【正文】 ?究 ?所 ? 2022/8/20 16 MOS電容 —耗盡層電容 這時(shí) ， 在耗盡層中束縛電荷的總量為 ， 它是耗盡層兩側(cè)電位差 ?的函數(shù) ， 因此 ， 耗盡層電容為 ， 是一個(gè)非線性電容 ， 隨電位差的增大而減小 。 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 。 這時(shí) ， 在 Si表面 ， 電子濃度與空穴濃度相等 ， 成為本征半導(dǎo)體 。 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 。 因?yàn)檫@時(shí)電子的濃度還低于原來(lái)空穴的濃度 。 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 19 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 。 顯然 ， 耗盡層厚度不再增加 ， CSi也不再減小 。 最小的 CSi是由最大的耗盡層厚度 Xpmax計(jì)算出來(lái)的 。 情況很復(fù)雜 ， 但是 ，人們相信 ， 耗盡層電容將增大 ， 兩個(gè)電容串聯(lián)后 ， C將增加 。 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 。 必須指出 ， 上述討論未考慮到反型層中的電子是哪里來(lái)的 。 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 21 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 。共價(jià)鍵就來(lái)不及瓦解，反型層就無(wú)法及時(shí)形成，于是，電容曲線就回到 Cox值。 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 23 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。在源極和襯底之間有結(jié)電容 Csb， 在漏極和襯底之間也有結(jié)電容 Cdb。 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。 圖 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 24 Cg、 Cd的值還與所加的電壓有關(guān) : 1） 若 VgsVT， 溝道未建立 ， MOS管漏源溝道不通 。 Cg = Cgs + Cox Cd = Cdb 2） 若 VgsVT， 溝道建立 ， MOS管導(dǎo)通 。 這時(shí) ， MOS電容 C對(duì) Cg， Cd都有貢獻(xiàn) ， 它們的分配取決于 MOS管的工作狀態(tài) 。 ? ? dsdsTgsoxds VVVVLWtI ?????? ?????????21??東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 26 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 。 然而 ， L?的增大是由于漏極耗盡層寬度有所增加 ， 增大了結(jié)電容 。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(lèi)型的 MOS器件： ?耗盡型 ( Depletion)： 溝道在 Vgs=0時(shí)已經(jīng)存在 。 一般情況 ， 這類(lèi)器件用作負(fù)載 。 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 31 VT的組成 ? 概念上講 , VT就是將柵極下面的 Si表面從 P型 Si變?yōu)?N型 Si所必要的電壓 。 ? Vox: SiO2層上的 壓降 。 ? 在半導(dǎo)體理論中 ， P型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)是靠近滿帶的 ，而 N型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)則是靠近導(dǎo)帶的 。 所以有 : ???????????iabpS nNqkTqU ln22圖 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 33 Vox的計(jì)算 ? Vox根據(jù)右圖 從金屬到氧化物到 Si襯底Xm處的 電場(chǎng)分布曲線導(dǎo)出 : ? ?aiaSioxaNqnNkTCqNV 2ox/ln4 ??0XM O St ox XmEoxE 0Ex mE(X)東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 34 ? ?aiaSioxaiaoxsT NqnNkTCqNnNqkTVUV2/ln4ln2 ?????VT的理想計(jì)算公式 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 35 影響 VT值的四大因素 1. 材料的功函數(shù)之差 當(dāng)金屬電極同 Si晶片接觸時(shí)， ?ms = ?m ?s 對(duì)于 Al?Si(p)接觸， ?ms = () ? () 2. SiO2層中可移動(dòng)的正離子 主要是 Na+離子的影響 ,使閾值電壓降低 3. 氧化層中固定電荷 固定正電荷 QF使閾值電壓降低 4. 界面勢(shì)阱 Si與其它材料界面上 ， 硅晶格突然終止有電子被掛起 ，形成掛鍵 ,導(dǎo)致界面勢(shì)阱 . 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 36 MOSFET的 VT值的完整表達(dá)式 ?形成反型層 所必要的電壓 ?SiO2層上的電壓降 ?柵極材料與襯底材料之間的功函數(shù)之差 ?SiO2層中可移動(dòng)的正離子效應(yīng) ?氧化層中固定電荷的影響， ?界面勢(shì)壘的影響 oxsitoxFoxmmmsoxdbpT CUQCQCQqCQqV)(2 ???????? ???????????iabpnNkTq ln22? ? 212/ln4 ???????aiaSioxoxaoxdNqnNkTtqNCQ ??oxdCQqms?oxmmCQ?oxdCQ東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 37 MOSFET的體效應(yīng) 前面的推導(dǎo)都假設(shè)源極和襯底都接地 ， 認(rèn)為 Vgs是加在柵極與襯底之間的 。 通常 ， 襯底是接地的 ， 但源極未必接地 ,源極不接地時(shí)對(duì) VT值的影響稱(chēng)為體效應(yīng) (Body Effect)。 襯底不接地對(duì) VT0的影響是 Si中的耗盡層電荷 Qd。 這樣，則柵極下面 Si表面源端、中部和漏端的耗盡層對(duì)應(yīng)的電位為 源端 中部 漏端 dsxbsbp2 VkVq ???dsbsbp212 VVq ???bsbp2 Vq ??dsbsbp2 VVq ???東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 40 體效應(yīng) : 襯底不接地對(duì) VT0的影響 (續(xù) ) 定義 : VT的基本部分變?yōu)?: 體效應(yīng)還影響到界面勢(shì)阱項(xiàng) dsbsbpCB2 VkVqV x????? ? 21gb39。 212 CBSiaoxdsmbpbsToTo qVNCVkqVVV ???????oxCBitoxsitCVQCUQ )()( ?東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 41 MOSFET的溫度特性 MOSFET的溫度特性主要來(lái)源于溝道中載流子的遷移率 181。 載流子的遷移率隨溫度變化的基本特征是： T? ? 181。 C ?VT?的變化與襯底的雜質(zhì)濃度 Ni和氧化層的厚 度 tox有關(guān)： (Ni ?, tox?) ? ??VT(T)? ? ? ?Tgsoxm VVLWtg ????東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 42 MOSFET的噪聲 MOSFET的噪聲來(lái)源主要由兩部分： ? 熱噪聲 (thermal noise) ? 閃爍噪聲 (flicker noise， 1/fnoise) 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 43 MOSFET的噪聲 (續(xù) ) ? 熱噪聲是由溝道內(nèi)載流子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)造成 的，通過(guò)溝道電阻生成熱噪聲電壓 veg(T， t)， 其等效電壓值可近似表達(dá)為 ?f為所研究的頻帶寬度 , T是絕對(duì)溫度 . ? 設(shè) MOS模擬電路工作在飽和區(qū) , gm可寫(xiě)為 所以， 結(jié)論： 增加 MOS的柵寬和偏置電流，可減小器件的熱噪聲 。 閃爍噪聲的等效電壓值可表達(dá)為 K2是一個(gè)系數(shù)，典型值為 3?1024V2F/Hz。 ? 電路設(shè)計(jì)時(shí)， 增加?xùn)砰L(zhǎng) W， 可降低閃爍噪聲。這一特征在考慮振蕩器電路方案時(shí)必須要給予重視 。 總 結(jié)論： 縮小 MOSFET尺寸是 VLSI發(fā)展的總趨勢(shì) ！ MOSFET尺寸縮小對(duì)器件性能的影響 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 49 ? 減小 L引起的問(wèn)題： L??Vds=C ? (Ech?， Vdsmax?) 即 在 Vds?Vdsmax=VDD不變的情況下 ， 減小 L將導(dǎo)致?lián)舸╇妷航档?。 降低電源電壓的關(guān)鍵： 降低開(kāi)啟電壓 VT MOSFET尺寸縮小對(duì)器件性能的影響 圖 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 50 柵長(zhǎng)、閾值電壓、與電源電壓 L(?m) 10 2 VT(V) 79 4 1 VDD(V) 20 12 5 東 ?南 ?大 ?學(xué)