1、微电子器件与微电子器件与IC设计设计 第第6章章 MOSFET主要内容主要内容lMOS结构与特性lMOSFET结构与特性lMOSFET工作原理lI-V特性l交流特性引言引言MOSFET 引言引言特点特点单极器件、多子器件单极器件、多子器件 电压控制器件电压控制器件 噪声低噪声低 制作工序少，隔离容易制作工序少，隔离容易MOSFETWBIneIncIrIpeICBOIEICIB6.1 MOS结构及其特性结构及其特性EFEF功函数假设：假设：金属和半导体的功函数差为零金属和半导体的功函数差为零氧化层里面没有电荷而且氧化层完全不导电氧化层里面没有电荷而且氧化层完全不导电氧化层和半导体界面不存在任何界
2、面态氧化层和半导体界面不存在任何界面态 栅极上加负电压，空穴聚集 P型半导体型半导体氧化绝氧化绝缘层缘层金属金属空穴空穴栅极上加正电压，耗尽 P型半导体型半导体氧化绝氧化绝缘层缘层金属金属电子电子耗耗尽尽层层栅极正电压增大，表面反型 P型半导体型半导体氧化绝氧化绝缘层缘层金属金属电子电子反反型型层层耗尽耗尽层层6.1 MOS结构及其特性结构及其特性lMOSMOS电容电容 氧化层电容氧化层电容 oxsoxtC0表面层电容表面层电容 dssxC0soxCCCMOS111总电容总电容6.2 MOSFET的结构及其特性的结构及其特性1 MOSFET的基本结构的基本结构构成：半导体衬底、氧化层、金属栅极
3、、源漏扩散区。6.2 MOSFET的结构及其特性的结构及其特性MOSFET的基本结构的基本结构 主要的结构参数：L,W,tox,NA.6.2 MOSFET的结构及其特性的结构及其特性2、MOSFET的类型的类型沟道中导电的载流子类型N沟道（P型衬底）P沟道（N型衬底）强反型时，导电沟道中的电子漂移运动形成电流强反型时，导电沟道中的空穴漂移运动形成电流VG0时，是否有导电沟道增强型耗尽型VG0时，无导电沟道VG0时，有导电沟道（1）共有四种类型（2）增强型MOSFET多为P沟道型，耗尽型多为N沟道型6.2 MOSFET的结构及其特性的结构及其特性2、MOSFET的类型的类型GDSBGDSBGDS
4、BGDSB类型N沟道MOSFETP沟道MOSFET耗尽型增强型耗尽型增强型衬底P型N型S、D区np沟道载流子电子空穴VDS00IDS方向DSSDVT00 0：出现从栅极指向半导体：出现从栅极指向半导体的电场，表面出现耗尽层；的电场，表面出现耗尽层；VG增加，半导体表面出现反型层。增加，半导体表面出现反型层。当当VDS 0，形成漏源电流，形成漏源电流IDS。P-Si衬底SGDEdsIdsVT：VGS使半导体表面达到强反型时电压。使半导体表面达到强反型时电压。VGSVT，表面出现导，表面出现导电通道。电通道。VDS一定，一定，VGS越大，沟道越厚，导电电子越多，沟道电流越大。越大，沟道越厚，导电电
5、子越多，沟道电流越大。6.2 MOSFET的基本结构及工作原理的基本结构及工作原理6.2.2、MOSFET的基本工作原理的基本工作原理 耗尽层:表面少子浓度 表面多子浓度 强反型:表面少子浓度 体内多子浓度 导电沟道:强反型时漏源之间形成的导电通道 阈值电压 VT：使半导体表面达到强反型时(ns p0)所需的栅源电压 漏极：载流子流出沟道 源极：载流子流入沟道 (漏源电压总是使载流子 由源极流入沟道 由漏极 流出沟道)6.2 MOSFET的基本结构及工作原理的基本结构及工作原理6.2.2、MOSFET的基本工作原理的基本工作原理VDS为常数，IDSVGSVGS0，IDS0VGSVT（阈值电压）
6、：VGS ：P型耗尽层N反型层VGS0：6.3 MOSFET的阈值电压的阈值电压6.3.2 强反型强反型00expexpspFissiipFpiFisipFnpEEnnkTEEpnkTEEEEECEVEFEipEisqVsqF6.3 MOSFET的阈值电压的阈值电压6.3.2 强反型强反型 半导体表面积累的少子浓度等于甚至超过体内多子浓度的状态费米势：强反型条件：22lnAsFiNkTVqnlnAFiNkTqnECEVEFEipEisqVsqF()ipFFEEq2/ssqVkTqVkTispopoponnn eepp6.3 MOSFET的阈值电压的阈值电压6.3.3 强反型时的电荷分布强反型时
7、的电荷分布 QG：金属栅上的面电荷密度 QOX：栅绝缘层中的面电荷密度 Qn：反型层中电子电荷面密度 QB：半导体表面耗尽层中空间电荷面密度栅电极栅氧化层P型半导体QnQGQOXQB0GOXnBQQQQ6.3 MOSFET的阈值电压的阈值电压6.3.4 理想状态理想状态MOSFET的阈值电压的阈值电压1.理想状态：理想状态：Qox0，Vms02.沟道形成时的临界状态：沟道形成时的临界状态：Qn03.出现强反型后：出现强反型后：xd xdmax 2120210maxln42iAAASdnNNqkTqNVx210maxmax2SAdABVqNxqNQ6.3 MOSFET的阈值电压的阈值电压6.3.
8、4 理想状态理想状态MOSFET的阈值电压的阈值电压GOXOXQVCGnBOXBQQQQQ 理想假设条件下不考虑刚达到强反型时Qn分布在表面很薄的一层内Qn0 210max2ASdqNyVVx 210maxmax)(2yVVqNxqNQSAdABDSVmaxBQTnV6.3 MOSFET的阈值电压的阈值电压6.3.5 实际实际MOSFET的阈值电压的阈值电压（4）衬偏电压VBS0 210max|2ABSSdqNVyVVx 210maxmax|)|(2BSSAdABVyVVqNxqNQmsiABSSAoxoxoxTnVnNqkTVyVVqNCCQVln2|)(212106.3 MOSFET的阈值
9、电压的阈值电压6.3.6影响阈值电压的因素影响阈值电压的因素（1）栅电容）栅电容Cox（2）接触电势）接触电势（3）衬底杂质浓度的影响）衬底杂质浓度的影响（4）氧化层电荷密度的影响）氧化层电荷密度的影响6.3 MOSFET的阈值电压的阈值电压6.3.6影响阈值电压的因素影响阈值电压的因素（1）栅电容）栅电容Coxl选用较大介电系数的材料作栅介质膜选用较大介电系数的材料作栅介质膜l减小氧化层厚度减小氧化层厚度oxoxoxtC0oxC|TVoxt6.3 MOSFET的阈值电压的阈值电压6.3.6影响阈值电压的因素影响阈值电压的因素（2）接触电势）接触电势 尽量使得Vms=0 用硅栅工艺（用多晶硅作
10、栅极）SmmsWWVqSmmsWWVq修正（由于金半之间有一层氧化层）PSiNSiiAmgmsnNqkTEqVln21|TPV|TnVmsVANDNmsViDmgmsnNqkTEqVln2100.30.60.9NBC 1010 1014 1018Al（n-Si)Al（p-Si)NMOS6.3 MOSFET的阈值电压的阈值电压6.3.6影响阈值电压的因素影响阈值电压的因素（3）衬底杂质浓度的影响）衬底杂质浓度的影响l费米势：l耗尽层电荷：lVms 1013 1017 cm-310510.01tox=100nmVTiAFnNqkTlniDFnNqkTln210maxmax22FAdABqNxqNQ
11、210max22FABqNQNMOSPMOS6.3 MOSFET的阈值电压的阈值电压6.3.6影响阈值电压的因素影响阈值电压的因素（4）氧化层电荷密度的影响）氧化层电荷密度的影响oxoxqNQNMOS：1）NA一定时，Qox VT （+0 ）2）当 时，NA 在1015cm-3 仍是VTn 1015cm-3，才形成EMOS所以，NMOS易形成耗尽型VT630-3-6 1011 1014 1017101110121210qQoxqQox21110cmqQox6.3 MOSFET的阈值电压的阈值电压6.3.6影响阈值电压的因素影响阈值电压的因素（4）氧化层电荷密度的影响）氧化层电荷密度的影响PMO
12、S：lVTp始终小于0，为EMOSl欲PMOS成为DPMOS，可预制一层P型预反型层或利用Al2O3膜的负电荷效应，制作Al2O3/SiO2复合栅|oxQ|TPV0TpV6.4 MOSFET的电流电压特性的电流电压特性6.4.1 理想模型（以理想模型（以ENMOS为例）为例）一维近似，只考虑电流在一维近似，只考虑电流在y方向的流动；方向的流动；强反型近似：强反型近似：渐变沟道近似：渐变沟道近似：只考虑漂移电流，忽略扩散电流；只考虑漂移电流，忽略扩散电流；忽略沟道和衬底间的反向漏电流；忽略沟道和衬底间的反向漏电流；忽略源极、漏极、沟道之间的接触电阻；忽略源极、漏极、沟道之间的接触电阻；考虑沟道杂
13、质浓度均匀分布。考虑沟道杂质浓度均匀分布。FSV2xEyExy6.4 MOSFET的电流电压特性的电流电压特性-SGD-xyzLWtOXVDVG6.4 MOSFET的电流电压特性的电流电压特性6.4.2 沟道电荷密度沟道电荷密度Qn设沟道中某一点y的电荷密度为Qn(y)：沟道中某一点电位为V(y)则：0)(maxyQQQnBG)(maxyQQQnBGoxnBoxGoxCyQQCQV)(maxDSVLV)(0)0(V)()(2)(2maxyVVCyQQyVVVVFBoxnBFFBoxFGSmax()2()noxGSFBFBQyCVVV yQ max2()BoxGSFFBoxQCVVV yC)(y
14、VVVCTGSox6.4 MOSFET的电流电压特性的电流电压特性6.4.3 漂移电流漂移电流IDSqn(x,y)：沟道中某点的电荷密度，n：迁移率dyydVEy)(dyydVyxqnJny),(000()(,)ccxWxyyndV yIJ dxdzqn x y dxWdy 0()()(,)CxynnndV ydV yIqn x y dxWWQdydy DSVnnLyydVWQdyI00)(DSVTGSoxnDSydVyVVVLWCI0)()(221DSDSTGSoxnDSVVVVLWCI6.4 MOSFET的电流电压特性的电流电压特性6.4.3 漂移电流漂移电流IDS1、线性区：、线性区：V
15、DSVGSVT V(y)可忽略2、可变电阻区：、可变电阻区：VDS较大，V(y)不能忽略3、饱和区：、饱和区：VDS继续增大到VDSVGS-VT 沟道夹断DSTGSoxnDSVVVLWCI)(NNPSGD夹断点IDSVDS实际022TGSoxnDsatVVLWCI221DSDSTGSoxnDSVVVVLWCI6.4 MOSFET的电流电压特性的电流电压特性6.4.4 影响电流电压特性的因素影响电流电压特性的因素u耗尽层电容的影响耗尽层电容的影响u高场迁移率的影响高场迁移率的影响栅电场的影响（栅电场的影响（Ex）横向电场横向电场(Ey)的影响的影响6.4 MOSFET的电流电压特性的电流电压特性
16、6.4.4 影响电流电压特性的因素影响电流电压特性的因素（1）耗尽层电容的影响）耗尽层电容的影响 210maxmax)(2yVVqNxqNQSAdAB oxFAFFBTCyVqNVVV210222maxBQ随VDS变化232302F2223222FFDsatoxADsatDsatFBGSoxDsatVCqNVVVVLCWI122kVVITGSDsat11kLWCoxn6.4 MOSFET的电流电压特性的电流电压特性6.4.4 影响电流电压特性的因素影响电流电压特性的因素（2）高场迁移率的影响）高场迁移率的影响栅电场的影响（栅电场的影响（Ex）SBSLimcn1111111BchBSSB2Bch
17、时，GSxchVE6.4 MOSFET的电流电压特性的电流电压特性6.4.4 影响电流电压特性的因素影响电流电压特性的因素（2）高场迁移率的影响）高场迁移率的影响横向电场横向电场(Ey)的影响的影响饱和漂移速度饱和漂移速度的临界场的临界场slcyyvvEE,yslnnEvdydVv1slcyyvvEE,212DSDSTGSslDSDSVVVVLvVI6.4 MOSFET的电流电压特性的电流电压特性6.4.5 MOSFET直流参数直流参数1、2、最大饱和漏源电流IDSS3、截止漏电流4、栅源直流输入阻抗RGS5、导通电阻RonTV22ToxDSSVLCWITGSoxTGSonVVWCLVVR11
18、6.5 MOS的交流小信号参数的交流小信号参数6.5.1 跨导跨导gm 表示栅源电压对漏源电流的控制能力。表示栅源电压对漏源电流的控制能力。影响因素影响因素:lVGSlVDSl提高提高gmCVGSDSmDSVIgDSmVgTGSmsVVg饱和区：oxCoxtnLWmg6.5 MOS的交流小信号参数的交流小信号参数6.5.2 漏导漏导gd 反映漏源电压对漏源电流的控制能力。反映漏源电压对漏源电流的控制能力。表达式表达式1）非饱和区）非饱和区2）线性区）线性区3）饱和区）饱和区 （理想）（理想）gds不为不为0的原因的原因 1）沟长调制效应）沟长调制效应 2）漏区电场静电反馈效应）漏区电场静电反馈
19、效应GSDSdVCDSIgVDSTGSdVVVgTGSdlVVg0dsg6.5 MOSFET交流小信号等效电路及频率特性交流小信号等效电路及频率特性交流小信号下交流小信号下MOSFET的的工作特点工作特点6.5 MOSFET交流小信号等效电路及频率特性交流小信号等效电路及频率特性6.5.3栅源电容栅源电容Cgs及栅漏电容及栅漏电容Cgd1.Cgs：CVGSchgsDSVQCnchWLQQ)(yVVVCQTGSoxnLnchdyyQWQ0)()noxGSTDSC WdyVVVydVI23232GSTDSDSchoxGSTGSTDSVVVVQC WLVVVVV2213 2DSgsGGSTDSVCC
20、VVVoxGWLCC6.5 MOSFET交流小信号等效电路及频率特性交流小信号等效电路及频率特性2213 2DSgsGGSTDSVCCVVV6.5.3栅源电容栅源电容Cgs及栅漏电容及栅漏电容Cgd Cgs：1）当）当VDS很小，可忽略不计时（线性很小，可忽略不计时（线性区）：区）：1.2）当饱和区）当饱和区GgsCCDsatTGSDSVVVVGgsCC326.5 MOSFET交流小信号等效电路及频率特性交流小信号等效电路及频率特性6.5.3 栅源电容栅源电容Cgs及栅漏电容及栅漏电容Cgd2.Cgd：线性区：线性区：饱和区：饱和区：DSVGSGSchchgdVCVCGDQQCV222132D
21、STGSTGSGgdVVVVVCCGgdDSCCV210，0gdCDsatTGSDSVVVV6.5 MOSFET交流小信号等效电路及频率特性交流小信号等效电路及频率特性6.5.4 MOSFET交流小信号等效电路交流小信号等效电路（1）电流方程）电流方程输入端：输入端：输出端输出端：,GGSDSif,DGSDSifDGSRLVDSVGSDSGSGGGGSDSGSCDSCiididdDSGSDDDGSDSGSCDSCiididdDSGSGTGSGTDSGGSCDSCQdQddidtdtDSGTgsGSCQCGSGTgdDSCQCdtdVCdtdVCidsgdgsgsgdsdgsmdVgVgi6.5
22、 MOSFET交流小信号等效电路及频率特性交流小信号等效电路及频率特性6.5.4 MOSFET交流小信号等效电路交流小信号等效电路（2）本征等效电路）本征等效电路Rgs=2/5 Ron1/gd =rd本征等效电路GDSmgsg udggsCgsRgdCgsugsCdsCgdCSRDR25gsGSTRVV6.5 MOSFET交流小信号等效电路及频率特性交流小信号等效电路及频率特性6.5.4 MOSFET交流小信号等效电路交流小信号等效电路（3）实际等效电路）实际等效电路RS：源极串联电阻：源极串联电阻RD：漏极串联电阻：漏极串联电阻Cgs：栅源寄生电容：栅源寄生电容Cgd：栅漏寄生电容：栅漏寄生
23、电容CDS：漏极和衬底之间寄生电容：漏极和衬底之间寄生电容6.5 MOSFET交流小信号等效电路及频率特性交流小信号等效电路及频率特性6.5.5 MOSFET频率特征参数频率特征参数1、跨导截止频率跨导截止频率（1）高频跨导）高频跨导gm()电流改变量相同：电流改变量相同：GDSmgsg udggsCgsRgdCgsugsgsGSgsGSRCjVCjV11gsgsmGSgsgsDSGSDSmCRjgVCRjIVIg11)(6.5 MOSFET交流小信号等效电路及频率特性交流小信号等效电路及频率特性6.5.5 MOSFET频率特征参数频率特征参数1、跨导截止频率跨导截止频率（2）跨导截止频率）跨
24、导截止频率：2|mmgggm212mgsgsmgCRggsgsgmCR1WLCCCoxGgs323225gsGSTRVV2415LVVTGSngm6.5 MOSFET交流小信号等效电路及频率特性交流小信号等效电路及频率特性6.5.5 MOSFET频率特征参数频率特征参数2、截止频率、截止频率fT流过流过Cgs的电流交流短路输出电流时的频率的电流交流短路输出电流时的频率寄生电容的影响：寄生电容的影响：fT会降低会降低234nGSTTVVfL2msTingfC总输入电容总输入电容6.5 MOSFET交流小信号等效电路及频率特性交流小信号等效电路及频率特性6.5.5 MOSFET频率特征参数频率特征参数3、提高截止频率的措施提高截止频率的措施L降低，可缩短沟道渡越时间降低，可缩短沟道渡越时间增大，选择增大，选择高的材料，工艺用高的材料，工艺用NMOS减少界面态、表面态减少界面态、表面态 采用埋沟器件，避免表面散射的影响采用埋沟器件，避免表面散射的影响减小寄生电容减小寄生电容
