【正文】 MOS場效應(yīng) 晶體管 MOS Field Effect Transistor MetalOxideSemiconductor Field Effect Transistor MOS管的結(jié)構(gòu)、工作原理和輸出特性 MOS場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu) 基本工作原理和輸出特性 MOS場效應(yīng)晶體管的分類 MOS場效應(yīng)晶體管的閾值電壓 MOS管閾值電壓的定義 MOS管閾值電壓的表示式 非理想條件下的閾值電壓 影響閾值電壓的其他因素 閾值電壓的調(diào)整技術(shù) MOS管的直流電流 電壓特性 MOS管線性區(qū)的電流 電壓特性 MOS管飽和區(qū)的電流 電壓特性 亞閾值區(qū)的電流 電壓特性 MOS管擊穿區(qū)特性及擊穿電壓 MOS電容及 MOS管瞬態(tài)電路模型 理想 MOS結(jié)構(gòu)的電容 電壓特性 MOS管瞬態(tài)電路模型 SPICE模型 MOS管的交流小信號參數(shù)和頻率特性 MOS場效應(yīng)管的交流小信號參數(shù) MOS場效應(yīng)晶體管的頻率特性 MOS場效應(yīng)晶體管的開關(guān)特性 MOS場效應(yīng)晶體管瞬態(tài)開關(guān)過程 開關(guān)時(shí)間的計(jì)算 MOS場效應(yīng)晶體管的二級效應(yīng) 非常數(shù)表面遷移率效應(yīng) 體電荷效應(yīng)對電流 電壓特性的影響 MOS場效應(yīng)晶體管的短溝道效應(yīng) MOS場效應(yīng)晶體管的窄溝道效應(yīng) MOS場效應(yīng)晶體管溫度特性 熱電子效應(yīng) 遷移率隨溫度的變化 閾值電壓與溫度關(guān)系 MOS管幾個(gè)主要參數(shù)的溫度關(guān)系 場效應(yīng)管： 利用輸入回路的電場效應(yīng)來控制輸出回路電流 的三極管 。一種載流子參與導(dǎo)電 ， 又稱 單極型 (Unipolar)晶體管 。 原理： 利用改變垂直于導(dǎo)電溝道的電場強(qiáng)度來控制溝道 的導(dǎo)電能力而實(shí)現(xiàn)放大作用 。 第四章 MOS場效應(yīng)晶體管 雙極晶體管 ：參加工作的不僅有 少數(shù)載流子 ，也有 多數(shù)載流子 ，故統(tǒng)稱為雙極晶體管 特 點(diǎn) 單極型器件 (靠 多數(shù)載流子 導(dǎo)電 )； 輸入電阻高 ：可達(dá) 1010?(有資料介紹可達(dá) 1014?） 以上 、 抗輻射能力強(qiáng) ； 制作 工藝簡單 、 易集成 、 熱穩(wěn)定性好 、 功耗小 、 體積小 、 成本低 。 OUTLINE MOS場效應(yīng)晶體管 結(jié)構(gòu) 、 工作原理 和 輸出特性 柵極 Al (Gate) 源極 (Source) 漏極 (Drain) 絕緣層 SiO2(Insulator) 保護(hù)層 表面溝道 (Channel) 襯底電極 (Substrate) Ohmic contact MOS管 結(jié)構(gòu) 兩邊擴(kuò)散兩個(gè)高濃度的 N區(qū) 形成兩個(gè) PN結(jié) 以 P型半導(dǎo)體作襯底 通常， MOS管以金屬 Al (Metal) ?SiO2 (Oxide) ?Si (Semicond uctor)作為代表結(jié)構(gòu) 基質(zhì)： 硅、鍺、砷化鎵和磷化銦等 柵材： 二氧化硅、氮化硅、和三氧化二鋁等 制備工藝： MOSFET基本上是一種左右對稱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它 是在 P型半導(dǎo)體上生成一層 SiO2 薄膜絕緣層，然 后用光刻工藝擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的 N型區(qū)，從 N型區(qū) 引出電極。 結(jié)構(gòu)： 環(huán)形結(jié)構(gòu)、條狀結(jié)構(gòu)和梳狀結(jié)構(gòu) 基本 結(jié)構(gòu)參數(shù) 電容結(jié)構(gòu) 溝道長度 溝道寬度 柵絕緣層厚度 tOX 擴(kuò)散結(jié)深 襯底摻雜濃度 NA + 表面電場 MOS FET Fundamentals DS 間總有一個(gè)反接的 PN結(jié) 產(chǎn)生垂直向下的電場 MOS管 工作原理 柵壓從零增加，表面將由耗盡逐步進(jìn)入反型狀態(tài)，產(chǎn)生電子 積累 。當(dāng)柵壓增加到使表面積累的電子濃度等于或超過襯底內(nèi)部的空穴平衡濃度時(shí)，表面達(dá)到 強(qiáng)反型 ，此時(shí)所對應(yīng)的柵壓稱為閾值電壓 UT 。 感應(yīng)表面電荷 吸引電子 電場排斥空穴 正常工作時(shí)的偏置 強(qiáng)反型時(shí)，表面附近出現(xiàn)的與體內(nèi)極性相反的電子導(dǎo)電層稱為 反型層 —— 溝道 ，以電子導(dǎo)電的反型層稱做 N溝道 。 感應(yīng)表面電荷 一種典型的電壓控制型器件 電流通路 —— 從漏極經(jīng)過溝道到源極 UGS=0, UDS≠0，漏端 PN結(jié)反偏，反偏電流很小 —— 器件 截止 UGS≠0, UDS≠0，表面形成溝道，漏區(qū)與源區(qū)連通，電流明顯； —— 器件 導(dǎo)通 zero applied bias 源極和漏極之間始終有一個(gè) PN結(jié)反偏， IDS = 0 分析： 漏 源 輸出特性 下面分區(qū)討論 各區(qū)的特點(diǎn) 曲線與虛線的交點(diǎn)為“ 夾斷點(diǎn) ” 夾斷區(qū) (截止區(qū) ) 恒流區(qū) (放大區(qū)或飽和區(qū) ) 預(yù)夾斷軌跡 可變電阻區(qū) 擊穿區(qū) （ 1） 截止區(qū)特性 （ UGS UT 開啟電壓 ） 外加?xùn)烹妷?UGS在表面產(chǎn)生感應(yīng)負(fù)電荷，隨著柵極電壓的增加，表面將逐漸形成 耗盡層 。但耗盡層電阻很大，流過漏 — 源端的電流很小，也只是 PN結(jié)反向飽和電流 ，這種工作狀態(tài)稱為 截止?fàn)顟B(tài) 。 Operation Modes （ 2） 線性區(qū)特性 （ UGS ≥UT） —— 曲線 OA段 當(dāng) UGS ? UT后，表面形成強(qiáng)反型導(dǎo)電溝道，若加上偏置電壓 UDS ，載流子就通過反型層導(dǎo)電溝道，從源端向漏端漂移，由漏極收集形成漏 源電流 IDS。 UGS增大，反型層厚度亦增厚，因而漏 源電流線性增加。 表面形成反型層時(shí)，反型層與襯底間同樣形成 PN結(jié)，這種結(jié)是由表面電場引起的 。 —— 場感應(yīng)結(jié) UDS不太大時(shí)，導(dǎo)電溝道在兩個(gè) N區(qū)間是均勻的 。 （ 3）溝道夾斷 —— 曲線 A點(diǎn) 表面強(qiáng)反型形成導(dǎo)電溝道時(shí)，溝道呈現(xiàn)電阻特性，漏 源電流通過溝道電阻時(shí)，將在其上產(chǎn)生 電壓降 。 柵絕緣層上的有效電壓降從源到漏端逐漸減小， UDS很大時(shí)，降落在柵下各處絕緣層上的電壓不相等，反型層厚度不相等，因而導(dǎo)電溝道中各處的電子濃度不相同； UDS較大時(shí)，靠近 D區(qū)的導(dǎo)電溝道變窄。 導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)一個(gè)楔形 沿溝道有電位梯度 絕緣層內(nèi)不同點(diǎn)的電場強(qiáng)度不同 ,左高右低 當(dāng)電壓繼續(xù)增加到 漏端柵絕緣層 上的有效電壓降低于 表面強(qiáng)反型 所需的閾值電壓 UT 時(shí)，漏端表面的反型層厚度減小到零，即漏端處溝道消失，只剩下耗盡區(qū)，這就是： 溝道夾斷 。 使漏端溝道夾斷所需加的 漏 源電壓 UDS稱為 飽和漏 源電壓(UDsat)，對應(yīng)的電流 I 稱為飽和漏 源電流 (IDsat)。 溝道夾斷條件 UDS =UGS ?UT UDS +UT =UGS （ 4）飽和區(qū)特性 —— 曲線 AB段 繼續(xù)增加 UDS比 UDsat大得多時(shí) , (UDS ?UDsat )將降落在漏 端附近的夾斷區(qū)上 ,夾斷區(qū) 將隨 UDS的增大而展寬 , 夾斷點(diǎn)將隨 UDS的增大而逐漸向源端移動 ,導(dǎo)電溝道的有效厚度基本不再改變，柵下面表面被分成 反型導(dǎo)電溝道區(qū) 和 夾斷區(qū) 兩部分。 溝道中的載流子不斷地由源端向漏端漂移，當(dāng)?shù)竭_(dá)夾斷點(diǎn)時(shí)，立即被夾斷區(qū)的強(qiáng)電場掃入漏區(qū)，形成漏極電流。 漏源電流基本上不隨 UDS的增大而上升。 （ 5）擊穿特性 —— 曲線 BC段 當(dāng) UDS 達(dá)到或超過 漏端 PN結(jié)反向 擊穿電壓時(shí)，漏端 PN結(jié)發(fā)生反向擊穿； 轉(zhuǎn)移特性 (輸入電壓 輸出電流 ) 當(dāng) UGS ? UT 時(shí)，隨著 UGS的增加，溝道中導(dǎo)電載流子數(shù)量增多，溝道電阻減小，在一定的 UDS的作用下，漏極電流上升。 UGS ? UT 后，進(jìn)入 亞閾值區(qū) 工作，漏極電流很小。 MOS晶體管的 轉(zhuǎn)移特性： 漏源極電流 IDS隨柵源電壓 UGS變 化的曲線，反映控制作用的強(qiáng)弱 平方律關(guān)系 管子工作于放大區(qū)時(shí)函數(shù)表達(dá)式 UTN ，開啟電壓 截止， 夾斷區(qū) MOSFET的分類 根據(jù)導(dǎo)電溝道的起因和溝道載流子的類別可分成 4種 。 N溝道和 P溝道 MOS場效應(yīng)晶體管 加上漏 源偏壓后，輸運(yùn)電流的電子從源端流向漏端。 導(dǎo)電載流子是 N型導(dǎo)電溝道中的 電子 。 漏 源偏壓為正，相當(dāng)于 NPN晶體管的集電極偏壓； 制作在 P型襯底上，漏 源區(qū)為重?fù)诫s N+區(qū)； N溝道 MOS場效應(yīng)晶體管 柵極施加負(fù)壓 時(shí)，表面出現(xiàn)強(qiáng)反型而形成 P型導(dǎo)電溝道 。 傳輸電流的導(dǎo)電載流子是 空穴 。 在漏 源電壓作用下，空穴經(jīng)過 P型溝道從 源端 流向 漏端 。 制作在 N型襯底上，漏 源區(qū)為重?fù)诫s P+區(qū) 漏 源偏壓為負(fù) ，相當(dāng)于 PNP晶體管的集電極偏置電壓 。 P溝道 MOS場效應(yīng)晶體管 增強(qiáng)型和耗盡型 按零柵壓時(shí) (UGS＝ 0 ), 是否存在導(dǎo)電溝道來劃分； UGS = 0時(shí)，不存在導(dǎo)電溝道，漏源間被背靠背的 PN結(jié)二極管隔離，即使加上漏源電壓，也不存在電流，器件處于“ 正常截止?fàn)顟B(tài) ”； 增強(qiáng)型器件 當(dāng)襯底雜質(zhì)濃度低 , 而 SiO2層中的表面態(tài)電荷密度又較大，在零柵壓時(shí)，表面就會形成反型導(dǎo)電溝道，器件處于導(dǎo)通狀態(tài) 。 要使溝道消失，必須施加一定的反向柵壓，稱為 閾值電壓 (夾斷電壓 )； 二者的差別：在于耗盡型管的二氧化硅絕緣層中摻有大量的堿金屬 正離子 (如 Na++或 K++)，會感應(yīng)出大量的電子。 耗盡型器件 MO SF ET 的類型：增強(qiáng)型 N 溝道 M O S 管 （ E 型 N M O S F ET ）耗盡型 N 溝道 M O S 管 （ D 型 N M O SF ET ）增強(qiáng)型 P 溝道 M O S 管 （ E 型 P MO SF E T ）耗盡型 P 溝道 M O S 管 （ D 型 P M O S F E T ）電路中的電學(xué)符號 —— 教材有誤 類 型 襯底 漏源區(qū) 溝道載流子 漏源電壓 閾值電壓 N溝 增強(qiáng)型 P N+ 電子 正 UT 0 耗盡型 UT 0 P溝 增強(qiáng)型 N P+ 空穴 負(fù) UT 0 耗盡型 UT 0 決定閾值電壓的因素 閾值電壓的定義 ① 閾值電壓 —— 在漏 源之間半導(dǎo)體表面處感應(yīng)出導(dǎo)電溝道所需加在柵電極上的電壓 UGS 。 ② 表示 MOS管是否導(dǎo)通的 臨界柵 源電壓 。 ③ 工作在飽和區(qū)時(shí)，將柵壓與溝道電流關(guān)系曲線外推到零時(shí)所對應(yīng)的柵電壓； ④ 使半導(dǎo)體表面勢 US =2 , 為襯底半導(dǎo)體材料的費(fèi)米勢， US的大小相當(dāng)于為使表面強(qiáng)反型所需加的柵電壓。 F?F?外推 UDS≠0 閾值電壓的相關(guān)因素 閾值電壓 —— 表面出現(xiàn)強(qiáng)反型時(shí)所加的柵 源電壓； 強(qiáng)反型 —— 表面積累的少子濃度等于甚至超過襯底 多子濃度的狀態(tài)； US≥ 2( )2 iFF EEq? ?? P型襯底 ln AFpiNkTqn? ?N溝強(qiáng)反型時(shí)能帶圖 金屬柵板上的面電荷密度 表面態(tài)電荷密度 導(dǎo)電電子電荷面密度 表面耗盡層 空間電荷面密度 襯底摻雜濃度 NB EF + 電荷分布 Charge Distribution Strong Inversion band bending surface potential Inversion region Depletion region Neutrals region Band diagram (ptype substrate) Ideal MOS Curves Oxide Semiconductor surface Ptype silicon 表面強(qiáng)反型時(shí)，表面耗盡層 (surface depletionlayer)寬度達(dá)到最大 1 202 ( 2 )SFdmBX qN? ? ???? ????電荷密度也達(dá)到最大值 B m B d mQ q N X?電中性條件要求 0G SS B m nQ Q Q Q? ? ? ?反型層 (inversion layer)電子只存在于 極表面的一層 ，簡化為 0G SS B mQ Q Q? ? ?理想條件下的閾值電壓 忽略氧化層中的表面態(tài)電荷密度 1 20[ 2 ( 2 ) ]G B m S B FQ Q N? ? ?? ? ? ?理想情況下，表面勢完全產(chǎn)生于外加?xùn)艠O電壓 G O X SU U U??外加?xùn)艍? 柵氧化層上的電壓降 (向