【正文】 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(kāi)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 。當(dāng)柵壓增加到使表面積累的電子濃度等于或超過(guò)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(duì)應(yīng)的柵壓稱為閾值電壓 UT 。 OUTLINE MOS場(chǎng)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(duì)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。 原理： 利用改變垂直于導(dǎo)電溝道的電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)控制溝道 的導(dǎo)電能力而實(shí)現(xiàn)放大作用 。MOS場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu) 基本工作原理和輸出特性 MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的分類 MOS場(chǎng)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(hào)參數(shù)和頻率特性 MOS場(chǎng)效應(yīng)管的交流小信號(hào)參數(shù) MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的頻率特性 MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的開(kāi)關(guān)特性 MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管瞬態(tài)開(kāi)關(guān)過(guò)程 開(kāi)關(guān)時(shí)間的計(jì)算 MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的二級(jí)效應(yīng) 非常數(shù)表面遷移率效應(yīng) 體電荷效應(yīng)對(duì)電流 電壓特性的影響 MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的短溝道效應(yīng) MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的窄溝道效應(yīng) MOS場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管： 利用輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)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 。 第四章 MOS場(chǎng)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(jiǎn)單 、 易集成 、 熱穩(wěn)定性好 、 功耗小 、 體積小 、 成本低 。 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(zhǎng)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(chǎng) 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(chǎng) 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 。 感應(yīng)表面電荷 吸引電子 電場(chǎng)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 。但耗盡層電阻很大，流過(guò)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) 。 UGS增大，反型層厚度亦增厚，因而漏 源電流線性增加。 —— 場(chǎng)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 。 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。 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(duì)應(yīng)的電流 I 稱為飽和漏 源電流 (IDsat)。 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(chǎng)掃入漏區(qū)，形成漏極電流。 （ 5）擊穿特性 —— 曲線 BC段 當(dāng) UDS 達(dá)到或超過(guò) 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。 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(kāi)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 。 導(dǎo)電載流子是 N型導(dǎo)電溝道中的 電子 。 傳輸電流的導(dǎo)電載流子是 空穴 。 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 。 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(huì)感應(yīng)出大量的電子。 ② 表示 MOS管是否導(dǎo)通的 臨界柵 源電壓 。 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(guò)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(jiǎn)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(shì)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 (向襯底方向的厚度 ) G B mOXO X O XUCC? ? ? 柵氧化層的單位面積電容 達(dá)到強(qiáng)反型的條件 US = 2?F 可得 理想閾值電壓 為 ( 0 ) 2BmTFOXQUC ?? ? ?實(shí)際閾值電壓 柵壓為零時(shí)，表面能帶已經(jīng)發(fā)生彎曲 , SSF B m sOXQUC?? ? ?平帶電壓 表面態(tài)電荷影響的柵源電壓 柵電壓為 G F B O X SU U U U? ? ?Flat band condition 閾值電壓為 22 S S B mT F B O X F F m sOXU U UC? ? ??? ? ? ? ? ? ?N溝的 平衡狀態(tài)時(shí)的閾值電壓 m1202ln12[ 2 ( 2 ) ] l nSS BATn m sO X O X iSS AS A F m sO X O X iQ QN kTUC C q nQ NkTqNC C q n?? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ?襯底摻雜濃度越高，閾值電壓也越高 。 N溝， P型襯底中 Ei ? EF ，因而 ?F為正 。 當(dāng)漏 源電壓 UDS = 0時(shí)，感應(yīng)PN結(jié)處于平衡狀態(tài)， 表面反型層 和 體內(nèi)費(fèi)米能級(jí) 處于同一水平。 溝道反型層 中少子的 費(fèi)米能級(jí) EFn與 體內(nèi)費(fèi)米能級(jí) EFP將不再處于同一水平； Nonequilibrium Condition 結(jié)兩邊的 費(fèi)米能級(jí) 之差 EFP ? EFn = qU(y) 表面勢(shì)則增大 US = 2?F +U(y) 表面耗盡層寬度 也隨著 外加電壓的增大 而展寬 1202 ( 2 ( ) )SFdmAUyXqN? ? ??? ?? ?????耗盡層的最大電荷密度 1 2039。 ② 表面 耗盡層的厚度 及 電荷面密度 隨 UBS的改變而變化。 ② 場(chǎng)感應(yīng)結(jié)過(guò)渡區(qū)少子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)與襯底多子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)隔開(kāi)一段距離，在 P型襯底中是 F p F n B SE E q U? ? ?（ N 溝道） F p F n B SE E qU??（ P 溝道） 此時(shí)： ()( ) 2B m B ST B S F B FOXQUU U UC ?? ? ?1 20( ) [ 2 ( 2 ) ]PB m B S S A F B SQ U q N U? ? ?? ? ?閾值電壓的 增量 ( ) (0 )( ) (0 )T n T n B S T nT p T p B S T pU U U UU U U U? ? ?? ? ?122()12PPF BSBmTnO X FUQOUC?????? ???? ? ? ???????NMOS管的 增量 ( ) 2S B S F B SU U U???N溝道 MOS有： PMOS管的 增量 122()12nnBS FBmTpO X FUQOUC?????????? ? ? ????????由此可以看出： | ?UT | 正比于 tOX 及 ， NB為襯底摻雜濃度 。 襯底偏置電壓 UBS 對(duì) UT 的影響 1 201 [ 2 ( 2 ) ] l nSS ATn S A F B S m sO X O X iQ NkTU q N UC C q n? ? ? ?? ? ? ? ? ?閾值電壓隨著襯底偏置電壓的增大而向正值方向漂移 。