1、西安電子科技大學西安電子科技大學 XIDIDIAN UNIVERSITYXIDIDIAN UNIVERSITY第四章第四章 MOSMOS場效應晶體管場效應晶體管MOSFETMOSFET結構和基本工作原理結構和基本工作原理 2022-5-231場效應器件物理場效應器件物理2022-5-23XIDIAN UNIVERSITY 4.1 MOSFET 結構結構oMOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor field-effect transistorpMOS器件：四器件：四端器端器件，件，G、S、D、Bu一般情況下，一般情況下，VBS=0，則成為三端器，則成為三端器件件p與與J

2、FET相比：相比：u控制柵為控制柵為MOS結構結構u 源、漏摻雜與類型與襯底源、漏摻雜與類型與襯底相反相反o簡單看作：簡單看作：MOS電容和兩個背靠背電容和兩個背靠背PN結構成結構成2022-5-234.1 MOSFET 結構結構o MOS電容：外加電容：外加VG， 氧化層下方半導體表面氧化層下方半導體表面形成強反型形成強反型層，連接層，連接SD區區 強反型層強反型層-MOSFET的的導電導電溝道溝道o VDS在溝道上產生電場，載流子從源漂移到漏，被漏極收集形成在溝道上產生電場，載流子從源漂移到漏，被漏極收集形成IDo 重要參數：重要參數：u溝道長度溝道長度L：柵氧下方源漏之間半導體的長度：柵

3、氧下方源漏之間半導體的長度.u溝道寬度溝道寬度W：與溝長垂直的水平方向的源漏區寬度：與溝長垂直的水平方向的源漏區寬度u柵氧厚度柵氧厚度tox2022-5-234.1 MOSFET MOSFETMOSFET分類分類(1)(1) n溝道溝道MOSFET：NMOSP P襯，襯，n n型反型層，型反型層，電子導電電子導電VDS0, ID0p溝道溝道MOSFET：PMOSN襯，襯，p型反型層，型反型層，空穴導電空穴導電VDS0, ID0o 按照溝道載流子的導電類型分按照溝道載流子的導電類型分:o 每種器件只有一種載流子參與導電每種器件只有一種載流子參與導電單極性單極性器件器件2022-5-234.1 M

4、OSFET MOSFETMOSFET分類分類(2)(2)o0柵壓是否存在反型溝道分：柵壓是否存在反型溝道分：on溝耗盡溝耗盡型型MOSFETu零零柵壓時已存在反型溝道，柵壓時已存在反型溝道，uVTN0u加柵壓加柵壓VGS0，u加柵壓加柵壓VGSVTN, 溝道開啟溝道開啟o思考：思考：不進行專門的不進行專門的N型摻雜，能否形成耗盡型型摻雜，能否形成耗盡型NMOS？2022-5-234.1 MOSFET MOSFETMOSFET分類分類(3)(3) op溝溝增強型增強型MOSFETu零柵壓時不存在反型溝道零柵壓時不存在反型溝道uVTP0u加柵壓加柵壓VGS0u加柵壓加柵壓VGSVTP, 溝道關閉溝

5、道關閉4.1 MOSFET MOSFETMOSFET分類（分類（4 4）o 四種類型四種類型MOS晶體管的電路符號晶體管的電路符號un溝、溝、p溝的箭頭：襯底與溝道之間可形成的場感應溝的箭頭：襯底與溝道之間可形成的場感應pn結的正偏方向結的正偏方向u耗盡型：代表溝道區的線為實線，即耗盡型：代表溝道區的線為實線，即VGS=0時已存在溝道時已存在溝道增強型：代表溝道區的線為虛線，即增強型：代表溝道區的線為虛線，即VGS=0時不存在溝道時不存在溝道4.1 MOSFET MOSFETMOSFET分類（分類（5 5）o 四種類型四種類型MOS晶體管的的偏置條件晶體管的的偏置條件4.1 MOSFET MO

6、SFETMOSFET的閾值電壓的閾值電壓oVBS=0，即襯底接地；，即襯底接地； VGS 即為中間即為中間MOS電容兩側電勢差電容兩側電勢差uMOS電容電容VT：MOS電容半導體表面是否強反型的臨界電壓，電容半導體表面是否強反型的臨界電壓， 強反型層強反型層-MOSFET的導電溝道的導電溝道uVGSVT：半導體表面未形成強反型層，導電溝道未形成，器件截止：半導體表面未形成強反型層，導電溝道未形成，器件截止uVGSVT：半導體表面形成強反型層，導電溝道形成，器件導通半導體表面形成強反型層，導電溝道形成，器件導通oMOSFET的閾值電壓的閾值電壓VT：表面：表面剛剛產生溝道所需剛剛產生溝道所需的柵

7、源電壓的柵源電壓o溝道內可動電荷溝道內可動電荷Qn，面電荷密度面電荷密度Qn=COX(VGS-VT)：只有只有VGS大于大于VT，表面才，表面才產生導電溝道，根據電容電壓電荷關系得產生導電溝道，根據電容電壓電荷關系得Qn2022-5-23n溝增強型溝增強型4.1 MOSFET I-VI-V定性分析定性分析p偏置特點：偏置特點：uVBS=0, 源襯短接；源襯短接；VGSVT ,溝道溝道形成；形成；u VDS0，形成漏極電流，形成漏極電流ID，造成，造成溝厚不等厚溝厚不等厚： VDS0溝道中從源到漏電位不斷溝道中從源到漏電位不斷增大增大溝道上一點溝道上一點X， VXS， X從從S往往D移動移動，V

8、XS,VGX(=VGS-VXS) VGXVT, X點點處才形成溝道處才形成溝道,反型層可動電荷反型層可動電荷Qn(x)=COX(VGX-VT)， X從從S往往D移動，移動， Qn(x)不斷不斷，源端源端Qn(0)最大，漏端最大，漏端Qn(L)最小最小u溝道面電荷密度不相等溝道面電荷密度不相等可等效為可等效為溝道溝道截面積不相等截面積不相等2022-5-23n溝增強型溝增強型2022-5-234.1 MOSFET ID隨隨VDS的變化的變化(1)線性區線性區oVDS VDS (sat), VDS對對Vox的抵消作用可忽略的抵消作用可忽略 反型層和耗盡層近似均勻反型層和耗盡層近似均勻溝道等效電阻不

9、變溝道等效電阻不變 ID VDS（線性區）（線性區）2022-5-234.1 MOSFET ID隨隨VDS的變化的變化(2)過渡區過渡區o脫離線性區后，脫離線性區后，VDS , VDS對對Vox的抵消作用不可忽略的抵消作用不可忽略溝道厚度不等溝道厚度不等溝道等效電阻增加溝道等效電阻增加 ID隨隨VDS的增長率減小（過渡區）的增長率減小（過渡區）2022-5-234.1 MOSFET ID隨隨VDS的變化的變化(3)DSGSGDVVV飽和點飽和點o飽和點：飽和點：o溝道夾斷點溝道夾斷點X： 反型層電荷密度剛好反型層電荷密度剛好0VGX=VT, VGS-VXS=VT VXS=VGS-VT=VDS(

10、sat) TGSsatDSsatDDsatDSDSVVVIIVV)()()(,0器件預夾斷，漏端溝道剛好消失漏端反型層電荷密度，漏端處于臨界強反型點TV2022-5-234.1 MOSFET ID隨隨VDS的變化的變化(4)飽和區飽和區o原溝道區：原溝道區：導電溝道區導電溝道區和和夾斷區夾斷區。電流被夾斷了嗎？。電流被夾斷了嗎？u導電溝道區可導電，又有電勢差，所以有電流，根據導電溝道區可導電，又有電勢差，所以有電流，根據電流連續性電流連續性原原理，整個器件的電流仍存在，理，整個器件的電流仍存在，大小大小由導電溝道區由導電溝道區 決定決定u漂移到夾斷點的電子在夾斷區大電場的作用下被掃向漏極，形成

11、漂移到夾斷點的電子在夾斷區大電場的作用下被掃向漏極，形成IDo長溝長溝MOSFET，L變化可略，導電區形狀和該區上壓降變化可略，導電區形狀和該區上壓降不變不變，ID保持保持剛夾斷時的剛夾斷時的IDS(sat)不變，即飽和區內不變，即飽和區內ID不隨不隨VDS的增加而增加的增加而增加o擊穿區：擊穿區： VDS再再繼續繼續 漏極和襯底之間漏極和襯底之間PN結反偏電壓過結反偏電壓過大大 導致導致pn結結耗盡層內發生耗盡層內發生雪崩雪崩擊穿擊穿，ID急劇增大急劇增大，進入進入擊穿擊穿區，區， 此時此時電壓為電壓為BVDSp輸出特性輸出特性曲線：曲線：VGSVT的某常數時，的某常數時，ID隨隨VDS的變

12、化曲線的變化曲線4.1 MOSFET I-V特性定性分析特性定性分析on溝增強型溝增強型MOSFET器件源漏器件源漏ID-VDS特性曲線簇特性曲線簇oVGS不同，不同，ID隨隨VDS變化物理過程變化物理過程與上述分析與上述分析相同，曲線變化趨勢也相同相同，曲線變化趨勢也相同oVGS的影響：的影響： u非飽和區：非飽和區：VGS增大，增大，Qn=COX(VGS-VT)增大，所以對同一增大，所以對同一VDS，ID增大增大u飽和點：飽和點：VDS(sat)= VGS-VT，VGS增大，增大，VDS(sat)也增大。也增大。u飽和區飽和區：VGS增大增大， Qn=COX(VGS-VT)增大，增大，飽和

13、電流飽和電流也增大也增大4.1 MOSFET I-V特性定性分析特性定性分析4.1 MOSFET I-V轉移特性轉移特性p轉移轉移特性曲線：特性曲線： VDS 為為0的的某常數時，某常數時，ID隨隨VGS的變化曲線的變化曲線uVGS增大，增大， Qn=COX(VGS-VT)增大，飽和電流也增大增大，飽和電流也增大VGSPMOSFETNMOSFET增強型增強型NMOS耗盡型耗盡型NMOS增強型增強型PMOS耗盡型耗盡型PMOS4.1 MOSFET I-V輸出特性輸出特性4.1 MOSFET I-V特性定量分析特性定量分析p型襯底、n型溝道MOSFET0DSVTGSVV0BSV0DI0o溝道電流沿

14、水平方向（溝道電流沿水平方向（X方向），柵與方向），柵與溝道之間電流溝道之間電流=0o溝道電流為多子漂移電流，載流子遷移溝道電流為多子漂移電流，載流子遷移率為常數率為常數o緩變溝道近似（長溝器件），即垂直于緩變溝道近似（長溝器件），即垂直于溝道方向上的電場變化遠大于平行于溝溝道方向上的電場變化遠大于平行于溝道方向上的電場變化，道方向上的電場變化，EX為常數為常數o溝道中可動面電荷密度溝道中可動面電荷密度 Qn(x)=COX(VGX-VT)沿沿X方向方向“緩緩變變”o面電荷密度另一種表示面電荷密度另一種表示Qn(x)=en(x)h(x) 式中式中h(x)為為X處導電溝道的厚度處導電溝道的厚度20

15、22-5-234.1 MOSFET I-V特性特性:基本假設基本假設4.1 MOSFET I-V特性定量分析特性定量分析p歐姆定律：歐姆定律：dVx=IDdR(x),p根據定義根據定義Qn(x)=en(x)h(x)，p根據根據MOS結構結構Qn(x)=COX(VGX-VT)()()(1)(dxWQdxxWhdxxnexRndxdV-V-VVCWxdRdVIxxTGSoxnxD)()(xLVDdVdxIDS00)()(222DSDSTGSoxnDVVVVLCWI)()()(dTGXoxnVVWCdxxWQdxxR)()(1)()()(dxWhdxxnexWhdxxxR2022-5-234.1 M

16、OSFET I-VI-V特性特性: :溝道電流溝道電流)(222DSDSTGSoxnDVVVVLCWI)0)(22)(2satDSDSTGSDSDSTGSoxnDVVVVVVVVLCWI，（當o漏源電流強度漏源電流強度o成立條件成立條件o非飽和區非飽和區IV公式公式)(0satDSDSTGSVVVV，2022-5-234.1 MOSFET I-VI-V特性特性: :線性區與飽和區線性區與飽和區，處于飽和區若無關與TGSDSDSTGSoxnsatDVVVVVVLCWI2)()(2，處于線性區若TGSDSDSDSTGSoxnDVVVVVVVLCWI)()(222DSDSTGSoxnDVVVVLCW

17、I2022-5-234.1 MOSFET I-VI-V特性特性: :提高器件提高器件IDID驅動能力的途徑驅動能力的途徑oxoxsDtLWQoxLtWI表面平整度），111（）100優選晶面（表面u同一個同一個IC中，不同晶體管的中，不同晶體管的COX以及以及VT相同，控制不同相同，控制不同MOS器件器件溝道的溝道的W/L可控制電流大小。可控制電流大小。 L最小值取決于工藝水平最小值取決于工藝水平.u在工作電壓范圍內，適當提高器件偏置電壓在工作電壓范圍內，適當提高器件偏置電壓VGS材料參數材料參數設計參數設計參數工藝參數工藝參數TGSDSTGSTGSDSDSTGSDSDSTGSDVVVVVVV

18、VVVVVVVVI，22)(2,)(21)(LCWOXn2022-5-234.1 MOSFET 和和V VT T的測試提取方法的測試提取方法DSTGSoxnDVVVLCWI)(特性基于線性區GSDVITnDSoxnVLVCW橫軸截距斜率特性基于飽和區SDVIGTnoxnVLCW橫軸截距斜率2)(2)(TGSoxnsatDVVLCWI高場下遷移率隨高場下遷移率隨電場上升而下降電場上升而下降存在亞閾值電流存在亞閾值電流n溝耗盡型溝耗盡型n溝增強型溝增強型2022-5-234.1 MOSFET 跨導跨導: :模型模型常數DSVGSDmVIgo 跨導：跨導：VDS一定時，漏電流隨一定時，漏電流隨VGS

19、變化率變化率： o 又稱晶體管增益又稱晶體管增益: 表征表征FET放大能力的重要參數，反映放大能力的重要參數，反映了了VGS 對對 ID 的控制能力的控制能力o 單位單位 S(西門子西門子)，一般為幾毫西，一般為幾毫西 (mS) 2022-5-234.1 MOSFET 跨導跨導: :表達式表達式常數DSVGSDmVIg無關與非飽和區（含線性區，GSDSDSoxnmLDSDSTGSoxnDsatDSDSVVVLCWgVVVVLCWIVV)(22)02)(無關與飽和區（DSVTVGSVTVGSVLoxCnWmsgTVGSVLoxCnWDIsatDSVDSV)(2)(2)(o 器件放大應用，一般工作

20、在飽和區。原因？器件放大應用，一般工作在飽和區。原因？uVGS一定時，飽和區跨導一定時，飽和區跨導線性區跨導線性區跨導 2022-5-234.1 MOSFET 跨導跨導:提高途徑提高途徑p增大增大(W/L)，（通過版圖設計保證），（通過版圖設計保證）p增大增大COX，（減小氧化層厚度；采用高，（減小氧化層厚度；采用高k介質）介質）p增大增大(VGS-VT)，（增大，（增大VGS，減小，減小VT）無關與飽和區（DSVTVGSVTVGSVLoxCnWmsgTVGSVLoxCnWDIsatDSVDSV)(2)(2)(2022-5-234.1 MOSFET （溝道電導）漏導（溝道電導）漏導: :模型模

21、型常數GSVDSDdVIg無關與線性區，DSGSTGSoxndLDSTGSoxnDsatDSDSVVVVLCWgVVVLCWIVV)()(0)(無關與飽和區（DSdsTGSoxnDsatDSDSVgVVLCWIVV,0)(2)2)(o 溝道電導（漏導）：溝道電導（漏導）：VGS一定時，漏電流隨一定時，漏電流隨VDS的變化率的變化率2022-5-234.1 MOSFET 源漏間的有效電阻源漏間的有效電阻Rds）（）（TGSOXTGSLVVWCLVVR1g1don趨于，理想odsdsog1RRRo源漏間的有效電阻源漏間的有效電阻Rds: 溝道溝道電導的倒數電導的倒數u線性區導通電阻：表明線性區導通能力線性區導通電阻：表明線性區導通能力u飽和區輸出電阻飽和區輸出電阻p增加線性區溝道電導的途徑？增加線性區溝道電導的途徑？u非飽和區漏導等于飽和區跨導非飽和區漏導等于飽和區跨導u同增加飽和區跨導的途徑同增加飽和區跨導的途徑)(TGSoxndLVVLCWg0dsg理想2022-5-234.1 MOSFET 襯底偏置效應(1)0必須反偏或零偏