1、西安电子科技大学西安电子科技大学 XIDIDIAN UNIVERSITYXIDIDIAN UNIVERSITY第四章第四章 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管MOSFETMOSFET结构和基本工作原理结构和基本工作原理 2022-6-81场效应器件物理场效应器件物理2022-6-8XIDIAN UNIVERSITY 4.1 MOSFET 结构结构oMOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor field-effect transistorpMOS器件：四器件：四端器端器件，件，G、S、D、Bu一般情况下，一般情况下，VBS=0，则成为三端器，则成为三端器件件p与与JFE
2、T相比：相比：u控制栅为控制栅为MOS结构结构u 源、漏掺杂与类型与衬底源、漏掺杂与类型与衬底相反相反o简单看作：简单看作：MOS电容和两个背靠背电容和两个背靠背PN结构成结构成2022-6-84.1 MOSFET 结构结构o MOS电容：外加电容：外加VG， 氧化层下方半导体表面氧化层下方半导体表面形成强反型形成强反型层，连接层，连接SD区区 强反型层强反型层-MOSFET的的导电导电沟道沟道o VDS在沟道上产生电场，载流子从源漂移到漏，被漏极收集形成在沟道上产生电场，载流子从源漂移到漏，被漏极收集形成IDo 重要参数：重要参数：u沟道长度沟道长度L：栅氧下方源漏之间半导体的长度：栅氧下方
3、源漏之间半导体的长度.u沟道宽度沟道宽度W：与沟长垂直的水平方向的源漏区宽度：与沟长垂直的水平方向的源漏区宽度u栅氧厚度栅氧厚度tox2022-6-84.1 MOSFET MOSFETMOSFET分类分类(1)(1) n沟道沟道MOSFET：NMOSP P衬，衬，n n型反型层，型反型层，电子导电电子导电VDS0, ID0p沟道沟道MOSFET：PMOSN衬，衬，p型反型层，型反型层，空穴导电空穴导电VDS0, ID0o 按照沟道载流子的导电类型分按照沟道载流子的导电类型分:o 每种器件只有一种载流子参与导电每种器件只有一种载流子参与导电单极性单极性器件器件2022-6-84.1 MOSFET
4、 MOSFETMOSFET分类分类(2)(2)o0栅压是否存在反型沟道分：栅压是否存在反型沟道分：on沟耗尽沟耗尽型型MOSFETu零零栅压时已存在反型沟道，栅压时已存在反型沟道，uVTN0u加栅压加栅压VGS0，u加栅压加栅压VGSVTN, 沟道开启沟道开启o思考：思考：不进行专门的不进行专门的N型掺杂，能否形成耗尽型型掺杂，能否形成耗尽型NMOS？2022-6-84.1 MOSFET MOSFETMOSFET分类分类(3)(3) op沟沟增强型增强型MOSFETu零栅压时不存在反型沟道零栅压时不存在反型沟道uVTP0u加栅压加栅压VGS0u加栅压加栅压VGSVTP, 沟道关闭沟道关闭4.1
5、 MOSFET MOSFETMOSFET分类（分类（4 4）o 四种类型四种类型MOS晶体管的电路符号晶体管的电路符号un沟、沟、p沟的箭头：衬底与沟道之间可形成的场感应沟的箭头：衬底与沟道之间可形成的场感应pn结的正偏方向结的正偏方向u耗尽型：代表沟道区的线为实线，即耗尽型：代表沟道区的线为实线，即VGS=0时已存在沟道时已存在沟道增强型：代表沟道区的线为虚线，即增强型：代表沟道区的线为虚线，即VGS=0时不存在沟道时不存在沟道4.1 MOSFET MOSFETMOSFET分类（分类（5 5）o 四种类型四种类型MOS晶体管的的偏置条件晶体管的的偏置条件4.1 MOSFET MOSFETMO
6、SFET的阈值电压的阈值电压oVBS=0，即衬底接地；，即衬底接地； VGS 即为中间即为中间MOS电容两侧电势差电容两侧电势差uMOS电容电容VT：MOS电容半导体表面是否强反型的临界电压，电容半导体表面是否强反型的临界电压， 强反型层强反型层-MOSFET的导电沟道的导电沟道uVGSVT：半导体表面未形成强反型层，导电沟道未形成，器件截止：半导体表面未形成强反型层，导电沟道未形成，器件截止uVGSVT：半导体表面形成强反型层，导电沟道形成，器件导通半导体表面形成强反型层，导电沟道形成，器件导通oMOSFET的阈值电压的阈值电压VT：表面：表面刚刚产生沟道所需刚刚产生沟道所需的栅源电压的栅源
7、电压o沟道内可动电荷沟道内可动电荷Qn，面电荷密度面电荷密度Qn=COX(VGS-VT)：只有只有VGS大于大于VT，表面才，表面才产生导电沟道，根据电容电压电荷关系得产生导电沟道，根据电容电压电荷关系得Qn2022-6-8n沟增强型沟增强型4.1 MOSFET I-VI-V定性分析定性分析p偏置特点：偏置特点：uVBS=0, 源衬短接；源衬短接；VGSVT ,沟道沟道形成；形成；u VDS0，形成漏极电流，形成漏极电流ID，造成，造成沟厚不等厚沟厚不等厚： VDS0沟道中从源到漏电位不断沟道中从源到漏电位不断增大增大沟道上一点沟道上一点X， VXS， X从从S往往D移动移动，VXS,VGX(
8、=VGS-VXS) VGXVT, X点点处才形成沟道处才形成沟道,反型层可动电荷反型层可动电荷Qn(x)=COX(VGX-VT)， X从从S往往D移动，移动， Qn(x)不断不断，源端源端Qn(0)最大，漏端最大，漏端Qn(L)最小最小u沟道面电荷密度不相等沟道面电荷密度不相等可等效为可等效为沟道沟道截面积不相等截面积不相等2022-6-8n沟增强型沟增强型2022-6-84.1 MOSFET ID随随VDS的变化的变化(1)线性区线性区oVDS VDS (sat), VDS对对Vox的抵消作用可忽略的抵消作用可忽略 反型层和耗尽层近似均匀反型层和耗尽层近似均匀沟道等效电阻不变沟道等效电阻不变
9、 ID VDS（线性区）（线性区）2022-6-84.1 MOSFET ID随随VDS的变化的变化(2)过渡区过渡区o脱离线性区后，脱离线性区后，VDS , VDS对对Vox的抵消作用不可忽略的抵消作用不可忽略沟道厚度不等沟道厚度不等沟道等效电阻增加沟道等效电阻增加 ID随随VDS的增长率减小（过渡区）的增长率减小（过渡区）2022-6-84.1 MOSFET ID随随VDS的变化的变化(3)DSGSGDVVV饱和点饱和点o饱和点：饱和点：o沟道夹断点沟道夹断点X： 反型层电荷密度刚好反型层电荷密度刚好0VGX=VT, VGS-VXS=VT VXS=VGS-VT=VDS(sat) TGSsat
10、DSsatDDsatDSDSVVVIIVV)()()(,0器件预夹断，漏端沟道刚好消失漏端反型层电荷密度，漏端处于临界强反型点TV2022-6-84.1 MOSFET ID随随VDS的变化的变化(4)饱和区饱和区o原沟道区：原沟道区：导电沟道区导电沟道区和和夹断区夹断区。电流被夹断了吗？。电流被夹断了吗？u导电沟道区可导电，又有电势差，所以有电流，根据导电沟道区可导电，又有电势差，所以有电流，根据电流连续性电流连续性原原理，整个器件的电流仍存在，理，整个器件的电流仍存在，大小大小由导电沟道区由导电沟道区 决定决定u漂移到夹断点的电子在夹断区大电场的作用下被扫向漏极，形成漂移到夹断点的电子在夹断
11、区大电场的作用下被扫向漏极，形成IDo长沟长沟MOSFET，L变化可略，导电区形状和该区上压降变化可略，导电区形状和该区上压降不变不变，ID保持保持刚夹断时的刚夹断时的IDS(sat)不变，即饱和区内不变，即饱和区内ID不随不随VDS的增加而增加的增加而增加o击穿区：击穿区： VDS再再继续继续 漏极和衬底之间漏极和衬底之间PN结反偏电压过结反偏电压过大大 导致导致pn结结耗尽层内发生耗尽层内发生雪崩雪崩击穿击穿，ID急剧增大急剧增大，进入进入击穿击穿区，区， 此时此时电压为电压为BVDSp输出特性输出特性曲线：曲线：VGSVT的某常数时，的某常数时，ID随随VDS的变化曲线的变化曲线4.1
12、MOSFET I-V特性定性分析特性定性分析on沟增强型沟增强型MOSFET器件源漏器件源漏ID-VDS特性曲线簇特性曲线簇oVGS不同，不同，ID随随VDS变化物理过程变化物理过程与上述分析与上述分析相同，曲线变化趋势也相同相同，曲线变化趋势也相同oVGS的影响：的影响： u非饱和区：非饱和区：VGS增大，增大，Qn=COX(VGS-VT)增大，所以对同一增大，所以对同一VDS，ID增大增大u饱和点：饱和点：VDS(sat)= VGS-VT，VGS增大，增大，VDS(sat)也增大。也增大。u饱和区饱和区：VGS增大增大， Qn=COX(VGS-VT)增大，增大，饱和电流饱和电流也增大也增大
13、4.1 MOSFET I-V特性定性分析特性定性分析4.1 MOSFET I-V转移特性转移特性p转移转移特性曲线：特性曲线： VDS 为为0的的某常数时，某常数时，ID随随VGS的变化曲线的变化曲线uVGS增大，增大， Qn=COX(VGS-VT)增大，饱和电流也增大增大，饱和电流也增大VGSPMOSFETNMOSFET增强型增强型NMOS耗尽型耗尽型NMOS增强型增强型PMOS耗尽型耗尽型PMOS4.1 MOSFET I-V输出特性输出特性4.1 MOSFET I-V特性定量分析特性定量分析p型衬底、n型沟道MOSFET0DSVTGSVV0BSV0DI0o沟道电流沿水平方向（沟道电流沿水平
14、方向（X方向），栅与方向），栅与沟道之间电流沟道之间电流=0o沟道电流为多子漂移电流，载流子迁移沟道电流为多子漂移电流，载流子迁移率为常数率为常数o缓变沟道近似（长沟器件），即垂直于缓变沟道近似（长沟器件），即垂直于沟道方向上的电场变化远大于平行于沟沟道方向上的电场变化远大于平行于沟道方向上的电场变化，道方向上的电场变化，EX为常数为常数o沟道中可动面电荷密度沟道中可动面电荷密度 Qn(x)=COX(VGX-VT)沿沿X方向方向“缓缓变变”o面电荷密度另一种表示面电荷密度另一种表示Qn(x)=en(x)h(x) 式中式中h(x)为为X处导电沟道的厚度处导电沟道的厚度2022-6-84.1 MO
15、SFET I-V特性特性:基本假设基本假设4.1 MOSFET I-V特性定量分析特性定量分析p欧姆定律：欧姆定律：dVx=IDdR(x),p根据定义根据定义Qn(x)=en(x)h(x)，p根据根据MOS结构结构Qn(x)=COX(VGX-VT)()()(1)(dxWQdxxWhdxxnexRndxdV-V-VVCWxdRdVIxxTGSoxnxD)()(xLVDdVdxIDS00)()(222DSDSTGSoxnDVVVVLCWI)()()(dTGXoxnVVWCdxxWQdxxR)()(1)()()(dxWhdxxnexWhdxxxR2022-6-84.1 MOSFET I-VI-V特性
16、特性: :沟道电流沟道电流)(222DSDSTGSoxnDVVVVLCWI)0)(22)(2satDSDSTGSDSDSTGSoxnDVVVVVVVVLCWI，（当o漏源电流强度漏源电流强度o成立条件成立条件o非饱和区非饱和区IV公式公式)(0satDSDSTGSVVVV，2022-6-84.1 MOSFET I-VI-V特性特性: :线性区与饱和区线性区与饱和区，处于饱和区若无关与TGSDSDSTGSoxnsatDVVVVVVLCWI2)()(2，处于线性区若TGSDSDSDSTGSoxnDVVVVVVVLCWI)()(222DSDSTGSoxnDVVVVLCWI2022-6-84.1 MO
17、SFET I-VI-V特性特性: :提高器件提高器件IDID驱动能力的途径驱动能力的途径oxoxsDtLWQoxLtWI表面平整度），111（）100优选晶面（表面u同一个同一个IC中，不同晶体管的中，不同晶体管的COX以及以及VT相同，控制不同相同，控制不同MOS器件器件沟道的沟道的W/L可控制电流大小。可控制电流大小。 L最小值取决于工艺水平最小值取决于工艺水平.u在工作电压范围内，适当提高器件偏置电压在工作电压范围内，适当提高器件偏置电压VGS材料参数材料参数设计参数设计参数工艺参数工艺参数TGSDSTGSTGSDSDSTGSDSDSTGSDVVVVVVVVVVVVVVVI，22)(2,
18、)(21)(LCWOXn2022-6-84.1 MOSFET 和和V VT T的测试提取方法的测试提取方法DSTGSoxnDVVVLCWI)(特性基于线性区GSDVITnDSoxnVLVCW横轴截距斜率特性基于饱和区SDVIGTnoxnVLCW横轴截距斜率2)(2)(TGSoxnsatDVVLCWI高场下迁移率随高场下迁移率随电场上升而下降电场上升而下降存在亚阈值电流存在亚阈值电流n沟耗尽型沟耗尽型n沟增强型沟增强型2022-6-84.1 MOSFET 跨导跨导: :模型模型常数DSVGSDmVIgo 跨导：跨导：VDS一定时，漏电流随一定时，漏电流随VGS变化率变化率： o 又称晶体管增益又
19、称晶体管增益: 表征表征FET放大能力的重要参数，反映放大能力的重要参数，反映了了VGS 对对 ID 的控制能力的控制能力o 单位单位 S(西门子西门子)，一般为几毫西，一般为几毫西 (mS) 2022-6-84.1 MOSFET 跨导跨导: :表达式表达式常数DSVGSDmVIg无关与非饱和区（含线性区，GSDSDSoxnmLDSDSTGSoxnDsatDSDSVVVLCWgVVVVLCWIVV)(22)02)(无关与饱和区（DSVTVGSVTVGSVLoxCnWmsgTVGSVLoxCnWDIsatDSVDSV)(2)(2)(o 器件放大应用，一般工作在饱和区。原因？器件放大应用，一般工作
20、在饱和区。原因？uVGS一定时，饱和区跨导一定时，饱和区跨导线性区跨导线性区跨导 2022-6-84.1 MOSFET 跨导跨导:提高途径提高途径p增大增大(W/L)，（通过版图设计保证），（通过版图设计保证）p增大增大COX，（减小氧化层厚度；采用高，（减小氧化层厚度；采用高k介质）介质）p增大增大(VGS-VT)，（增大，（增大VGS，减小，减小VT）无关与饱和区（DSVTVGSVTVGSVLoxCnWmsgTVGSVLoxCnWDIsatDSVDSV)(2)(2)(2022-6-84.1 MOSFET （沟道电导）漏导（沟道电导）漏导: :模型模型常数GSVDSDdVIg无关与线性区，D
21、SGSTGSoxndLDSTGSoxnDsatDSDSVVVVLCWgVVVLCWIVV)()(0)(无关与饱和区（DSdsTGSoxnDsatDSDSVgVVLCWIVV,0)(2)2)(o 沟道电导（漏导）：沟道电导（漏导）：VGS一定时，漏电流随一定时，漏电流随VDS的变化率的变化率2022-6-84.1 MOSFET 源漏间的有效电阻源漏间的有效电阻Rds）（）（TGSOXTGSLVVWCLVVR1g1don趋于，理想odsdsog1RRRo源漏间的有效电阻源漏间的有效电阻Rds: 沟道沟道电导的倒数电导的倒数u线性区导通电阻：表明线性区导通能力线性区导通电阻：表明线性区导通能力u饱和
22、区输出电阻饱和区输出电阻p增加线性区沟道电导的途径？增加线性区沟道电导的途径？u非饱和区漏导等于饱和区跨导非饱和区漏导等于饱和区跨导u同增加饱和区跨导的途径同增加饱和区跨导的途径)(TGSoxndLVVLCWg0dsg理想2022-6-84.1 MOSFET 衬底偏置效应(1)0必须反偏或零偏u P衬最低电位衬最低电位u N衬最高电位衬最高电位4.1 MOSFET 衬底偏置效应衬底偏置效应(2)p源衬结能带图：衬底源衬结能带图：衬底0势能参考点势能参考点p阈值反型点时，反型层沟道连接源漏，阈值反型点时，反型层沟道连接源漏， VDS=0，沟道和源区电子势能近，沟道和源区电子势能近似相等似相等,
23、沟道区电势能沟道区电势能=-esuVSB=0时，时，源区电势源区电势=VD, 阈值反型点阈值反型点, 半导体半导体s=2fp, 2fp VDuVSB0时，时，源区电势源区电势=VD+VSB, 阈值反型点阈值反型点, 半导体半导体s VD+VSB=2fp+VSBuVSB=0,源区电势能源区电势能=-eVD VD: 源衬结内建电势差源衬结内建电势差uVSB0,源区电势能源区电势能=-e(VD+VSB)4.1 MOSFET 衬底偏置效应衬底偏置效应(3)(3)2(220(max)fpasSDfpsSBNeQV)2(220(max)SBfpasSDSBfpsSBVNeQVVu衬底偏压衬底偏压u反型条件反型条件u耗尽层电荷耗尽层电荷pVTN：pVTN变化变化pVSB的存在使负的耗尽层电荷更多，的存在使负的耗尽层电荷更多，VT增加，且增加，且VSB越大，越大，VT越大越大pVSB的存在通过影响的存在通过影响VT，进而影响，进而影响ID，衬底能起到栅极的作用，称衬底能起到栅极的作用，称“背栅背栅”msfpoxssoxSDTNCQCQV2|max体效应系数）（）（:22q2SS0fpfpa0SBTSBoxTTNVVVCNVV2)(22DSDSTGSVVVVLoxCnWDI2022-6-8XIDIAN UNIVERSITYEND
