1、1 微电子器件原理第7章 MOS场效应晶体管27.1 MOSFET基本工作原理和分类一、MOSFET的基本结构37.1 MOSFET基本工作原理和分类一、MOSFET的基本结构47.1 MOSFET基本工作原理和分类二、MOSFET的基本工作原理MOSFET的基本工作原理是基于半导体的“表面场效应” 当当VGS=0V时，漏源之间相当两个背时，漏源之间相当两个背靠背的靠背的 二极管，在二极管，在D、S之间加上电压不之间加上电压不会在会在D、S间形成电流。间形成电流。 当栅极加有电压当栅极加有电压0VGSVT时，通过时，通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方
2、的方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不足形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不足以形成漏极电流以形成漏极电流ID。57.1 MOSFET基本工作原理和分类二、MOSFET的基本工作原理67.1 MOSFET基本工作原理和分类二、MOSFET的基本工作原理77.1 MOSFET基本工作原理和分类二、MOSFET的基本工作原理栅源电压对沟道的影响87.1 MOSFET基本工作原理和分类二、MOSF
3、ET的基本工作原理漏源电压对沟道的影响97.1 MOSFET基本工作原理和分类三、MOSFET的分类类型n沟MOSFETp沟MOSFET耗尽型增强型耗尽型增强型衬底p型n型S、D区n+区p+区沟道载流子电子空穴VDS00IDS方向由DS由SD阈值电压VT0VT0VT0，则，则也应减去相应电压也应减去相应电压27287.2 MOSFET的阈值电压二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析1.偏置电压的影响2.栅电容Cox3.功函数差ms4.衬底杂质浓度的影响5.氧化膜中电荷的影响NA(ND)通过费米势（以及功函数）影响通过费米势（以及功函数）影响VTFoxBoxoxmsTCQCQVV 2maxiD
4、FniAFpnNqkTnNqkTlnln 每每2个数量级约个数量级约0.1V(eV)影响不大影响不大真空真空E0EFMEcEvEFSEiEc(SiO2)Enm m oxc cc cs s csEE 0c c297.2 MOSFET的阈值电压二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析1.偏置电压的影响2.栅电容Cox3.功函数差ms4.衬底杂质浓度的影响5.氧化膜中电荷的影响NA(ND)通过场感应结耗尽层空间电荷影响通过场感应结耗尽层空间电荷影响VTFoxBoxoxmsTCQCQVV 2max210maxmax2sAdABVqNxqNQoxACNFqF ;20设体效应系数体效应系数msiABSFo
5、xoxTnVnNqkTVyVCQVln2)(221 30oxAoxoxoxoxoxAdNqdCqFCNF 00002231msiABSFAoxoxoxTnVnNqkTVyVqNCCQVln2)(221210 衬底杂质浓度越大，衬底杂质浓度越大，其变化对其变化对VT的影响的影响越大，是因为杂质越大，是因为杂质浓度越大，越不易浓度越大，越不易达到表面强反型达到表面强反型32衬底反偏衬底反偏VBS通过通过NA(ND) 影响影响QBmax，从而改变，从而改变VTmsiABSFAoxoxoxTnVnNqkTVyVqNCCQVln2)(221210 即不同的即不同的 NA下，下，VBS对对VT的影响也不同
6、的影响也不同 1)22()2(21)2(2121max210210FBSFoxBFAoxBSFAoxTVCQqNCVqNCV向负方向漂移（更负）增大，即随对于向正方向漂移（更正）增大，即随对于TpBSTpBTnBSTnBVVVQVVVQ, 0, 0MOS,沟p, 0, 0MOS,沟nmaxmax 越大下，）越大，同样（增大；且增大，总之，TBSDATBSVVNNVV 33越大下，同样）越大，（且增大；增大，总之，TBSDATBSVVNNVV 1.偏置电压的影响2.栅电容Cox3.功函数差ms4.衬底杂质浓度的影响5.氧化膜中电荷的影响341.偏置电压的影响2.栅电容Cox3.功函数差ms4.衬
7、底杂质浓度的影响5.氧化膜中电荷的影响iAFnNqkTln imgmsnNqkTEqVln)2(1 c c210maxmax2sdBVqNxqNQ衬底杂质浓度衬底杂质浓度N可以通过可以通过F、Vms及及QBmax影响影响VT，其中影响，其中影响最大者为最大者为QBmax，故现代，故现代MOS工艺中常用离子注入技术调整工艺中常用离子注入技术调整沟道区局部沟道区局部N来调整来调整VToxsoxBTCqNCQVmax Ns为注入剂量综上所述：综上所述：357.2 MOSFET的阈值电压二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析1.偏置电压的影响2.栅电容Cox3.功函数差ms4.衬底杂质浓度的影响5.
8、氧化膜中电荷的影响界面态电荷界面态电荷（界面陷阱电荷）（界面陷阱电荷）半导体表面晶格周期中断，存在“悬挂键”（高密度局部能级）。束缚电子带负电荷，俘获空穴则带正电荷。这种由悬挂键引起的表面电子状态称为表面态，与SiO2交界，又称界面态其带电状态与能带弯曲有关，且有放电驰豫时间，应尽量降低其密度36固定氧化物电荷固定氧化物电荷可动离子电荷可动离子电荷电离陷阱电荷电离陷阱电荷位于界面SiO2侧20nm的区域内，密度约1011cm-2，带正电荷。一般认为是界面附近存在未充分氧化的Si离子过剩硅离子及氧空位特点：固定正电荷，不随表面势或能带弯曲程度而变化 与硅掺杂浓度及类型无关，与SiO2膜厚度无关
9、与生长条件（氧化速率）、退火条件和晶体取向有关起因于进入SiO2层中的Na+、K+、Li+等轻碱金属离子及H+离子特点：室温可动，温度和电场作用可使之移动。X-射线、射线、高能/低能电子束等照射SiO2膜时产生电子-空穴对，若同时存在电场，则电场使电子-空穴分离，正栅压的电场使部分电子移向栅极并泄放，多余空穴在未被硅侧电子补偿时积聚在界面附近形成正电荷层3738 上述4种电荷的作用统归于Qox等效电荷 电荷本身与半导体表面的距离不同，对表面状态的影响也不同。距离越近，影响越强。故等效为界面处的薄层电荷 由VT、Qox及N的共同作用使器件呈增强型或耗尽型对n-MOS：Qox若较大，则易为耗尽型。
10、欲得增强型，需控制Qox，并适当提高衬底浓度对p-MOS：VT总是负值，易为增强型。欲得耗尽型，需采用特殊工艺或结构，如制作p预反型层，或利用Al2O3膜的负电荷效应，制作Al2O3 /SiO2复合栅等。39n当Qox1012cm-2时，即使NA1017cm-3，仍有VT0n当NA1015cm-3时， VT随NA上升明显，且逐渐由负变正n随Qox增大，转变点对应的NA增大 所以，欲获得增强型(VT0)，可以n提高衬底浓度NAn降低氧化层中电荷量Qox407.2 MOSFET的阈值电压三、关于反型程度划分的讨论 在以前的讨论中，以表面势达到2倍费米势，即反型层载流子浓度等于体内多子浓度为表面强反
11、型的标志 实际上，MOS器件工作在不同的栅压下，其反型程度和反型载流子浓度变化规律也不同4142kTVqikTqVpskTVqikTqVpssFsFsseneppenenn)(0)(0 MOS结构中半导体表面电荷密度与表面势的关系0000;2;0pspsFsissFspspssnppnVnpnVppnnV 反型：耗尽：平带：43002*,2*)( 0* ：1BssFnBsFsFsFiFspnVQpnVEEV ，强反型很小但开始出现并，弱反型，能带由平带弯曲至，耗尽，划分 ，强反型强反型开始中反型中反型开始弱反型弱反型开始，耗尽：划分sFFFsFFFsFFFsVqkTnqkTnqkTnVVV 2
12、*2 ,22*2 ,2* 0*2HO MOLO44弱反型区弱反型区dVs/dVGB较大，较大，且近似为常数，而强反且近似为常数，而强反型时斜率变得很小，中型时斜率变得很小，中反型区过渡反型区过渡综上所述：1、Vs=2F时，ns=pB0，但Qn很小，故在前述讨论中忽略是合理的2、 Vs=2F时，Qn很小，以至在中反型区内变化缓慢，其屏蔽作用 和xdmax的真正实现都有较大误差。故当VGB较大时，假定Vs=2F进入强反型，才不会引入太大误差。3、强反型需要Qn的屏蔽作用，使xd xdmax。 Vs=2F时，ns=pB0是以所用衬底的浓度为标准，若NA很低，则ns也将很小，故是相对标准，不能保证屏蔽
13、作用。45467.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲线一、MOSFET的电流-电压特性目的：方法：获得IDS随VGS和VDS的变化关系，即),(DSGSDSVVfI )()()()()(2)()(2)()(),()(),(),(0yxqNyQyQyQyQVyVVCyQVyVCyQVdxWyxnqyQyxJyxndABBsnFBFGSoxsFBFoxsGSxnd 其中，可求得由形成电流在电场作用下，沟道中根据欧姆定律： FoxBoxoxmsTCQCQVV 2max4748假设：1.源接触电极与沟道源端之间、漏接触电极与沟道漏端之间的压降可忽略2.反型层中载流子的迁移率n为常数3.沟道电流为
14、漂移电流4.沟道与衬底之间的反向泄漏电流为零5.跨过氧化层而保持反型层电荷的沿 x 方向的电场分量Ex与沟道中使载流子沿沟道长度y方向运动的电场分量Ey无关，且 即满足缓变沟道近似yExEyx 沟道电场y方向变化很小49计算：强反型情况下，离开源端y处，表面感应总电荷面密度Qs(y)()()(yQyQyQBns 沟道电流ID沿沟道y方向产生压降V(y)，此时表面势FsyVyV 2)()( MOS结构强反型所需栅压FBsoxGSVyVyVV )()(其中oxoxoxsoxtyECyQyV )()()(故表面开始强反型时2)()(2)()(FBFGSoxsFBFoxsGSVyVVCyQVyVCyQ
15、V 50此时，场感应结耗尽层中（电离受主）电荷面密度2102)(2)()(FAdAByVqNyxqNyQ p-n结外加电压p-n结接触电势差则)(2)()()()(maxTGSoxoxBFBFGSoxBsnVyVVCCQVyVVCyQyQyQ 说明强反型后，多余的VGS用于Qn(y)由欧姆定律dydVyxnqEqyxnEyxyxJnyny),()(,(),(),( 2)()(FBFGSoxsVyVVCyQ 51dydVyQWdxyxqndydVWdxWdydVyxnqdSyxJyIdxWdSdydVyxnqEqyxnEyxyxJnnxnxnnnynydd)( ),(),(),()(),()(,
16、(),(),(00 ）积分，则有对沟道横截面积（ DSVTGSoxnLDSTGSoxnnDSTGSoxnnDSdVyVVVCWdyIdVyVVVCWdyyIdyIdydVyVVVCWyII00)()()()()( 21)(2DSDSTGSoxnDSVVVVLCWI n沟MOSFET基本I-V方程5221)(2DSDSTGSoxnDSVVVVLCWI 件结构和材料的参数因子，是一个取决于器称令 LCWoxn 21)(2DSDSTGSVVVV 近似线性关系与即时，当DSDSDSTGSDSTGSDSVIVVVIVVV,)()( 因为，当VDS很小时，沟道压降影响甚微，沟道中各处电子浓度近似相同，整个
17、沟道近似为一个欧姆电阻，其阻值为：TGSnoxTGSDSDSVVWLtVVIVR 1)(10 53VDSDSI IDSDSV VGSGSV VGS GS IDsatVGS-VTIDsat非饱和区非饱和区近似线性关系与即时，当DSDSDSTGSDSTGSDSVIVVVIVVV,)()( 因为，当VDS很小时，沟道压降影响甚微，沟道中各处电子浓度近似相同，整个沟道近似为一个欧姆电阻，上升变缓随项增大，增大，随着DSDSDSDSVIVV221* 因为VDS增大，沟道压降V(y)由源到漏上升，使栅绝缘层上压降由源到漏下降，反型层逐渐减薄，QB增加，Qn减小oxoxBTGDDSGSnTGSDSVCyQV
18、VVVLQVVV )(；0)(max）；（时，当 此时，沟道漏端反型层消失，沟道被夹断（预夹断），漏极电流达最大值Idsat称饱和漏源电流2)(2TGSDsatVVI 沟道夹断在y=L点时对应的VDS=VGS-VT，称为饱和漏源电压VDsat=VDsat 夹断点处保持V(y)=VDsat=VGS-VT的沟道压降，并随VDS的增加而向源端移动，夹断点与沟道漏端之间形成夹断区);TDSGSGDTGSDSTGSDSVVVVVVVVVV 时，（当 增加的漏源电压降落在夹断区上，夹断区电场增大，缓变沟道近似不再成立近似在饱和区以2)(2TGSDSVVI 5455关于绝缘层中的电场Eox：在源端在源端y=
19、0，tox两侧压降两侧压降Vox为为VGS(VT)，Eox由栅极指向源极由栅极指向源极随随y增大，增大，V(y)，tox两侧压降为两侧压降为VGS-V(y), Eox由栅极指向沟道区由栅极指向沟道区在夹断点，在夹断点，V(y)=VGS-VT(VDsat)， tox两侧压降为两侧压降为VT， Eox由栅极指向沟道区由栅极指向沟道区在夹断点漏端侧某处在夹断点漏端侧某处V(y)=VGS，Vox=0， Eox=0对于耗尽型对于耗尽型nMOSFET，VTVGS，则在夹断点源端侧有，则在夹断点源端侧有Eox=0金属栅极SiO2n+n+y0LtoxSDGVGSVGSV(y)0VGSVGSVGSVGS-VTE
20、ox=0VDS参见p27156曾经假设沟道载流子迁移率为常数实际上，由于Ex的散射，以及半导体表面存在更多的缺陷和其它散射中心，使沟道载流子迁移率比体内的迁移率低得多另外，迁移率的变化与垂直方向场强Ex密切相关577.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲线二、MOSFET的特性曲线1、输出特性曲线、输出特性曲线DsatVDSI非饱和区非饱和区饱和区饱和区截止区截止区输出特性曲线描绘IDSVDS(VGS)关系曲线分4个区：非饱和区：VDSVdsat,，IDSVDS近似线性关系，可调电阻区饱和区：VDsatVDSBVDS，沟道漏端夹断，IDS达饱和值IDsat截止区：半导体表面没有强反型导电沟
21、道，仅有反向漏电流击穿区：反偏漏-衬结击穿，IDS剧增58图(a)是以衬底电位为参考点，以VGB为参量的输出特性图(b)是以源极电位为参考点，以VGS为参量的输出特性由于参考电位的不同，图(a)相当于图(b)向右平移VSB，即VDB比VDS大VSB， VDB=VDS+VSB同时，VGB=VGS+VSB（左、右两图中对应曲线的沟道导电状况相同）59均以源极为参考电位时，随衬底反偏增大，漏极电流减小均以源极为参考电位时，随衬底反偏增大，漏极电流减小 衬底反偏增大使半导体表面耗尽层加宽，电荷增加，反型沟道中衬底反偏增大使半导体表面耗尽层加宽，电荷增加，反型沟道中载流子（电荷）减少，导电能力减小载流子
22、（电荷）减少，导电能力减小21)(2DSDSTGSoxnDSVVVVLCWI msiABSsAoxoxoxTnVnNqkTVyVVqNCCQVln2)(21210计算电流-电压方程时仅考虑了V(y)的作用，未计入VBS607.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲线二、MOSFET的特性曲线2、转移特性曲线、转移特性曲线 作为电压控制器件，转移作为电压控制器件，转移特性表征栅源输入电压特性表征栅源输入电压VGS对对漏源输出电流漏源输出电流IDS的控制能力的控制能力 与与JFET一样，一样，MOSFET的转移特性可从输出特性曲的转移特性可从输出特性曲线族上得到线族上得到耗尽型MOSFET增强型
23、MOSFET61耗尽型增强型P沟n沟P沟n沟电路符号电路符号转移特性转移特性输出特性输出特性627.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲线三、MOSFET的直流参数1、阈值电压阈值电压VTFoxBoxoxmsTCQCQVV 2maxiDoxdDoxoxmsTpiAoxdAoxoxmsTnnNqkTCxqNCQVVnNqkTCxqNCQVVln2ln2maxmaxmsiABSFAoxoxoxTnVnNqkTVyVqNCCQVln2)(221210 对耗尽型器件，又称对耗尽型器件，又称夹断电压夹断电压；对增强型器件，又称；对增强型器件，又称开启电压开启电压它是通过它是通过VGS的变化，使导电沟
24、道产生的变化，使导电沟道产生/消失的临界电压，是消失的临界电压，是VGS能够：能够：抵消金抵消金-半接触电势差半接触电势差补偿氧化层中电荷补偿氧化层中电荷建立耗尽层电荷（感应建立耗尽层电荷（感应结）结）提供反型的提供反型的2倍费米势倍费米势637.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲线三、MOSFET的直流参数2、饱和漏源电流饱和漏源电流IDSS定义：当定义：当VGS=0时的饱和漏源电流。时的饱和漏源电流。对于对于耗尽型耗尽型MOSFET，VGS=0时已有导电沟道。时已有导电沟道。IDSS对应于对应于VGS=0时输出特性曲线饱和区的电流值，或者转移特性时输出特性曲线饱和区的电流值，或者转移
25、特性曲线与纵轴的交点。（不同于曲线与纵轴的交点。（不同于IDsat）沟取负号沟取正号pnVLWtVLCWIVVLCWIIIToxToxnDSSTGSoxnDsatVDsatDSSGS 2022022)(2可见：可见：IDSS与原始沟道导电能力有关：宽长比、迁移率、原始沟道厚度与原始沟道导电能力有关：宽长比、迁移率、原始沟道厚度(VTns)、Cox 647.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲线三、MOSFET的直流参数3、截止漏电流截止漏电流4、导通电阻导通电阻 对于对于增强型增强型MOSFET，VGS=0时，源、漏之间为两背靠背的时，源、漏之间为两背靠背的p-n结，结，VDS作用下，作用
26、下，VGS=0时的时的IDS为截止漏电流。为截止漏电流。 实际上是实际上是p-n结的反向漏电流，对结的反向漏电流，对Si-p-n结主要是势垒产生电流。结主要是势垒产生电流。 工作在非饱和区的工作在非饱和区的MOSFET，当，当VDSVGS-VT时，输出特性是时，输出特性是直线（线性区），沟道的导电能力相当于一个电阻（压控电阻）。直线（线性区），沟道的导电能力相当于一个电阻（压控电阻）。定义：定义：VDS很小时，很小时，VDS与与IDS之比为导通电阻，记为之比为导通电阻，记为Ron.TGSnoxTGSDSDSonVVWLtVVIVR1)(10 DSononRRRR*657.3 MOSFET的I-
27、V特性和直流特性曲线三、MOSFET的直流参数5、栅源直流输入阻抗栅源直流输入阻抗RGS6、最大耗散功率最大耗散功率PCM栅源直流绝缘电阻。取决于栅氧化层的绝缘电阻值。栅源直流绝缘电阻。取决于栅氧化层的绝缘电阻值。一般在一般在109以上。以上。MOSFET输入阻抗远高于输入阻抗远高于BJT和和JFETDSDSCVIP耗散功率耗散功率PC将转变为热量使器件升温，性能劣化。将转变为热量使器件升温，性能劣化。保证器件正常工作所允许的保证器件正常工作所允许的PC为为PCM，或称最大功耗。，或称最大功耗。MOSFET的耗散功率主要耗散在沟道区，特别是夹断区。的耗散功率主要耗散在沟道区，特别是夹断区。66
28、67687.4 MOSFET击穿特性一、漏源击穿一、漏源击穿 1、漏源雪崩击穿、漏源雪崩击穿漏源击穿漏源击穿栅击穿栅击穿雪崩击穿雪崩击穿势垒穿通势垒穿通n漏漏-衬底衬底p-n结雪崩击穿结雪崩击穿n沟道雪崩击穿沟道雪崩击穿n雪崩注入现象雪崩注入现象n雪崩注入现象应用雪崩注入现象应用栅电极覆盖情况栅电极覆盖情况衬底电阻率和结深衬底电阻率和结深氧化层厚度氧化层厚度栅极电压极性和大小栅极电压极性和大小69一、漏源击穿一、漏源击穿 1、漏源雪崩击穿、漏源雪崩击穿n沟道雪崩击穿沟道雪崩击穿（沟道击穿）（沟道击穿） 在夹断区，特别是短沟器件中，VDS在沟道方向上建立较强电场，使沟道中载流子通过碰撞电离和雪崩
29、倍增产生大量电子-空穴对。与沟道载流子同型的载流子汇入沟道电流，导致漏极电流剧增而击穿，相反型号载流子通常被衬底吸收，形成寄生衬底电流的一部分。70n雪崩注入现象雪崩注入现象（热载流子效应）（热载流子效应）漏（源）对衬底的击穿电压蠕变：漏（源）对衬底的击穿电压蠕变：时间约时间约1秒；秒；在在处处ID越大，转移越快；越大，转移越快；在在处降低处降低VD，再加压，直接呈，再加压，直接呈现现 ；在在500退火后，重新测试，呈退火后，重新测试，呈现现并转移到并转移到 。此现象由雪崩注入引起：即漏结雪崩过程产生的电子或空穴注入到栅氧化层中，使之带电。即漏结雪崩过程产生的电子或空穴注入到栅氧化层中，使之带
30、电。栅氧化层带电将屏蔽栅电场，使漏极电场减弱。栅氧化层带电将屏蔽栅电场，使漏极电场减弱。这时要达到击穿临界场强，必须提高漏极电压这时要达到击穿临界场强，必须提高漏极电压VD，故表现为击穿电压增大，故表现为击穿电压增大击穿电流越大，可能注入的载流子（电荷）越多，漏极击穿电压蠕动越快击穿电流越大，可能注入的载流子（电荷）越多，漏极击穿电压蠕动越快71nSi中电子进入SiO2需越过3.15eV的势垒，越过势垒的概率为2.810-5nSi中空穴进入SiO2需越过3.8eV的势垒，越过势垒的概率为4.610-8n电子比空穴更容易注入电子比空穴更容易注入最终决定注入载流子类型的是栅源之间电场的方向： n沟
31、器件的电场促进空穴的注入 p沟器件的电场促进电子的注入故p沟MOSFET的雪崩注入现象更为显著72n雪崩注入现象的应用（雪崩注入现象的应用（EPROM）浮置栅雪崩注入浮置栅雪崩注入MOS器件（器件（FAMOS）Floating gate Avalanche injection MOS迭栅雪崩注入迭栅雪崩注入MOS器件（器件（SAMOS）Superposed gate Avalanche injection MOS 多晶硅栅被包在SiO2中，形成浮置栅极。当VDS使漏结雪崩时，电子注入浮栅，并逐渐使表面反型而出现导电沟道（写入写入）。 在浮栅SiO2上再做一外栅作为控制栅极，浮栅作为存储栅。雪崩
32、时，在控制栅上加正电压可促进电子的注入，故可在较低漏压下使浮栅存储较多电荷 当用紫外光照射或在控制栅上加较大偏压当用紫外光照射或在控制栅上加较大偏压时，浮栅电子吸收光子能量或在电场作用下，时，浮栅电子吸收光子能量或在电场作用下，再次越过势垒，通过衬底或外栅释放（再次越过势垒，通过衬底或外栅释放（擦除擦除）73一、漏源击穿一、漏源击穿 2、漏源势垒穿通、漏源势垒穿通短沟器件漏源耐压的限制因素之一 VDS作用于n+-p-n+之间（n-MOSFET)，对源n+-p结为正偏，对漏p-n+为反偏。 在短沟道器件中，沟道杂质浓度又较低时，反偏漏p-n+结空间电荷区向源端扩展至与源n+-p结空间电荷区相连时
33、，发生漏、源势垒穿通。 此时，正偏源结注入，反偏漏结收集，电流IDS急剧增大，发生势垒穿通下的漏源击穿。 按单边突变结近似，BVDS下耗尽层宽度等于沟道长度时：022102)2(LqNBVLqNBVxBCDSBCDSm 747.4 MOSFET击穿特性二、二、MOSFET的栅击穿的栅击穿n当当VGS=BVGS时，栅极下面绝缘层被击穿时，栅极下面绝缘层被击穿n是是不可逆击穿不可逆击穿，一般使栅极与衬底短路而使器，一般使栅极与衬底短路而使器件失效件失效n理论上，栅氧化膜的击穿场强为理论上，栅氧化膜的击穿场强为(510)8106V/cm，且随氧化膜质量而下降，且随氧化膜质量而下降n击穿时，击穿点电流
34、密度可达击穿时，击穿点电流密度可达1061010A/cm2，峰值温度峰值温度4000Kn由于栅绝缘层有很高的绝缘电阻，栅电容很小，由于栅绝缘层有很高的绝缘电阻，栅电容很小，栅氧化层很薄，所以，要特别注意栅氧化层很薄，所以，要特别注意MOS器件器件的的栅保护栅保护问题问题n测试和使用时，要十分小心避免静电，存放时使各极短路及使用防静电包装n在器件设计时，在栅输入端引入保护结构757.5 MOSFET频率特性一、一、MOSFET的低频小信号等效电路的低频小信号等效电路 1、低频小信号参数、低频小信号参数+ - +- +SDGBVDS0VGS0VSB0IDnMOSFET的栅跨导的栅跨导gm(跨导）跨
35、导）n小信号衬底跨导小信号衬底跨导gmbn小信号漏端电导小信号漏端电导gdsn电压放大系数电压放大系数 VGSID+ID+ - +- +SDGBVDS0VGS0VSB0- +cVVGSDSmBSDSVIg ,nMOSFET的栅跨导的栅跨导gm(跨导）跨导）n小信号衬底跨导小信号衬底跨导gmbn小信号漏端电导小信号漏端电导gdsn电压放大系数电压放大系数 cVVBSDSmbGSDSVIg ,nMOSFET的栅跨导的栅跨导gm(跨导）跨导）n小信号衬底跨导小信号衬底跨导gmbn小信号漏端电导小信号漏端电导gdsn电压放大系数电压放大系数 VBSID+ID+ - +- +SDGBVDS0VGS0VS
36、B0- +cVVDSDSdsBSGSVIg ,nMOSFET的栅跨导的栅跨导gm(跨导）跨导）n小信号衬底跨导小信号衬底跨导gmbn小信号漏端电导小信号漏端电导gdsn电压放大系数电压放大系数 VDSID+ID+ - +- +SDGBVDS0VGS0VSB0- +cIGSDSDSVV nMOSFET的栅跨导的栅跨导gm(跨导）跨导）n小信号衬底跨导小信号衬底跨导gmbn小信号漏端电导小信号漏端电导gdsn电压放大系数电压放大系数 VGSIDS=c+ - +- +SDGBVDS0VGS0VSB0- +VDS- +76MOSFET的栅跨导的栅跨导gm(跨导）跨导）cVVGSDSmBSDSVIg ,
37、漏极电流微分增量与栅源电压微分增量之比，表示栅源电压VGS对漏极电流IDS的控制能力与JFET的跨导有相同的意义21)(2DSDSTGSDSVVVVI DSmVg 器件工作在非饱和区时，跨导gm仅随漏极电压VDS线性增大)()(2 2TGSmsTGSDsatVVgVVI 在饱和区中，跨导gms仅随栅源电压VGS线性变化实际MOSFET中的附加串联电阻导致跨导的实际值低于理论值。实际作用在沟道上的有效栅压： 实际起作用的漏源电压：SDGSGSRIVV)(DSDDSDSRRIVV SmmmsDSdlSmmmRgggRRgRggg 1;)(1*77 两者沟道导电能力随栅源电压变化规律不同。在JFET
38、中是VGS的平方根与沟道厚度关系。 两者VGS的范围也不同。VDSIDSVGS=0VGS0MOSFETJFETJFET的线性关系而不同于因DSnGSIQVMOSFET的跨导 RLWtCggoxoxmsm、：因子),()( 21)(2DSDSTGSDSVVVVI 非饱和区跨导与VGS、VDS有关饱和区跨导仅与VGS有关非饱和区跨导gm仅随VDS线性增大饱和区，跨导gms仅随VGS线性变化欲使欲使78小信号衬底跨导小信号衬底跨导gmbcVVBSDSmbGSDSVIg ,漏极电流微分增量与衬底偏置电压微分增量之比，表示衬底偏置电压VBS对漏极电流IDS的控制能力背栅：衬底偏置表面耗尽层厚度空间电荷面
39、密度反型层 电荷密度沟道导电能力计及空间电荷（耗尽层）影响的I-V方程为：)2()2(3221)2(23232FFDSDSDSFGSDSVVVVI 与空间电荷有关项BSV BSV )2()2(221210BSFBSFDSAnmbVVVLqNWg VDS构成V(y)VBS构成反偏按p-n结电压-电荷规律79半导体器件物理与工艺美施敏p223)(2)()()()(maxTGSoxoxBFBFGSoxBsnVyVVCCQVyVVCyQyQyQ 21)(2DSDSTGSoxnDSVVVVLCWI 理想结构中忽略或归入VT关于表面（场感应结）耗尽层电荷关于表面势Vs和2倍费米势)2()2(3221)2(
40、23232FFDSDSDSFGSDSVVVVI 2)(22)()(2)(2)()()()(00maxmaxFAFGSoxnFAdABBsnyVqNyVVCyQyVqNxqNyQyQyQyQ -VFB-VFBBSV BSV BSV BSV 半导体表面电势和其特征值的关系半导体表面电势和其特征值的关系80msiABSFAoxoxoxTnVnNqkTVyVqNCCQVln2)(221210从从VT通式（通式（7-22）(y)带入带入dydVyVVVCWyIITGSoxnnDS)()( （7-52）dyydVVyVqNCyVVVCWIBSFAoxFFBGSoxnDS)()(2(21)(2210 从从y
41、=0,V(0)=0到到y=L,V(L)=VDS积分，可得积分，可得)2()2()2(3221)2(23232102BSFBSFDSoxADSDSFFBGSDSVVVCqNVVVVI 8169)-(7 )2()2(3221)2(23232BSFBSFDSDSDSFFBGSDSVVVVVVVI )2(23)2()2()2(3221)()2(23)2()2()2(3221)2(2)2(21232321022123232102210DSFBSFDSBSFoxADSDSTGSDSFBSFDSBSFoxADSDSoxFADSFFBGSVVVVCqNVVVVVVVVCqNVVCqNVVV QBmax11)-
42、(6 )()(232232300GSDGSDDSDDSDVVVVVqNaVGI 第一项与（第一项与（7-54）相同，表示栅绝缘层电）相同，表示栅绝缘层电容控制的容控制的表面场效应晶体管表面场效应晶体管的电特性的电特性 第二项与（第二项与（6-11）相似，表示沟道压降和）相似，表示沟道压降和衬底反偏作用下，场感应结非平衡，耗尽衬底反偏作用下，场感应结非平衡，耗尽层宽度随之变化的电特性，即层宽度随之变化的电特性，即JFET特性特性 其中，其中，2FVD;VBSVGS 可看作理想可看作理想MOS与与JFET的并联的并联82小信号漏端电导小信号漏端电导gdscVVDSDSdsBSGSVIg ,漏极电流
43、微分增量与漏源电压微分增量之比，表示漏源电压VDS对漏极电流IDS的控制能力)(21)(2DSTGSdsDSDSTGSDSVVVgVVVVI 得由 gds随随VDS增大而线性减小，即由非饱和区向饱和区，增大而线性减小，即由非饱和区向饱和区，IDS随随VDS的变化趋缓，以至进入饱和区不再随的变化趋缓，以至进入饱和区不再随VDS变化变化 在线性区，在线性区，VDS很小，忽略后很小，忽略后msTGSdsldsgVVgg)( 且正是导通电阻的倒数。且正是导通电阻的倒数。TGSnoxTGSDSDSonVVWLtVVIVR1)(10 83电压放大系数电压放大系数 cIGSDSDSVV 漏源电压微分增量与栅
44、源电压微分增量之比，表示漏极电流IDS不变，漏源电压VDS与栅源电压VGS之间的相对变化关系dsmDSTGSDSDSDSTGSDSggVVVVVVVVI 零，得取全微分，并令其等于由21)(20)(221dsDSTGSoxnDsatgVVVLWCI无关，得与由 动态电阻无穷大，但实际动态电阻无穷大，但实际MOSFET的动态电阻都是有限值，因为：的动态电阻都是有限值，因为：1、沟道长度调制效应、沟道长度调制效应 2、漏区电场的静电反馈效应、漏区电场的静电反馈效应84沟道长度调制效应沟道长度调制效应VDSVDsat后，夹断点向源端移动，形成夹断区，使沟道有效长度缩短后，夹断点向源端移动，形成夹断区
45、，使沟道有效长度缩短21)(2TGSoxnDsatVVLWCI L减小，则减小，则IDsat增大，说明沟道长度减小，电阻减小。增大，说明沟道长度减小，电阻减小。DSDsatDSDsatDsatDsatTGSeffoxnDsateffdVLdLLLIdVdIgLLIVVLWCILLL)()1 ()1 ()(22*121* 带入，得以为有限值为有限值85漏区电场的静电反馈效应漏区电场的静电反馈效应发自漏区的电力线有部分终止在沟道载流子电荷上，发自漏区的电力线有部分终止在沟道载流子电荷上，导致随漏源电压增大，沟道电子密度增大，沟道电导导致随漏源电压增大，沟道电子密度增大，沟道电导增大，漏源电流不完全
46、饱和。增大，漏源电流不完全饱和。 沟道较短，衬底沟道较短，衬底浓度较低时，漏浓度较低时，漏-衬衬结和沟结和沟-衬结的耗尽衬结的耗尽层随层随VDS很快扩展，很快扩展，86一、一、MOSFET的低频小信号等效电路的低频小信号等效电路 2、低频小信号模型、低频小信号模型DSdBSmbGSmDSCVVDSDSBSCVVBSDSGSCVVGSDSDSVgVgVgVVIVVIVVIIBSGSDSGSBSDS )()()(,00 BSGSII SDGBgdDSI GSV BSV DSV GSmVg BSmbVg 87一、一、MOSFET的低频小信号等效电路的低频小信号等效电路 3、交流小信号等效电路、交流小
47、信号等效电路GSDBgsCgsCgdCgdCbsCbdCTCC本征部分本征部分MOSFET小信号参数小信号参数物理模型物理模型SGD0Ly沟道沟道SiO2衬底衬底MOSFET的R、C分布参数模型88DSdGSmDSDSdBSmbGSmDSdVgdVgdIVgVgVgI 衬底偏置不变 dsdgsmdugugi dDSDSidII dtduCdtduCigdgdgsgsgSGDgdCgdCgsCgsRgsCSRDRdsCgsmg dgMOSFET小信号参数小信号参数等效电路等效电路dtduCugugigdgddsdgsmd 1、栅极电位变化引起沟道电导变化、栅极电位变化引起沟道电导变化形成交变漏极
48、电流形成交变漏极电流2、输出交变电压在漏导上形成电流、输出交变电压在漏导上形成电流3、栅极电压变化对栅漏电容充放电、栅极电压变化对栅漏电容充放电电流电流89SGDgdCgsC1SR2DRgdCgsCgsRgsmg dgB1SR1gR4gR2gR3gR1DR1bR4bR2bR3bRgbCbsCdsCTCCTCCbdC较完整的较完整的MOSFET小信号等效电路小信号等效电路Cgs栅源之间分布电栅源之间分布电容的等效电容容的等效电容Cgd等效的栅漏电容等效的栅漏电容Rgs对栅源电容充放对栅源电容充放电的等效沟道串联电的等效沟道串联电阻电阻Rs、Rd源、漏区串源、漏区串联电阻联电阻CVGSchgsDS
49、VQC CVGDchgdGSVQC CVVGSIgsGSDSVQC 90与与JFET比较：比较：（估算）饱和区线性区中gdgsgdgscVDSIgdcVVGSIgsCCCCCCVQCVQCggGSGSDS2121JFET0;3221;MOSFETgdGgsGgdGgscVDSchgdcVGSchgsCCCCCCCVQCVQCGSDS饱和区线性区中1、Cgd定义相同，在线性区各为定义相同，在线性区各为CG(Cg)的一半的一半2、Cgs定义不同，定义不同，JFET为为CG的一半；的一半；MOSFET为为CG3、饱和区、饱和区MOSFET：Cgs占大半，占大半，Cgd0oxGWLCC 917.5 M
50、OSFET频率特性二、MOSFET的高频特性 1、跨导与频率的关系、跨导与频率的关系 2、截止频率、截止频率fT 3、最高振荡频率、最高振荡频率fM 4、沟道渡越时间、沟道渡越时间t tCgsRgsRLrdsgmsug+-+-usuoug+-等效电路等效电路输出特性及负载线输出特性及负载线0 gdC饱和区输入输入输出输出+VDDRARBRLMOST线性放大器基本电路线性放大器基本电路92dsLdsLgmsogsgssgsgsgssgrRrRuguCRjuCjRCjuu 111gsuu 低频时dsLdsLmssorRrRguu 低频低频电压放大系数)(msLsoLdsgRuuRr 低频时，当)(
