，Qn (L) = = 0 。 由于由于 ，當(dāng)，當(dāng) L 縮短時(shí)，縮短時(shí)，ID 會(huì)增加。會(huì)增加。LI1D 對(duì)于對(duì)于 L 較短及較短及 NA 較小的較小的 MOSFET，當(dāng)，當(dāng) VDS VD sat 后，耗后，耗盡區(qū)寬度接近于有效溝道長(zhǎng)度，這時(shí)從漏區(qū)發(fā)出的電力線有一盡區(qū)寬度接近于有效溝道長(zhǎng)度，這時(shí)從漏區(qū)發(fā)出的電力線有一部分終止于溝道上，使溝道電子的數(shù)量增多，從而導(dǎo)致電流增部分終止于溝道上，使溝道電子的數(shù)量增多，從而導(dǎo)致電流增大?？梢园汛丝醋魇窃诼﹨^(qū)與溝道之間存在一個(gè)電容大

16、?？梢园汛丝醋魇窃诼﹨^(qū)與溝道之間存在一個(gè)電容 CdCT，當(dāng)，當(dāng) VDS 增加增加 VDS 時(shí)，溝道區(qū)的電子電荷面密度的增量為時(shí)，溝道區(qū)的電子電荷面密度的增量為ZLVCQDSdCTAV 前面的前面的漏極電流公式只適用漏極電流公式只適用于于 VGS VT ，并假設(shè)當(dāng)，并假設(shè)當(dāng) VGS VT 時(shí)時(shí) ID = = 0 。但實(shí)際上當(dāng)。但實(shí)際上當(dāng) VGS VT 時(shí)，時(shí)，MOSFET 仍能仍能微弱導(dǎo)電，這稱為微弱導(dǎo)電，這稱為 。這時(shí)的漏極電流稱為。這時(shí)的漏極電流稱為，記為，記為 。 使硅表面處于本征狀態(tài)使硅表面處于本征狀態(tài)的的 VGS 稱為稱為 ，記為，記為 。當(dāng)當(dāng) VGS = = Vi 時(shí)，表面勢(shì)時(shí)，表面

17、勢(shì) S = = FB，能帶彎曲量為能帶彎曲量為 q FB，表面處于，表面處于 。 當(dāng)當(dāng) Vi VGS VT 時(shí)，時(shí)， FB S 2 FB，表面處于，表面處于 ，反型層中的少子（電子），反型層中的少子（電子）濃度介于本征載流子濃度與襯濃度介于本征載流子濃度與襯底平衡多子濃度之間。底平衡多子濃度之間。 在亞閾區(qū)，表面弱反型層中的電子濃度較小，所以漂移電在亞閾區(qū)，表面弱反型層中的電子濃度較小，所以漂移電流很??；但電子濃度的梯度卻很大，所以擴(kuò)散電流較大。因此流很?。坏娮訚舛鹊奶荻葏s很大，所以擴(kuò)散電流較大。因此在計(jì)算在計(jì)算 IDsub 時(shí)只考慮擴(kuò)散電流而忽略漂移電流。時(shí)只考慮擴(kuò)散電流而忽略漂移電流。

18、由于由于 FB S VDsat 且且恒定時(shí)的恒定時(shí)的 IDsat ，即，即22DSSGSTT22IVVV 表示當(dāng)表示當(dāng) MOSFET 工作于線性區(qū)，且工作于線性區(qū)，且 VDS 很小時(shí)的溝道電阻。很小時(shí)的溝道電阻。當(dāng)當(dāng) VDS 很小時(shí)，很小時(shí)，ID 可表示為可表示為DSTGS2DSDTGSD)(21)(VVVVVVVIS)()(1TGSOXnTGSDDSonVVCZLVVIVR 只適用于增強(qiáng)型只適用于增強(qiáng)型 MOSFET，表示當(dāng)，表示當(dāng) VGS = = 0 ，外加，外加 VDS 后的后的亞閾電流與亞閾電流與 PN 結(jié)反向電流引起的微小電流。結(jié)反向電流引起的微小電流。 表示從柵極穿過柵氧化表示從柵

19、極穿過柵氧化 層到溝道之間的電流。柵極電流層到溝道之間的電流。柵極電流 IG極小，通常小于極小，通常小于 10- -14 A 。 對(duì)于對(duì)于 Td0dVT 無(wú)論無(wú)論 N 溝道還是溝道還是 P 溝道，溝道， 大約為每度幾個(gè)大約為每度幾個(gè) mV 。TVddT (1) 當(dāng)（當(dāng)（VGS VT）較大時(shí)，）較大時(shí)，(3) 令令 ，可解得，可解得, 0ddDTI(2) 當(dāng)（當(dāng)（VGS VT）較小時(shí)，）較小時(shí)，, 0ddDTI0ddDTIDSnTnTGS21ddddVTTVVV 當(dāng)滿足上式時(shí)，漏極電流的溫度系數(shù)為零，溫度對(duì)漏極電當(dāng)滿足上式時(shí)，漏極電流的溫度系數(shù)為零，溫度對(duì)漏極電流無(wú)影響。對(duì)流無(wú)影響。對(duì) P 溝道

20、溝道 MOSFET 也可得到類似的結(jié)論。也可得到類似的結(jié)論。 DDnTnOXDSnddddddIIVZCVTTLT (a) 漏漏 PN 結(jié)雪崩擊穿結(jié)雪崩擊穿 由于在漏、柵之間存在由于在漏、柵之間存在 ，使，使 MOSFET 的漏源擊穿的漏源擊穿電壓遠(yuǎn)低于相同摻雜和結(jié)深的電壓遠(yuǎn)低于相同摻雜和結(jié)深的 PN 結(jié)雪崩擊穿電壓。當(dāng)襯底摻雜結(jié)雪崩擊穿電壓。當(dāng)襯底摻雜濃度小于濃度小于 1016 cm- -3 后，后，BVDS 就主要取決于就主要取決于 VGS 的極性、大小和的極性、大小和柵氧化層的厚度柵氧化層的厚度 TOX 。 (b) 源、漏之間的穿通源、漏之間的穿通1qV2qVN+PN+2sApt2LqN

21、V12sbiptdA2VVLxqN 略去略去 Vbi 后得后得 可見，可見，L 越短，越短，NA 越小，越小，Vpt 就越低就越低 。由于溝道區(qū)摻雜遠(yuǎn)低于。由于溝道區(qū)摻雜遠(yuǎn)低于源漏區(qū)，所以穿通現(xiàn)象是除工藝水平外限制源漏區(qū)，所以穿通現(xiàn)象是除工藝水平外限制 L 縮短的重要因素之一?？s短的重要因素之一。 由于由于 MOS 電容上存貯的電荷不易泄放，且電容的值很小，電容上存貯的電荷不易泄放，且電容的值很小，故很少的電荷即可導(dǎo)致很高的電壓，使柵氧化層被擊穿。由于故很少的電荷即可導(dǎo)致很高的電壓，使柵氧化層被擊穿。由于這種擊穿是破壞性的這種擊穿是破壞性的 ，所以，所以 MOSFET 在存放與測(cè)試時(shí)，一定在存

22、放與測(cè)試時(shí)，一定要注意使柵極良好地接地。要注意使柵極良好地接地。 BVGS 大致正比于柵氧化層厚度大致正比于柵氧化層厚度 TOX ，當(dāng)，當(dāng) TOX = = 150 nm 時(shí)時(shí) ，BVGS 約為約為 75 150 V 。但實(shí)際上由于氧化層的缺陷與不均勻。但實(shí)際上由于氧化層的缺陷與不均勻 ，應(yīng)至少加應(yīng)至少加 50% 的安全系數(shù)。的安全系數(shù)。 BVGS 是使柵氧化層發(fā)生擊穿時(shí)的是使柵氧化層發(fā)生擊穿時(shí)的 VGS 。 DSDmGS|VIgV 代表轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率，它反映了柵源電壓代表轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率，它反映了柵源電壓 VGS 對(duì)對(duì)漏電流漏電流 ID 的控制能力，即反映了的控制能力，即反映了 MOSF

23、ET 的增益的大小。的增益的大小。2DGSTDSDS12IVVVV2DsatGST12IVV 非飽和區(qū)非飽和區(qū) 飽和區(qū)飽和區(qū)DSmVgmsGSTDsatgVVV 為了提高跨導(dǎo)為了提高跨導(dǎo) gms ，從器件角度，應(yīng)提高，從器件角度，應(yīng)提高 ，即增大，即增大 ，提高遷移率提高遷移率 ，減小，減小 TOX 。從電路角度，應(yīng)提高。從電路角度，應(yīng)提高 VGS 。LZ 以以 VGS 作為參變量的作為參變量的 gm VDS 特性曲線特性曲線DSmVgmsGSTDsatgVVV GSDdsDS|VIgV gds 是輸出特性曲線的斜率，也是增量輸出電阻是輸出特性曲線的斜率，也是增量輸出電阻 rds 的倒數(shù)。的倒

24、數(shù)。 非飽和區(qū)非飽和區(qū) 當(dāng)當(dāng) VDS 很小時(shí)很小時(shí) 飽和區(qū)飽和區(qū)dsGSTDSgVVVdsGSTon1gVVR0DSDsatsatdsVIg ）（ 實(shí)際上，實(shí)際上，IDsat 隨著隨著 VDS 的增加而略微增大，使的增加而略微增大，使 ( gds )sat 略大略大于于 0 。降低。降低 ( gds )sat 的措施與降低有效溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)的措施的措施與降低有效溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)的措施是一致的。是一致的。 以以 VGS 為參變量的為參變量的 gds VDS 特性曲線特性曲線 0dddddGSmDSdsGSGSDDSDSDDVgVgVVIVVII DDSGS|IVV 在非飽和區(qū)，對(duì)在非飽和區(qū)，對(duì)

25、 ID 求全微分并令其為零，求全微分并令其為零，飽和區(qū)飽和區(qū) 實(shí)際上，因有效溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)等原因，實(shí)際上，因有效溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)等原因， S 為有限值為有限值 。模擬電路中的模擬電路中的 MOSFET 常工作在飽和區(qū)，希望常工作在飽和區(qū)，希望 S 盡量大，故盡量大，故應(yīng)盡量增大應(yīng)盡量增大 gms ，減小，減小 ( gds )sat 。DSDSmGSdsGSTDSVVgVgVVV satdsmsS）（gg 本征本征 MOSFET 的的共源極共源極小信號(hào)高頻等效電路為小信號(hào)高頻等效電路為飽和飽和區(qū)的等效電路區(qū)的等效電路 mmmsmsmsgg( )11gggfjjfmnGSTg2gsgs11528

26、VVfR CL稱為稱為 ，代表當(dāng)跨導(dǎo)，代表當(dāng)跨導(dǎo) 下降到低頻下降到低頻值的值的 時(shí)的頻率。時(shí)的頻率。| )(|msg21圖中，圖中，（5-126） 為了提高為了提高 fgm ，從器件制造角度，主要應(yīng)縮短溝道長(zhǎng)度，從器件制造角度，主要應(yīng)縮短溝道長(zhǎng)度 L ，其次是應(yīng)提高載流子遷移率其次是應(yīng)提高載流子遷移率 ，所以，所以 N 溝道溝道 MOSFET 的性能比的性能比 P 溝道溝道 MOSFET 好；從器件使用角度，則應(yīng)提高柵源電壓好；從器件使用角度，則應(yīng)提高柵源電壓 VGS 。mnGSTg2gsgs11528VVfR CL 使最大輸出電流與輸入電流相等，即最大電流增益使最大輸出電流與輸入電流相等，即

27、最大電流增益 下降到下降到 1 時(shí)的頻率，稱為時(shí)的頻率，稱為 ，記為，記為 。 當(dāng)當(dāng)輸出端短路時(shí)，能夠得到最大輸出電流。輸出端短路時(shí)，能夠得到最大輸出電流。 當(dāng)當(dāng)輸出端共軛匹配，即輸出端共軛匹配，即 RL = = rds 時(shí)，能夠得到最大輸出功率。時(shí)，能夠得到最大輸出功率。 使使最大功率增益最大功率增益 Kpmax下降到下降到 1 時(shí)的頻率，稱為時(shí)的頻率，稱為 ，記為，記為 。（4-142a）gdgsgsmsT2CCCgf MOSFET 的最大高頻功率增益為的最大高頻功率增益為22omaxms dsms dspmax2222ingsgsgsgs44 2Pg rg rKPC RfC R 可見，可

28、見， ，即每倍頻下降，即每倍頻下降 6 分貝。分貝。2maxp1fK21gsdsT21gsdsgsmsM442RrfRrCgf 提高提高 fM 的主要措施是提高的主要措施是提高 fT ，即縮短溝道長(zhǎng)度，即縮短溝道長(zhǎng)度 L，并提高，并提高rds 。 當(dāng)當(dāng) MOSFET 的溝道長(zhǎng)度的溝道長(zhǎng)度 L時(shí)，時(shí)， 分立器件：分立器件： 集成電路：集成電路：MmaxpgmonmD,fKRgI 但是隨著但是隨著 L 的縮短，將有一系列在普通的縮短，將有一系列在普通 MOSFET 中不明顯中不明顯的現(xiàn)象在短溝道的現(xiàn)象在短溝道 MOSFET 中變得嚴(yán)重起來(lái)，這一系列的現(xiàn)象統(tǒng)中變得嚴(yán)重起來(lái)，這一系列的現(xiàn)象統(tǒng)稱為稱為

29、。，集成度功耗,pdt 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng) MOSFET 的溝道長(zhǎng)度的溝道長(zhǎng)度 L 縮短到可與源、漏區(qū)縮短到可與源、漏區(qū)的結(jié)深的結(jié)深 xj 相比擬時(shí)，閾電壓相比擬時(shí)，閾電壓 VT 將隨著將隨著 L 的縮短而減小，這就是的縮短而減小，這就是 。 代表溝道下耗盡區(qū)的電離代表溝道下耗盡區(qū)的電離雜質(zhì)電荷面密度雜質(zhì)電荷面密度 ?？紤]漏源區(qū)的影響后，?？紤]漏源區(qū)的影響后，QA 應(yīng)改為平均電荷應(yīng)改為平均電荷面密度面密度 QAG 。12AAdsAFB4QqN xqN FBOXAOXOXMST2CQCQVTAGjTAAGj,VQLxLLVQQxL，時(shí)，隨著當(dāng)無(wú)關(guān)與，時(shí)，當(dāng)減小減小閾電壓短溝道效應(yīng)的措施閾電

30、壓短溝道效應(yīng)的措施jdAOXOX()()xxNCT、OXAGTMSFBOXOX2QQVCCLLdxPjx 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng) MOSFET 的溝道寬度的溝道寬度 Z 很小時(shí)，閾電壓很小時(shí)，閾電壓 VT 將隨將隨 Z 的減小而增大。這個(gè)現(xiàn)象稱為的減小而增大。這個(gè)現(xiàn)象稱為 。 AGAAA21ZQQQQZOXAGTMSFpOXOX()2QQVCC狹 當(dāng)當(dāng) VGS VT 且繼續(xù)增大時(shí)，垂直方向的電場(chǎng)且繼續(xù)增大時(shí)，垂直方向的電場(chǎng) E x 增大，表面增大，表面散射進(jìn)一步增大，散射進(jìn)一步增大， 將隨將隨 VGS 的增大而下降，的增大而下降，電場(chǎng)1110 式中，式中， TGSVVK電場(chǎng) 體內(nèi)表面體內(nèi)21

31、110 當(dāng)當(dāng) VGS 較小時(shí)，較小時(shí)， 當(dāng)當(dāng) VGS VT 且繼續(xù)增大時(shí)，垂直方向的電場(chǎng)且繼續(xù)增大時(shí)，垂直方向的電場(chǎng) E x 增大，表面增大，表面散射進(jìn)一步增大，散射進(jìn)一步增大， 將隨將隨 VGS 的增大而下降，的增大而下降，電場(chǎng)1110 式中，式中， TGSVVK電場(chǎng) 體內(nèi)表面體內(nèi)21110 當(dāng)當(dāng) VGS 較小時(shí)，較小時(shí)， VDS 產(chǎn)生水平方向的電場(chǎng)產(chǎn)生水平方向的電場(chǎng) Ey 。當(dāng)。當(dāng) Ey 很大時(shí)，載流子速度將很大時(shí)，載流子速度將趨于飽和。簡(jiǎn)單的近似方法是用二段直線來(lái)描述載流子的趨于飽和。簡(jiǎn)單的近似方法是用二段直線來(lái)描述載流子的 v Ey 關(guān)系，關(guān)系， = = v = = 時(shí)數(shù)，常CKTGS

32、01EEVVVy時(shí)，CKTGS01EEEVVVyy時(shí)，CmaxEEEvyymaxCyvEE常數(shù)，時(shí)vmaxvEy0EC 已知已知 為使溝道夾斷的飽和漏源電壓，也就是為使溝道夾斷的飽和漏源電壓，也就是使使 的飽和漏源電壓。的飽和漏源電壓。 短溝道短溝道 MOSFET 中，因溝道長(zhǎng)度中，因溝道長(zhǎng)度 L 很小，很小， 很高，很高，使漏極附近的溝道尚未被夾斷之前，使漏極附近的溝道尚未被夾斷之前，Ey 就達(dá)到了臨界電場(chǎng)就達(dá)到了臨界電場(chǎng) EC ，載流子速度載流子速度 v (L) 就達(dá)到了飽和值就達(dá)到了飽和值 vmax ，從而使，從而使 ID 飽和。飽和。yVEydd 現(xiàn)設(shè)現(xiàn)設(shè) 為使為使 的飽和漏源電壓。經(jīng)

33、計(jì)算，的飽和漏源電壓。經(jīng)計(jì)算， 可見，可見，V Dsat 總是小于總是小于 VDsat 。 對(duì)于普通對(duì)于普通 MOSFET，TGSDsatDsatVVVV 對(duì)于短溝道對(duì)于短溝道 MOSFET，DsatCDsatVLEV 飽和漏源電壓正比于飽和漏源電壓正比于 L，將隨，將隨 L 的縮短而減小。的縮短而減小。1222DsatDsatCDsatCVVE LVE L 飽和漏源電壓與飽和漏源電壓與 L 無(wú)關(guān)。無(wú)關(guān)。22CDsatE LV22CDsatE LV 對(duì)于短溝道對(duì)于短溝道 MOSFET，22CDsat,E LV2DsatDsatnOXCnOXGSTCCVZICE LZCVVELE L 對(duì)于普通對(duì)于普通 MOSFET， 22CDsatE LV222DsatDsatnOXCnOXDsatDsatC11122VZZICE LCVILE LL 2DsatGSTDsat1,IVVILDsatGSTDsat,IVVIL與無(wú)關(guān)。 普通普通 MOSFET 在飽和區(qū)的跨導(dǎo)為在飽和區(qū)的跨導(dǎo)為 短溝道短