半導體器件物理mosfet

半導體器件物理MOSFET2025/3/224、1MOSFET結構MOS電容:外加VG,氧化層下方半導體表面形成強反型層,連接SD區(qū)

強反型層------MOSFET得導電溝道VDS在溝道上產生電場,載流子從源漂移到漏,被漏極收集形成ID重要參數:溝道長度L:柵氧下方源漏之間半導體得長度、溝道寬度W:與溝長垂直得水平方向得源漏區(qū)寬度柵氧厚度tox2025/3/224、1MOSFET

MOSFET分類(1)

n溝道MOSFET:NMOSP襯,n型反型層,電子導電VDS>0,ID>0p溝道MOSFET:PMOSN襯,p型反型層,空穴導電VDS<0,ID<0按照溝道載流子得導電類型分:每種器件只有一種載流子參與導電——單極性器件2025/3/224、1MOSFET

MOSFET分類(2)0柵壓就是否存在反型溝道分:n溝耗盡型MOSFET零柵壓時已存在反型溝道,VTN<0加柵壓VGS<VTN,溝道關閉n溝增強型MOSFET零柵壓時不存在反型溝道,VTN>0,加柵壓VGS>VTN,溝道開啟思考:不進行專門得N型摻雜,能否形成耗盡型NMOS？2025/3/224、1MOSFET

MOSFET分類(3)

p溝增強型MOSFET零柵壓時不存在反型溝道VTP<0加柵壓VGS<VTP,溝道開啟p溝耗盡型MOSFET零柵壓時存在反型溝道VTP>0加柵壓VGS>VTP,溝道關閉4、1MOSFET

MOSFET分類(4)四種類型MOS晶體管得電路符號n溝、p溝得箭頭:襯底與溝道之間可形成得場感應pn結得正偏方向耗盡型:代表溝道區(qū)得線為實線,即VGS=0時已存在溝道增強型:代表溝道區(qū)得線為虛線,即VGS=0時不存在溝道4、1MOSFET

MOSFET分類(5)四種類型MOS晶體管得得偏置條件4、1MOSFET

MOSFET得閾值電壓VBS=0,即襯底接地;VGS

即為中間MOS電容兩側電勢差MOS電容VT:MOS電容半導體表面就是否強反型得臨界電壓,

強反型層-MOSFET得導電溝道VGS＜VT:半導體表面未形成強反型層,導電溝道未形成,器件截止VGS>VT:半導體表面形成強反型層,導電溝道形成,器件導通MOSFET得閾值電壓VT:表面剛剛產生溝道所需得柵源電壓溝道內可動電荷Qn,面電荷密度Q`n=COX(VGS-VT):只有VGS大于>VT,表面才產生導電溝道,根據電容電壓電荷關系得Q`n2025/3/22n溝增強型4、1MOSFET

I-V定性分析偏置特點:VBS=0,源襯短接;VGS>VT,溝道形成;

VDS≥0,形成漏極電流ID,造成溝厚不等厚:

VDS≥0→溝道中從源到漏電位不斷增大→溝道上一點X,VXS,X從S往D移動,VXS↑,VGX(=VGS-VXS)↓→VGX>VT,X點處才形成溝道,反型層可動電荷Q`n(x)=COX(VGX-VT),→X從S往D移動,Q`n(x)不斷↓,源端Q`n(0)最大,漏端Q`n(L)最小溝道面電荷密度不相等可等效為溝道截面積不相等2025/3/22n溝增強型大家學習辛苦了，還是要堅持繼續(xù)保持安靜2025/3/224、1MOSFETID隨VDS得變化(1)線性區(qū)VDS＜＜VDS(sat),VDS對Vox得抵消作用可忽略→反型層和耗盡層近似均勻→溝道等效電阻不變

→ID∝VDS(線性區(qū))2025/3/224、1MOSFET

ID隨VDS得變化(2)過渡區(qū)脫離線性區(qū)后,VDS↑,VDS對Vox得抵消作用不可忽略→溝道厚度不等→溝道等效電阻增加

→ID隨VDS得增長率減小(過渡區(qū))2025/3/224、1MOSFETID隨VDS得變化(3)飽和點飽和點:溝道夾斷點X:

反型層電荷密度剛好≈0→VGX=VT,

→VGS-VXS=VT

→VXS=VGS-VT=VDS(sat)

→2025/3/224、1MOSFETID隨VDS得變化(4)飽和區(qū)原溝道區(qū):導電溝道區(qū)和夾斷區(qū)。電流被夾斷了嗎？導電溝道區(qū)可導電,又有電勢差,所以有電流,根據電流連續(xù)性原理,整個器件得電流仍存在,大小由導電溝道區(qū)決定漂移到夾斷點得電子在夾斷區(qū)大電場得作用下被掃向漏極,形成ID長溝MOSFET,L變化可略,導電區(qū)形狀和該區(qū)上壓降不變,ID保持剛夾斷時得IDS(sat)不變,即飽和區(qū)內ID不隨VDS得增加而增加擊穿區(qū):

VDS再繼續(xù)↑→漏極和襯底之間PN結反偏電壓過大

→導致pn結耗盡層內發(fā)生雪崩擊穿,ID急劇增大,進入擊穿區(qū),→此時電壓為BVDS輸出特性曲線:VGS>VT得某常數時,ID隨VDS得變化曲線4、1MOSFETI-V特性定性分析n溝增強型MOSFET器件源漏ID-VDS特性曲線簇VGS不同,ID隨VDS變化物理過程與上述分析相同,曲線變化趨勢也相同VGS得影響:非飽和區(qū):VGS增大,Q`n=COX(VGS-VT)增大,所以對同一VDS,ID增大飽和點:VDS(sat)=VGS-VT,VGS增大,VDS(sat)也增大。飽和區(qū):VGS增大,Q`n=COX(VGS-VT)增大,飽和電流也增大4、1MOSFETI-V特性定性分析4、1MOSFETI-V轉移特性轉移特性曲線:VDS為>0得某常數時,ID隨VGS得變化曲線VGS增大,Q`n=COX(VGS-VT)增大,飽和電流也增大VGSPMOSFETNMOSFET增強型NMOS耗盡型NMOS增強型PMOS耗盡型PMOS4、1MOSFETI-V輸出特性4、1MOSFETI-V特性定量分析p型襯底、n型溝道MOSFET0溝道電流沿水平方向(X方向),柵與溝道之間電流=0溝道電流為多子漂移電流,載流子遷移率為常數緩變溝道近似(長溝器件),即垂直于溝道方向上得電場變化遠大于平行于溝道方向上得電場變化,EX為常數溝道中可動面電荷密度Q`n(x)=COX(VGX-VT)沿X方向“緩變”面電荷密度另一種表示Q`n(x)=en(x)h(x)

式中h(x)為X處導電溝道得厚度2025/3/224、1MOSFETI-V特性:基本假設4、1MOSFETI-V特性定量分析歐姆定律:dVx=IDdR(x),根據定義Q`n(x)=en(x)h(x),根據MOS結構Q`n(x)=COX(VGX-VT)2025/3/224、1MOSFETI-V特性:溝道電流漏源電流強度成立條件非飽和區(qū)IV公式2025/3/224、1MOSFETI-V特性:線性區(qū)與飽和區(qū)2025/3/224、1MOSFETI-V特性:提高器件ID驅動能力得途徑同一個IC中,不同晶體管得COX以及VT相同,控制不同MOS器件溝道得W/L可控制電流大小。L最小值取決于工藝水平、在工作電壓范圍內,適當提高器件偏置電壓VGS材料參數設計參數工藝參數2025/3/224、1MOSFETμ和VT得測試提取方法高場下遷移率隨電場上升而下降存在亞閾值電流n溝耗盡型n溝增強型2025/3/224、1MOSFET跨導:模型跨導:VDS一定時,漏電流隨VGS變化率:

又稱晶體管增益:表征FET放大能力得重要參數,反映了VGS

對ID

得控制能力單位S(西門子),一般為幾毫西(mS)

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