【正文】 頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 18 MOS電容 —耗盡層電容特性 (續(xù) ) 3） 若 Vgs再增大 ， 排斥掉更多的空穴 ， 吸引了更多的電子 ， 使得 Si表面電位下降 ， 能級(jí)下降 ， 達(dá)到低于P型襯底的費(fèi)米能級(jí) 。 ?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 。 ???? ASiASiApA qNWLNqWLNWLXqNQ 22q ???????2212 21 ASiASiSiqNWLqNWLdvdQC ???? ?東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 17 MOS電容 —耗盡層電容特性 ?隨著 Vgs的增大 ， 排斥掉更多的空穴 ， 耗盡層厚度 Xp增大 ， 耗盡層上的電壓降 ?就增大 ， 因而耗盡層電容 CSi就減小 。 111????????? ??Siox CCC東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 15 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。 這說(shuō)明了 MOS電容器可以看成兩個(gè)電容器的串聯(lián) 。 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 。 這些正電荷在數(shù)量上與柵極上的負(fù)電荷相等 ， 于是在 Si表面和柵極之間 ， 形成了平板電容器 ，其容量為 ， 通常 ， ?ox=??104 F/cm2； A是面積 ， 單位是 cm2； tox是厚度 ， 單位是 cm。 ? MOS電容還與外加電壓有關(guān) 。 SiO2下面是 P型襯底 ，襯底是比較厚的 。 = , ?0 = 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 9 MOS的伏安特性 —方程分析 ?非飽和情況下， Vds固定時(shí)， Ids是 Vgs的線性函數(shù)： dsdsTdsoxoxgsVdsgsdsVVVaVLWtaaVaVVIds)21( w i t h ),(2121c o ns t a nt?????????東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 10 MOS的伏安特性 —方程分析 ?當(dāng) Vgs固定時(shí)， Ids(Vds)由線性項(xiàng)和平方項(xiàng)組成： LWtbVVLWtbVbVbVVIoxoxTgsoxoxdsdsVdsgsdsgs????????2 )(w i t h ),(21221c on s t a nt????東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 11 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 。 p = 240 cm2/() ? 空穴遷移率 (pMOS) 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 8 MOSFET的伏安特性 —方程推導(dǎo) 非飽和情況下，通過(guò) MOS管漏源間的電流 Ids為： ? ?dsTgsgedsdsTgsoxoxdsdsTgsoxoxdsgeoxoxdsgedsVVVVVVVVLWtVVVVLWtVVLtWLVLCVQI21w i t h 21 )21( 222?????????????????????????????? = ?39。 ?為 載流子遷移率： ? 181。 這時(shí) ， 柵極電壓所感應(yīng)的電荷 Q為 ， Q=CVge 式中 Vge是柵極有效控制電壓 。 ? 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 。 一個(gè)電容器結(jié)構(gòu) ： 柵極與柵極下面的區(qū)域形成一個(gè)電容器 ， 是 MOS管的核心 。? 2022/8/20 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 王志功 東南大學(xué) 無(wú)線電系 2022年 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 2 第六章 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管 的特性 MOS場(chǎng)效應(yīng)管 MOS管的閾值電壓 影響 VT值的四大因素 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 ? 2022/8/20 3 MOS場(chǎng)效應(yīng)管 MOS的基本結(jié)構(gòu) 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 。 同雙極型晶體管中的 PN 結(jié) 一樣 ， 在結(jié)周圍由于載流 子的擴(kuò)散 、 漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平 衡 ， 而產(chǎn)生了耗盡層 。 圖 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 4 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 i d 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 ? 2022/8/20 5 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 ? 2022/8/20 6 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 。 當(dāng)柵極上的電壓超過(guò)閾值電壓 VT，在柵極下的 P型區(qū)域內(nèi)就形成電子分布 ， 建立起反型層 ，即 N型層 ， 把同為 N型的源 、 漏擴(kuò)散區(qū)連成一體 ， 形成從漏極到源極的導(dǎo)電溝道 。 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 7 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。 n = 650 cm2/() ? 電子遷移率 (nMOS) ? 181。.?0? 柵極 溝道間氧化層介電常數(shù) , ?39。 0?dsdsdVdI? ? 2Tgsoxoxd s m a x 21 VVLWtI ?????MOS的伏安特性 —漏極飽和電流 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 12 MOSFET特性曲線 ? 在非飽和區(qū) ? 線性工作區(qū) ? 在飽和區(qū) (Ids 與 Vds無(wú)關(guān) ) . MOSFET是平方律器件 ! I d sV d s0線性區(qū)飽和區(qū)擊穿區(qū)11 bVaI gsCVds ds ???? ?22 Tgsds VVaI ??東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 13 MOSFET電容的組成 MOS電容是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的電容 ， 有多層介質(zhì)： ? 首先 ， 在柵極電極下面有一層 SiO2介質(zhì) 。 最后 ， 是一個(gè)襯底電極 ， 它同襯底之間必須是歐姆接觸 。 1） 當(dāng) Vgs0時(shí) ， 柵極上的負(fù)電荷吸引了 P型襯底中的多數(shù)載流子 —空穴 ， 使它們聚集在 Si表面上 。 oxoxoxoxox tWLtWLC ?? ??東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 14 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) 。 這些束縛電荷是分布在厚度為 Xp的整個(gè)耗盡區(qū)內(nèi) ， 而柵極上的正電荷則集中在柵極表面 。 ?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 。1pSiAASiXqNd x d xqN ??? ?? ??ASip NqX??2?東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研