【正文】 按 1/3與 2/3分配，即 Cg = Cgs + 2/3C Cd = Cdb +1/3C 那是因?yàn)樵诜秋柡蜖顟B(tài)下，與柵極電荷成比例的溝道電流為 由 Vgs和 Vds的系數(shù)可知柵極電壓 Vgs對(duì)柵極電荷的影響力，與漏極電壓 Vds對(duì)柵極電荷的影響力為 2:1的關(guān)系，故貢獻(xiàn)將分別為 2/3與 1/3 。 MOS電容 C = Cox， 但 C 對(duì) Cd無(wú)貢獻(xiàn) 。 另外 ， 源極耗盡區(qū) 、 漏極 耗盡區(qū)都滲進(jìn)到柵極下面的 區(qū)域 。 ?然而 ， 在大部分場(chǎng)合 ， MOS電容與 n+區(qū)接在一起 ，有大量的電子來(lái)源 ， 反型層可以很快形成 ， 故不論測(cè)量頻率多高 ， 電壓變化多快 ， 電容曲線都呈凹谷形 。 若該 MOS電容是一個(gè)孤立的電容 ， 這些電子只能依靠共價(jià)鍵的分解來(lái)提供 ， 它是一個(gè)慢過(guò)程 ， ms級(jí) 。 當(dāng) Vgs足夠大時(shí) ， 反型層中的電子濃度已大到能起到屏蔽作用 ， 全部的電力線落在電子上 。 最小的 CSi是由最大的耗盡層厚度 Xpmax計(jì)算出來(lái)的 。 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2021/6/15 16 4） 當(dāng) Vgs增加 ， 達(dá)到 VT值 ， Si表面電位的下降 ， 能級(jí)下降已達(dá)到 P型襯底的費(fèi)米能級(jí)與本征半導(dǎo)體能級(jí)差的二倍 。 這時(shí) ， Si表面的電子濃度超過(guò)了空穴的濃度 ， 半導(dǎo)體呈 N型 ， 這就是反型層 。 耗盡層上的電壓降的增大 ， 實(shí)際上就意味著 Si表面電位勢(shì)壘的下降 ， 意味著 Si表面能級(jí)的下降 。 ?以 SiO2為介質(zhì)的電容器 ——Cox ?以耗盡層為介質(zhì)的電容器 ——CSi 總電容 C為 : 比原來(lái)的 Cox要小些 。 oxoxoxoxox tWLtWLC ?? ??東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2021/6/15 11 MOS電容 —SiO2和耗盡層介質(zhì)電容 2） 當(dāng) Vgs0時(shí) ， 柵極上的正電荷排斥了 Si中的空穴 ，在柵極下面的 Si表面上 ， 形成了一個(gè)耗盡區(qū) 。 最后 ， 是一個(gè)襯底電極 ， 它同襯底之間必須是歐姆接觸 。.?0? 柵極 溝道間 氧化層介電常數(shù) , ?39。 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2021/6/15 6 非飽和時(shí)，在漏源電壓 Vds作用下，這些電荷 Q將在 ?時(shí)間內(nèi)通過(guò)溝道，因此有 dsds VLELL 2???? ???MOS的伏安特性 ??電荷在溝道中的渡越時(shí)間 ?為載流子速度， Eds= Vds/L為漏到源方向電場(chǎng)強(qiáng)度，Vds為漏到源電壓。 圖 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2021/6/15 3 MOSFET的三個(gè)基本幾何參數(shù) ?柵長(zhǎng) : L ?柵寬 : W ?氧化層厚度 : tox t oxSDn(p)p o l y S id i f f u s i o n p+/n+p+/n+WG L東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2021/6/15 4 MOSFET的三個(gè)基本幾何參數(shù) ?Lmin、 Wmin和 tox 由工藝確定 ?Lmin： MOS工藝的特征尺寸 (feature size) 決定 MOSFET的速度 和 功耗等眾多特性 ?L和 W由設(shè)計(jì)者選定 ?通常 選取 L= Lmin， 由此， 設(shè)計(jì)者 只需選取 W ?W影響 MOSFET的速度 ， 決定電路驅(qū)動(dòng)能力和功耗 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2021/6/15 5 MOSFET的伏安特性 :電容結(jié)構(gòu) ? 當(dāng)柵極不加電壓或加負(fù)電壓時(shí) ， 柵極下面的區(qū)域保持 P型導(dǎo)電類型 ， 漏和源之間等效于一對(duì)背靠背的二極管 ，當(dāng)漏源電極之間加上電壓時(shí) ， 除了 PN結(jié)的漏電流之外 ，不會(huì)有更多電流形成 。東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2021/6/15 1 第五章 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管的特性 MOS場(chǎng)效應(yīng)管 MOS管的閾值電壓 體效應(yīng) MOSFET的溫度特性 MOSFET的噪聲 MOSFET尺寸按比例縮小 MOS器件的二階效應(yīng) 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2021/6/15 2 MOS場(chǎng)效應(yīng)管 MOS管伏安特性的推導(dǎo) 兩個(gè) PN結(jié) ： 1） N型漏極與 P型襯底； 2） N型源極與 P型襯底 。 ? 當(dāng)柵極上的正電壓不斷升高時(shí) ， P型區(qū)內(nèi)的空穴被不斷地排斥到襯底方向 。 ?為 載流子遷移率： ? 181。 = , ?0 = Vge是柵級(jí)對(duì)襯底的有效控制電壓 其值為柵級(jí)到襯底表面的電壓減 VT 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2021/6/15 8 當(dāng) VgsVT=Vds時(shí) ， 滿足 : Ids達(dá)到最大值 Idsmax， 其值為 VgsVT=Vds， 意味著近漏端的柵極有效控制電壓Vge=VgsVTVds=VgsVdsVT = VgdVT =0 感應(yīng)電荷為 0， 溝道夾斷 ， 電流不會(huì)再增大 ， 因而 ，這個(gè) Idsmax 就是飽和電流 。 ? MOS電容還與外加電壓有關(guān) 。 耗盡區(qū)中沒(méi)有可以自由活動(dòng)的載流子 ， 只有空穴被趕走后剩下的固定的負(fù)電荷 。 111????????? ??Siox CCC東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2021/6/15 12 MOS電容 —束縛電荷層厚度 耗盡層電容的計(jì)算方法同 PN結(jié)的耗盡層電容的計(jì)算方法相同 : 利用泊松公式 式中 NA是 P型襯底中的 摻雜濃度 ， 將上式積分 得耗盡區(qū)上的電位差 ? ： 從而得出 束縛電荷層厚度 ? ?ASiSiqN???? ???? 1 12239。 ?一旦 Si表面能級(jí)下降到 P型襯底的費(fèi)米能級(jí) ，Si表面的半導(dǎo)體呈中性 。不過(guò) ， 它只是一種弱反型層 。 它不僅抵消了空穴 ， 成為本征半導(dǎo)體 ， 而且在形成的反型層中 ， 電子濃度已達(dá)到原先的空穴濃度這樣的反型層就是強(qiáng)反型層 。 oxSioxSiCCCCC???MOS電容 —耗盡層電容特性 (續(xù) ) 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2021/6/15 17 MOS電容 —凹谷特性 5） 當(dāng) Vgs繼續(xù)增大 ， 反型層中電子的濃度增加 ， 來(lái)自柵極正電荷的電力線 ， 部分落在這些電子上 ， 落在耗盡層束縛電子上的電力線數(shù)目就有所減少 。 這時(shí) ， 反型層中的電子將成為一種鏡面反射 ，感應(yīng)全部負(fù)電荷 ， 于是 ， C = Cox 。 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2021/6/15 18 MOS電容 —測(cè)量 若測(cè)量電容的方法是逐點(diǎn)測(cè)量法 —一種慢進(jìn)程 ， 那么將測(cè)量到這種凹谷曲線 。 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2021/6/15 20 MOS電容 的計(jì)算 MOS電容 C僅僅是柵極對(duì)襯底的電容，不是外電路中可以觀察的電容 Cg， Cs 和 Cd。 又 ， 柵極與漏極擴(kuò)散 區(qū) ， 柵極與源極擴(kuò)散區(qū)都存 在著某些交迭 ， 故客觀上存 在著 Cgs和 Cgd。 Cg = Cgs + Cox Cd = Cdb 2） 若 VgsVT， 溝道建立 ， MOS管導(dǎo)通 。 ? ? dsdsTgsoxds VVVVLWtI ?????? ?????????21??東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2021/6/15 23 MOS電容的計(jì)算 (續(xù) ) ? 若處于 飽和 狀態(tài) ， 則 表明溝道電荷已與 Vds無(wú)關(guān) ， 溝道已夾斷 。按 MOS溝道隨柵壓正向和負(fù)向增加而形成或消失的機(jī)理，存在著兩種類型的 MOS器件： ?耗盡型 ( Depletion)： 溝道在 Vgs=0