1、1/121第三章 MOSFET的基本特性3.1 MOSFET的结构和工作原理3.2 MOSFET的阈值电压3.3 MOSFET的直流特性3.4 MOSFET的频率特性3.5 MOSFET的开关特性3.6 MOSFET的功率特性2/1213.1.1 MOSFET简介3.1 MOSFET的结构和工作原理1Metal-Oxide-SemiconductorField Effect TransistorGSD3/1213.1.1 MOSFET简介MOSFET vs BJTMOSFETBJT电场调节作用（E ID）少子注入 扩散 收集多子作用（多子器件）少子作用（少子器件）一种载流子（单极）两种载流子（
2、双极）输入阻抗高（MOS 绝缘体 109）输入阻抗低（pn 结正偏，共射 k）电压控制器件电流控制器件噪声低，抗辐射能力强 少子 Nit工艺要求高（Qss）工艺要求低频率范围小，功耗低高频，大功率集成度高集成度低3.1 MOSFET的结构和工作原理24/1213.1.1 MOSFET简介晶体管发展史1o 提出 FET 的概念 J.E.Lilienfeld（1930 专利）O.Heil （1939 专利）2o FET 实验研究 W.Shockley （二战后）3o Point-contact transistor发明 J.Bardeen W.H.Brattain（1947）4o 实验室原理型JF
3、ET研制成功 Schockley （1953）5o 实用型JFET出现 （1960）6o MOSFET出现 （1960）7o MESFET出现 （1966）3.1 MOSFET的结构和工作原理35/1213.1.2 MOSFET的结构3.1 MOSFET的结构和工作原理46/1213.1.3 MOSFET的基本工作原理ID当 VG VT 时 ID:0 B3.1 MOSFET的结构和工作原理57/1213.1.4 MOSFET 的分类和符号NMOSPMOS增强型耗尽型增强型耗尽型衬底pnS/Dn+p+载流子电子空穴VDS+IDSD SS D载流子运动方向S DS DVT+符号GDBSGDBSGD
4、BSGDBS3.1 MOSFET的结构和工作原理68/1213.1.5 MOSFET 的输出特性和转移特性1.输出特性线性区饱和区击穿区IDS VDS（VGS为参量）NMOS（增强型）输入G输出SSD3.1 MOSFET的结构和工作原理79/1213.1.5 MOSFET 的输出特性和转移特性1.输出特性3.1 MOSFET的结构和工作原理8NMOS（增强型）NMOS（耗尽型）PMOS（增强型）PMOS（耗尽型）10/1213.1.5 MOSFET 的输出特性和转移特性2.转移特性3.1 MOSFET的结构和工作原理9IDS VGS（VDS为参量）NMOS（增强型）输入G输出SSDIDS11/
5、1213.1.5 MOSFET 的输出特性和转移特性2.转移特性3.1 MOSFET的结构和工作原理10NMOS（增强型）NMOS（耗尽型）PMOS（增强型）PMOS（耗尽型）IDSIDSIDSIDS12/121第三章 MOSFET的基本特性3.1 MOSFET的结构和工作原理3.2 MOSFET的阈值电压3.3 MOSFET的直流特性3.4 MOSFET的频率特性3.5 MOSFET的开关特性3.6 MOSFET的功率特性13/1213.2.1 半导体的表面状态3.2 MOSFET的阈值电压1VG=?14/1213.2.2 阈值电压的表达式3.2 MOSFET的阈值电压2不考虑 ms Qss
6、 Qox 时oxABoxBBTCdqNVCdQVVmaxmax2)(22/1ln41ln2iAsAoxiAnNkTNCnNqkT考虑 ms Qss Qox 时 VFB 0oxABFBoxBBFBTCdqNVVCdQVVVmaxmax2)(2oxtoxoxoxssmsFBdxxtxCCQV0)(1其中功函数差mssmmsqVWWq接触电势差15/1213.2.2 阈值电压的表达式3.2 MOSFET的阈值电压3n 沟 MOS（NMOS）iAoxAoxssmsTnnNqkTCdqNCQVln2maxiDoxDoxssmsTpnNqkTCdqNCQVln2maxp 沟 MOS（PMOS）16/121
7、3.2.3 影响 VT 的因素3.2 MOSFET的阈值电压41.功函数差 ms 的影响金属MgAlNiCuAuAgn+-polyp+-polyWm(eV)3.354.14.554.75.05.14.055.15(1)金属功函数 Wm(2)半导体功函数 WsBgssqVEW2=iAgsnNkTEln2iDgsnNkTEln2p 型 n 沟 MOSn 型 p 沟 MOSn-Sip-SiND(cm3)101410151016NA(cm3)101410151016Ws(eV)4.324.264.204.824.884.9417/1213.2.3 影响 VT 的因素3.2 MOSFET的阈值电压51.
8、功函数差 ms 的影响(3)Al栅工艺/硅栅工艺自对准多晶硅栅工艺Self-aligned(P-Si)(N-Si)18/1213.2.3 影响 VT 的因素3.2 MOSFET的阈值电压51.功函数差 ms 的影响N-MOSFET多晶硅栅 MOSFET19/1213.2.3 影响 VT 的因素3.2 MOSFET的阈值电压61.功函数差 ms 的影响P-MOSFET多晶硅栅 MOSFET20/1213.2.3 影响 VT 的因素3.2 MOSFET的阈值电压72.衬底杂质浓度 NB 的影响iBBnNqkTVlnNB 增加 2 个数量级，VB 增加 0.12 VVB/VVTn NMOSVT/V2
9、1/1213.2.3 影响 VT 的因素3.2 MOSFET的阈值电压83.界面固定电荷 QSS 的影响n 沟 MOS（NMOS）iAoxAoxssmsTnnNqkTCdqNCQVln2maxiDoxDoxssmsTpnNqkTCdqNCQVln2maxp 沟 MOS（PMOS）ND/cm-3NMOSPMOS22/1213.2.3 影响 VT 的因素3.2 MOSFET的阈值电压94.离子注入调整 VT增强型耗尽型)()()()(maxmax0maxmaxdQdQdxxNNqdQBBdAAtotalBImdABqNdxxqNdQmax0max)()(oxImoxBTCqNCQViAoxAoxs
10、smsTnnNqkTCdqNCQVln2maxP-SiRp 0ECEVEVECq(2VB+|VBS|)VGS=VT(VBS),VBS 0q|VBS|n+n+p-Si|VBS|0VGSq|VBS|q(2VB+|VBS|)Eg/2-qVB27/1213.2.3 影响 VT 的因素3.2 MOSFET的阈值电压146.衬底偏置效应(衬偏效应，Body effect)q|VBS|VGS=VT(VBS),VBS 0VGS=VT ,VBS=0(2)MOSFET 的 VT28/1213.2.3 影响 VT 的因素3.2 MOSFET的阈值电压156.衬底偏置效应(衬偏效应，Body effect)(2)MO
11、SFET 的 VT29/1213.2.3 影响 VT 的因素3.2 MOSFET的阈值电压166.衬底偏置效应(衬偏效应，Body effect)BoxBSAoxssmsVCVdqNCQ2)(max(3)VT(VBS)maxmax)(dqNdQABVBS=0 时VBS 0 时BSBsVVV 22/1max22)(ABSBsBSNVVqVdBSBSBoxBSAoxssmsBSGBBSGSBSTnVVVCVdqNCQVVVVVV2)(maxBABSBsoxAoxssmsVNVVqCqNCQ2222/1BBSBoxAsBSTnBSTnTnVVVCqNVVVVV2220BBSBoxDsBSTpBSTp
12、TpVVVCqNVVVVV222030/1213.2.3 影响 VT 的因素6.衬底偏置效应(衬偏效应，Body effect)(3)VT(VBS)3.2 MOSFET的阈值电压17BBSBoxAsTnVVVCqNV222 衬偏系数2/122kTNqtLtaAsoxoxDoxoxs31/1213.2.3 影响 VT 的因素6.衬底偏置效应(衬偏效应，Body effect)(3)VT(VBS)3.2 MOSFET的阈值电压18衬偏效应下的转移特性32/121第三章 MOSFET的基本特性3.1 MOSFET的结构和工作原理3.2 MOSFET的阈值电压3.3 MOSFET的直流特性3.4 MO
13、SFET的频率特性3.5 MOSFET的开关特性3.6 MOSFET的功率特性33/1213.3.1 MOSFET 非平衡时的能带图3.3 MOSFET的直流特性134/121qV(y)VGS=VFB,VDS=0VGS=VT,VDS=0VGS=VT,VDS 0qVBEFqVBqVBEFEFnFEDpFSEpFEqV(y)EiSEiBEiSEiBEiBEiSVGS=VFB,VDS=0VGS=VT,VDS=0立体图3.3.1 MOSFET 非平衡时的能带图3.3 MOSFET的直流特性2正面侧面qVBqVB35/1213.3.1 MOSFET 非平衡时的能带图3.3 MOSFET的直流特性336/
14、1213.3 MOSFET的直流特性43.3.1 MOSFET 非平衡时的能带图37/1213.3 MOSFET的直流特性53.3.1 MOSFET 非平衡时的能带图MOSFET 静电势图38/1213.3 MOSFET的直流特性53.3.1 MOSFET 非平衡时的能带图MOSFET 静电势图39/1213.3 MOSFET的直流特性63.3.2 IDS VDS 的关系假设：1o 源区和漏区的电压降可以忽略不计；2o 在沟道区不存在产生-复合电流；3o 沟道电流为漂移电流；4o 沟道内载流子的迁移率为常数 n(E)=C；5o 沟道与衬底间（pn结）的反向饱和电流为零；6o 缓变沟道近似（Gr
15、adual Channel Approximation）yyxExyxEyx),(),(n+n+p-SiSGDxy40/1213.3 MOSFET的直流特性73.3.2 IDS VDS 的关系MOSFET 坐标系xyz41/1213.3 MOSFET的直流特性83.3.2 IDS VDS 的关系1.缓变沟道近似(GCA)二维泊松方程syxyyxxyx),(),(),(2222xyxyxEx),(),(yyxyxEy),(),(syxyxyyxExyxE),(),(),(GCAyyxExyxEyx),(),(sxyxxyxE),(),(在计算 Q(y)时不必考虑 Ey 的影响42/1213.3
16、MOSFET的直流特性93.3.2 IDS VDS 的关系2.可调电阻区(线性区)强反型条件下（VGS VT）在氧化层极板 y 处感应的单位面积上总电荷)()()(yQyQyQBn QB(dmax)反型电子y0LV(0)=0V(L)=VDS)(2)(yVVVVyVFBBGSoxoxoxCVyQ)()()()(maxdQyQyQBnoxBFBBGSoxCdQyVVVVC)()(2max)(yVVVCTGSoxcxdxyxnq0),(BdyydVEy)(FBsoxGSVyVyVV)()(2VB+V(y)VDS 较小时负电荷43/1213.3 MOSFET的直流特性103.3.2 IDS VDS 的
17、关系2.可调电阻区(线性区)VDS 较小时dyydVdxyxnqWdxdzdyydVyxnqccxnWxn)(),()()(),()(000)(),(0yVVVCdxyxnqQTGSoxxncdyydVyxqndyydVyxqnEyxqnyxJnnynn)(),()(),(),(),(WxnycdxdzyxJI00),(dyydVyVVVCWdyydVyQWTGSoxnnn)()()()(常数DSyII)()(ydVyVVVCWdyITGSoxny DSVTGSoxnLyydVyVVVCWdyI00)()(221DSDSTGSoxnDSVVVVCWLI44/1213.3 MOSFET的直流特性
18、113.3.2 IDS VDS 的关系2.可调电阻区(线性区)VDS 较小时221DSDSTGSnoxDSVVVVLWCI221 DSDSTGSVVVV跨导参数 可调电阻区 （线性区）当 VDS VGS VT VDS sat夹断点左移，有效沟道缩短夹断区内 Ey Ex，GCA不成立漏端 Eox(L)与源端 Eox(0)方向相反夹断点 Eox(Leff)=0，Qn=0LLLLLLeff1LeffLy长沟道器件：L/L 1长沟道短沟道DSsatDSII短沟道器件：L/L 1IDS 不饱和，VDS IDS 沟道长度调制效应ro 从 变为有限大47/1213.3 MOSFET的直流特性143.3.3
19、MOSFET的亚阈值特性1.亚阈值现象48/1213.3 MOSFET的直流特性153.3.3 MOSFET的亚阈值特性2.亚阈值区的扩散电流弱反型时（VB Vs 2VB），半导体表面处 p(0,y)n(0,y)NA载流子浓度低J漂移 0（实际）TGSVVDSTGSVVV gm|饱和区 VDS 很小VDS 稍大但仍 VDSsat沟道长度调制效应漏区电场静电反馈作用gm=DSV TGSVV线性区饱和区60/1213.3 MOSFET的直流特性263.3.4 MOSFET 直流参数3.低频小信号参数(3)等效电路vGS+iDSGSSDgmvGSro=gD 1vDSDSVDSDSGSVGSDSDSd
20、VVIdVVIdIGSDSDSDGSmdVgdVg(VGS VT)线性区 0 饱和区61/1213.3 MOSFET的直流特性273.3.5 MOSFET 的二级效应1.非常数表面迁移率效应(1)栅电场影响(Ex)VGS Ex n=550 950 cm2/Vs p=150 250 cm2/VsceffeffeffEEE1)(0snBxQQE)0(s bulk/2n/p=24n(x,y)dchxsnBchxxxeffQQdEEEE22)()0(sBchxQdE)(62/1213.3 MOSFET的直流特性283.3.5 MOSFET 的二级效应1.非常数表面迁移率效应(1)栅电场影响(Ex)有效
21、迁移率ceffeffeffEEE1)(063/1213.3 MOSFET的直流特性293.3.5 MOSFET 的二级效应1.非常数表面迁移率效应(1)栅电场影响(Ex)1o 线性区：VGS 较小时，斜率增加等间距 VGS 较大时，曲线密集IDS=221 DSDSTGSVVVV221TGSVV线性区饱和区LWCnox2o 饱和区：VGS 较大时，IDSsat 随 VGS 增加不按平方规律栅电场对迁移率影响64/1213.3 MOSFET的直流特性303.3.5 MOSFET 的二级效应1.非常数表面迁移率效应(2)漏电场 Ey 影响（载流子速度饱和效应）v(Ey)=Ey Esatsatyyef
22、fEEE1satvEy Esat在 Ey=Esat 处 v(Ey)连续 effsatsatvE2eff(Ex)v 不饱和区v 饱和区yeffEvsatvv 65/1213.3 MOSFET的直流特性313.3.5 MOSFET 的二级效应1.非常数表面迁移率效应(3)对 gm 的影响gm=DSV TGSVV线性区饱和区LWCnox1o VGS 影响gmsVGSVT0VGS Ex eff 66/1213.3 MOSFET的直流特性323.3.5 MOSFET 的二级效应1.非常数表面迁移率效应(3)对 gm 的影响2o VDS 影响v(Ey)=Ey EsatL 时，当 gm sateffoxsa
23、tmEWCLEg“饱和”区TGSsatTGSsatDSsatVVLEVVLEVTGSsatTGSoxsatDSsatVVLEVVCWvI268/1213.3 MOSFET的直流特性343.3.5 MOSFET 的二级效应2.体电荷变化效应(Bulk-Charge Model)EFmEFpECEVEFn(y)x.y)()()(yqVyEyEpFnF0)0(VDSVLV)(GCA 假设：Ey 只影响载流子沿沟道方向的输运，而不影响沟道中体电荷数量，即假设沟道耗尽层厚度不变。表面势 Vs 由 VGS 唯一确定，而与 VDS 无关。QB=常数=qNAdmax常数，不随 y 变化但当 VDS 较大时，G
24、CA假设不成立。QB 是 y 的函数强反型时（指源端）QB=QB(y)=QB(dmax(y)69/1213.3 MOSFET的直流特性353.3.5 MOSFET 的二级效应2.体电荷变化效应(Bulk-Charge Model)体电荷模型强反型时y=0 LV(y)=0 VDSVs(y)=2VB 2VB+VDSABsNVq22ADSBsNVVq22重新计算 Qn(y)：)()(2)()()(yQyVVVVCyQyQyQBBFBGSoxBnVs(y)ABsABFBGSoxNyVVqNqyVVVVC)(22)()(2)(22)(2yVVNqyVVVVCBAsBFBGSoxdmax(y)=70/12
25、13.3 MOSFET的直流特性363.3.5 MOSFET 的二级效应2.体电荷变化效应(Bulk-Charge Model)dyydVyQWIInnyDS)()(dydVyVVNqyVVVVCWBAsBFBGSoxn)(22)(2dVyVVNqyVVVVCWdyIBAsBFBGSoxnDS)(22)(2 DSVBAsBFBGSoxnLDSdVyVVNqyVVVVCWdyI00)(22)(22/32/32223222BBDSoxAsDSDSBFBGSoxnDSVVVCNqVVVVVLWCI无统一的 VT71/1213.3 MOSFET的直流特性373.3.5 MOSFET 的二级效应2.体电
26、荷变化效应(Bulk-Charge Model)体电荷模型讨论：1o 简单模型（Square-law model）高估 IDS 约 2050%，Why?NA IDS 偏差 Why?2/32/32223222BBDSoxAsDSDSBFBGSoxnDSVVVCNqVVVVVLWCI2o 简单模型（Square-law model）高估 VDSsat，Why?3o 当 VDS 2VB 时，DSoxBAsBFBGSoxnDSVCVNqVVVLWCI222VTDSTGSVVV72/1213.3 MOSFET的直流特性383.3.5 MOSFET 的二级效应2.体电荷变化效应(Bulk-Charge M
27、odel)体电荷模型讨论：4o 计算 VDSsat0)(LQn0)(22)(2yVVNqyVVVVCBAsBFBGSoxVDSsatVDSsatAsFBGSoxoxAsBFBGSDSsatNqVVCCNqVVVV222112(x)QnQBxE(x)EsEsxdoxnBsoxsFBGSCQQdEVVVV21oxnBdBoxnBABsBCQQCQCQQqNQQ2211212AsoxnFBGSoxoxAsBNqCQVVCCNqQ1212AsFBGSoxoxAsBNqVVCCNqQ当 Qn 2VB，NA 很小时 12TGSoxAsVVCNq5o 衬偏效应（VBS 0）2/32/32223222BSBB
28、SBDSoxAsDSDSBFBGSDSVVVVVCNqVVVVVI74/1213.3 MOSFET的直流特性403.3.5 MOSFET 的二级效应3.非零漏电导(1)沟道长度调制效应LeffLyLLLLLLeff1LLVVLWCVVLWCITGSoxnTGSeffoxnDSsat1212122LLIDSsat175/1213.3 MOSFET的直流特性413.3.5 MOSFET 的二级效应3.非零漏电导GSGSGSGSVDSTGSoxnVDSVDSsatVDSDSsatDsatVLLVVWCVLLIVIg2212DSDSsatVDSTGSoxnVLLIVLLVVLWCGS11212近似地D
29、SsatDSDSVVVLL沟道长度调制因子 0.1 0.01 V1DSsatDsatIgDSsatDsatoIgr11斜率=ADSsatDSsatDsatVIIg76/1213.3 MOSFET的直流特性423.3.5 MOSFET 的二级效应3.非零漏电导(2)漏电场静电反馈效应VDS ED Qn IDS IDS 不饱和ED77/1213.3 MOSFET的直流特性433.3.5 MOSFET 的二级效应4.源漏串联电阻对 gD 和 gm 的影响(1)对 gD 的影响VGSGSRSRDDSDvGS+iDSGSSDgmivGSro=gDi 1vDSRSDiDSsmiDiDSVDSSDVDSDS
30、VDSDSDgRRRggRRIVIVVIgGSGSGS111RDSDVSDDSGSVGSDSDSdVVIdVVIdIGSSDSDDiGSmidVgdVg0DSsGSGSdIRdVdVDismiVDSSDgRgIVGS178/1213.3 MOSFET的直流特性443.3.5 MOSFET 的二级效应4.源漏串联电阻对 gD 和 gm 的影响DSVDSSDVDSDSVDSDSDRRIVIVVIgGSGSGS11smiDiRgg1线性区饱和区TGSDiVVg0Dig(2)对 gm 的影响SVDSGSVDSGSVGSDSmRIVIVVIgDSDSDS11SDDiGSmiSDVSDDSGSVGSDSD
31、SdVgdVgdVVIdVVIdIGSSDdVDS=0?VGSGSRSRDDSDDiDSsmiDigRRRgg1DiDSsmiDigRRRgg179/1213.3 MOSFET的直流特性453.3.5 MOSFET 的二级效应4.源漏串联电阻对 gD 和 gm 的影响0DSDSSDDSdIRRdVdVDSDSDiGSmiDSdIRRgdVgdIDSDimiVGSDSRRggVIDS1DSDiSmimiSmiDSDimRRgRggRgRRgg111=DSDiSmimiRRgRgg1线性区0TGSDiVVgSmimiRgg1饱和区0Dig当 RS gmi 1 时，gm RS1（与器件本征参数无关）
32、SDDiGSmiDSdVgdVgdI80/1213.3 MOSFET的直流特性463.3.5 MOSFET 的二级效应5.最大 gm/Iout (gm的极限)饱和区TGSTGSTGSoutmVVVVVVIg2212当 VGS VT 0 时，gm/IDS 同时当 tox 0 时，gm “高低结”势垒高度LWtLWCoxoxnoxncSHLnnqkTVlnHLDSGSDSmdVdIdVdIgkTqIqkTIqkTnEAqdnnqkTdnEAqgDSDScyncccynm1kTqIgDSm81/1213.3 MOSFET的直流特性473.3.5 MOSFET 的二级效应6.Gate-Induced
33、Drain Leakage (GIDL)(1)条件亚阈值区(VGS VT)大 VDS（强漏电场）VDSVGSVT VGS VFB(n+)n+VGSVDS+82/1213.3 MOSFET的直流特性483.3.5 MOSFET 的二级效应6.Gate-Induced Drain Leakage (GIDL)(2)机理深耗尽状态类似于“p+n+”结“p+”n+“p+”区价带中的电子隧穿至 n+区导带电子流向漏极(n+)空穴（横向）流向衬底（B极）IDB IDS（D S）隧穿方式：Band-to-band tunneling Trap-assisted tunneling Thermal-emiss
34、ion+tunneling83/1213.3 MOSFET的直流特性493.3.5 MOSFET 的二级效应6.Gate-Induced Drain Leakage (GIDL)(3)使 GIDL 增大的因素1o Ge preamorphization bulk midgap traps2o Hot carrier injection(HCI)interface traps3o Fowler-Nordheim tunneling(4)抑制 GIDL 的方法1o tox Eox Es 2o 近表面区 Nt 3o ND(n+)耗尽区厚度 tunneling 区域 4o LDD 结构 E漏 84/1
35、213.3 MOSFET的直流特性493.3.6 击穿特性1.源漏击穿1.源漏击穿2.栅击穿漏-衬底pn结雪崩击穿沟道雪崩击穿漏源势垒穿通(1)漏-衬底 pn 结雪崩击穿(BVDS)n+n+p-SiVGSVDSAcsDSqNEBV22NA BVDS 85/1213.3 MOSFET的直流特性503.3.6 击穿特性1.源漏击穿(1)漏-衬底 pn 结雪崩击穿(BVDS)86/1213.3 MOSFET的直流特性503.3.6 击穿特性1.源漏击穿(2)沟道雪崩击穿n+n+p-SiVGS VTVDSSB.。雪崩注入（Walk-out现象）VDS Ey 当 Ey Ec 时，沟道击穿电子：沟道 D
36、沟道 SiO2空穴：沟道 BSiO2EC=3.15 eVEg=1.1 eVEV=3.8 eVSiVDSIDS雪崩击穿后500 oC退火后恢复yxEEEeelqEE hhlqEE 电子注入几率eCeEEPexp6 nm4.5 nm空穴注入几率 2.8105hVhEEPexp 4.6108e.g.5105 V/cm1o 电子注入比空穴注入显著2o 载流子注入与栅电压有关问题：为什么空穴流向衬底（B 极）？87/1213.3 MOSFET的直流特性513.3.6 击穿特性1.源漏击穿(3)漏源势垒穿通n+n+p-SiVGSVDSSBE(x)x0LDsAPTVLqNV22扩散势 0.7 V短沟道，低
37、NA MOSFET 容易 punch-through88/1213.3 MOSFET的直流特性523.3.6 击穿特性2.栅击穿SiO2 击穿电场 Ec=(510)106 V/cm Eg.tox=100200 nm BVGS=100200 V 击穿时，J=10610 A/cm2 T 4000 K Eg.Cox=1 pF，tox=100 nm，Q=(510)1011 CV/cm 1056oxoxoxCtQE 栅击穿！n+n+p-SiGDn+S齐纳二极管89/121第三章 MOSFET的基本特性3.1 MOSFET的结构和工作原理3.2 MOSFET的阈值电压3.3 MOSFET的直流特性3.4
38、MOSFET的频率特性3.5 MOSFET的开关特性3.6 MOSFET的功率特性90/1213.4 MOSFET的频率特性13.4.1 交流小信号等效电路1.MOSFET 的电容dtdVCGDGDdtdVCGSGSn+n+GSDiGiSiDCGSOCGDOCJSCJDCGBB91/1213.4 MOSFET的频率特性23.4.1 交流小信号等效电路1.MOSFET 的电容低频（直流）时IGS 0IDS(VGS,VDS)DSDGSmDSVDSDSGSVGSDSDSdVgdVgdVVIdVVIdIGSDSDSDGSmDSvgvgi高频时dtdVCdtdVCiGDGDGSGSGdtdVCvgvgi
39、GDGDDSDGSmDDGii dtdVCvgvgiGSGSDSDGSmS92/1213.4 MOSFET的频率特性33.4.1 交流小信号等效电路2.计算分布电容 CGS 和 CGDGBGDVVGSGGSVQC,GBGSVVGDGGDVQC,LALnBIGdyydNqWdyyQWQQQ0max0)()(bLnWLQdyyQW0)(常数，只与 VGB 有关2/12/122BSBAsVVNq)()(yVVVCyQTGSoxndVyQIWdynDSn)(BVTGSDSoxnGQdVyVVVICWQDS0222)(线性区93/1213.4 MOSFET的频率特性43.4.1 交流小信号等效电路2.计
40、算分布电容 CGS 和 CGDBDSTGSTGSDSoxnGQVVVVVIWCQ33223BTGDTGSDSoxnQVVVVIWC33223DSDSTGSoxnDSVVVVLWCI21（线性区）222DSTGSTGSoxnVVVVVLWC222TGDTGSoxnVVVVLWCBTGDTGSTGDTGSoxGQVVVVVVVVWLCQ223332（线性区）BTGSoxGQVVWLCQ32（饱和区：VGD=VT）94/1213.4 MOSFET的频率特性53.4.1 交流小信号等效电路2.计算分布电容 CGS 和 CGD线性区22,2132TGDGSTGDoxVVGSGGSVVVVVWLCVQCG
41、BGDWLCox21VGS VGD22,2132TGDGSTGSoxVVGDGGDVVVVVWLCVQCGBGSWLCox21VGS VGD饱和区：VGD=VTGoxGSCWLCC32320GDC0,GDGSVVGBGGBVQC0GBCWLCCoxG单位：F95/1213.4 MOSFET的频率特性63.4.1 交流小信号等效电路3.等效电路gmvGS+GSDCGSgD1S+RGSCGD对 CGS 充电时，等效沟道串联电阻TGSGSVVR152TGSonVVR196/1213.4 MOSFET的频率特性73.4.1 交流小信号等效电路3.等效电路实际 MOSFET 高频等效电路SGCGSRGS
42、CGSOgmvGSSgD1DCGDCGDODRSRDBDDDSCjDCjSCGB97/1213.4 MOSFET的频率特性83.4.2 高频特性1.跨导截止频率GSGSmRCig1GSGSGSDSGSDSmVVVIVIg)(GSGSGSmRCiCig11GSGSgRCm1饱和区2141515232LVVVVCTGSnTGSGgmgmvGS+GSDCGSgD1S+RGSCGD=0（饱和区）vGSvGS98/1213.4 MOSFET的频率特性93.4.2 高频特性2.截止频率(最高振荡频率)fTgmvGS+GSDCGSgD1S+RGSCGD=0（饱和区）vGSvGS iGS GSCi1定义 时0
43、DSvDSGSiiTff 1GSGSGSGSGSvCiCivi0GSmvDSvgiDSDSGSiiGSmGSGSTvgvCGSmTCgGSmTCgf299/1213.4 MOSFET的频率特性103.4.2 高频特性2.截止频率(最高振荡频率)fTGSmTCgf2饱和区TGSoxnmVVLWCgWLtCoxoxGS32243LVVfTGSnT3.沟道渡越时间 假设沟道中为均匀电场LVyEDSsat)(DSsatnDSsatnnVLLVLyEL2)(问题：考虑实际沟道为非均匀电场，则结果如何？100/1213.4 MOSFET的频率特性113.4.2 高频特性4.提高 fT 的途径243LVVf
44、TGSnT1o (100)n 沟2o L 3o CGSO CGDO 考虑寄生电容时，输入电容GSOGSiCCC反馈电容GDOGDfCCCgmvGS+GSDCigD1SVDDRGSCf 0vGSvGS+RL|GV|vGS不考虑反馈电容 Cf 时，imTCgf2考虑反馈电容 Cf 时，Cf 两端电压GSVGSVGSvGvGv1Cf 折合到输入端 fVCG1101/1213.4 MOSFET的频率特性123.4.2 高频特性4.提高 fT 的途径gmvGS+GSDCiS+vGSGDOGDVGSOGSmimTCCGCCgCgf122饱和区，CGD=0，GV 很大GDOVmTCGgf12 降低寄生电容，
45、减小 Overlap102/1213.4 MOSFET的频率特性133.4.2 高频特性4.提高 fT 的途径降低寄生电容的结构103/121第三章 MOSFET的基本特性3.1 MOSFET的结构和工作原理3.2 MOSFET的阈值电压3.3 MOSFET的直流特性3.4 MOSFET的频率特性3.5 MOSFET的开关特性3.6 MOSFET的功率特性104/1213.5 MOSFET的开关特性13.5.1 电阻型负载 MOS 倒相器1.MOS 倒相器的开关作用+VDDvDS(t)vGS(t)+RDC+v(t)VTvGS(t)10%90%0tontofftvDS(t)IDSVDSAB电容
46、C 的来源：输出信号线与衬底电容；下级 MOS 管的输入电容.漏结电容；VonVoff0VDD负载线DSG105/1213.5 MOSFET的开关特性23.5.1 电阻型负载 MOS 倒相器2.MOS 倒相器的开关时间(1)tont:0 ton工作点:B A充放电过程:电容 C 通过沟道电阻 R 放电R(t):1)(onDg估算 ton:)(1)(onDgtR则msonDongCgCCtRt)()(C gms ton+VDDRDC高电平RVDSIDSVDSABVonVoff0VDD106/1213.5 MOSFET的开关特性33.5.1 电阻型负载 MOS 倒相器2.MOS 倒相器的开关时间(
47、2)tofft:0 toff工作点:A B充放电过程:VDD 通过 RD 对电容 C 充电估算 toff:CRtDoffC RD toff 受倒相器的逻辑摆幅限制VDSABVonVoff0VDDIDS+VDD+RDC 低电平VDS107/1213.5 MOSFET的开关特性4负载（M2）：有源负载 当 时，负载管导通，且处于饱和区。2TDDDSVVV导通过程：与电阻型负载相同（ton）。关断过程：IDS 非线性，比电阻型负载慢。负载管（M2）需考虑衬偏效应BSTTVV,2VDS+VDDvDS(t)vGS(t)+C+M2M1IDSABVonVoff0VDDVDDVT2Ion电阻型负载单沟道增强型
48、负载3.5.2 增强型-增强型 MOS 倒相器（E-E MOS）DSSDGG108/1213.5 MOSFET的开关特性53.5.2 增强型-增强型 MOS 倒相器（E-E MOS）+VDDvDS(t)vGS(t)+C+M2M1IDSABVonVoff0VDDVDDVT2Ion电阻型负载单沟道增强型负载导通态电压 Von、电流 Ion导通时（A）：M1 线性区 M2 饱和区M2：2,2BSTonDDLonVVVI2,2BSTDDLVVBSTDDmLVVg,2M1：2121ononTGGDonVVVVIonmDonTGGDVgVVV1BSTDDmDmLonVVggV,2BSTDDmLonVVgI
49、,2DSSDGG109/1213.5 MOSFET的开关特性63.5.2 增强型-增强型 MOS 倒相器（E-E MOS）关断时（B）：M1 截止区 M2 饱和区BSTDDoffVVV,E-E MOS 的优点：1o 面积小，集成度高；2o 单沟道.E-E MOS 的缺点：1o toff 长；2o 导通态功耗大；3o 存在衬偏效应.+VDDvDS(t)vGS(t)+C+M2M1IDSABVonVoff0VDDVDDVT2Ion电阻型负载单沟道增强型负载DSSDGG110/1213.5 MOSFET的开关特性73.5.3 增强型-耗尽型 MOS 倒相器（E-D MOS）+VDDvDS(t)vGS(
50、t)+C+M2M1负载管（M2）：耗尽型由于 ，负载管永远导通DDDSVV导通过程：与电阻型、增强型负载相同（ton）。关断过程：IDS 非线性，比电阻型、增强型负载快VDS导通时（A）：M1 线性区 M2 饱和区关断时（B）：M1 截止区 M2 线性区负载管（M2）也需考虑衬偏效应BSTTVV,22TDDDSVVV当 时，负载管处于饱和区IDSABVonVoff0VDDIon耗尽型负载VDD+VT2DSSDGG111/1213.5 MOSFET的开关特性83.5.3 增强型-耗尽型 MOS 倒相器（E-D MOS）E-D MOS 的优点：1o toff 短；2o 面积小，集成度高；3o 同类
