复旦ppt课件 半导体器件 L03 MOSFET的基本特性.ppt

1/121,半导体器件原理,主讲人：蒋玉龙本部微电子学楼312室，65643768Email: http:/10.14.3.121,2/121,第三章 MOSFET的基本特性,3.1 MOSFET的结构和工作原理3.2 MOSFET的阈值电压3.3 MOSFET的直流特性3.4 MOSFET的频率特性3.5 MOSFET的开关特性3.6 MOSFET的功率特性,3/121,3.1.1 MOSFET简介,3.1 MOSFET的结构和工作原理1,Metal-Oxide-SemiconductorField Effect Transistor,4/121,3.1.1 MOSFET简介,MOSFET vs BJT,3.1 MOSFET的结构和工作原理2,5/121,3.1.1 MOSFET简介,晶体管发展史,1o 提出 FET 的概念 J. E. Lilienfeld（1930 专利） O. Heil （1939 专利）,2o FET 实验研究 W. Shockley （二战后）,3o Point-contact transistor发明 J. Bardeen W. H. Brattain（1947）,4o 实验室原理型JFET研制成功 Schockley （1953）,5o 实用型JFET出现 （1960）,6o MOSFET出现 （1960）,7o MESFET出现 （1966）,3.1 MOSFET的结构和工作原理3,6/121,3.1.2 MOSFET的结构,3.1 MOSFET的结构和工作原理4,7/121,3.1.3 MOSFET的基本工作原理,ID,当 VG VT 时 ID : 0 ,B,3.1 MOSFET的结构和工作原理5,8/121,3.1.4 MOSFET 的分类和符号,3.1 MOSFET的结构和工作原理6,9/121,3.1.5 MOSFET 的输出特性和转移特性,1. 输出特性,线性区,饱和区,击穿区,IDS VDS（VGS为参量）,NMOS（增强型）,3.1 MOSFET的结构和工作原理7,10/121,3.1.5 MOSFET 的输出特性和转移特性,1. 输出特性,3.1 MOSFET的结构和工作原理8,NMOS（增强型）,NMOS（耗尽型）,PMOS（增强型）,PMOS（耗尽型）,11/121,3.1.5 MOSFET 的输出特性和转移特性,2. 转移特性,3.1 MOSFET的结构和工作原理9,IDSS VGS（VDS为参量）,NMOS（增强型）,12/121,3.1.5 MOSFET 的输出特性和转移特性,2. 转移特性,3.1 MOSFET的结构和工作原理10,NMOS（增强型）,NMOS（耗尽型）,PMOS（增强型）,PMOS（耗尽型）,13/121,第三章 MOSFET的基本特性,3.1 MOSFET的结构和工作原理3.2 MOSFET的阈值电压3.3 MOSFET的直流特性3.4 MOSFET的频率特性3.5 MOSFET的开关特性3.6 MOSFET的功率特性,14/121,3.2.1 半导体的表面状态,3.2 MOSFET的阈值电压1,VG = ?,15/121,3.2.2 阈值电压的表达式,3.2 MOSFET的阈值电压2,不考虑 ms Qss Qox 时,考虑 ms Qss Qox 时 VFB 0,其中,功函数差,接触电势差,16/121,3.2.2 阈值电压的表达式,3.2 MOSFET的阈值电压3,n 沟 MOS（NMOS）, 沟 MOS（PMOS）,17/121,3.2.3 影响 VT 的因素,3.2 MOSFET的阈值电压4,1. 功函数差 ms 的影响,(1) 金属功函数 Wm,(2) 半导体功函数 Ws,=, 型 n 沟 MOS,n 型 p 沟 MOS,18/121,3.2.3 影响 VT 的因素,3.2 MOSFET的阈值电压5,1. 功函数差 ms 的影响,(3) Al栅工艺 / 硅栅工艺,自对准多晶硅栅工艺,Self-aligned,(P-Si),(N-Si),19/121,3.2.3 影响 VT 的因素,3.2 MOSFET的阈值电压5,1. 功函数差 ms 的影响,N-MOSFET,多晶硅栅 MOSFET,20/121,3.2.3 影响 VT 的因素,3.2 MOSFET的阈值电压6,1. 功函数差 ms 的影响,P-MOSFET,多晶硅栅 MOSFET,21/121,3.2.3 影响 VT 的因素,3.2 MOSFET的阈值电压7,2. 衬底杂质浓度 NB 的影响,NB 增加 2 个数量级， VB 增加 0.12 V,22/121,3.2.3 影响 VT 的因素,3.2 MOSFET的阈值电压8,3. 界面固定电荷 QSS 的影响,n 沟 MOS（NMOS）, 沟 MOS（PMOS）,ND/cm-3,NMOS,PMOS,23/121,3.2.3 影响 VT 的因素,3.2 MOSFET的阈值电压9,4. 离子注入调整 VT,P-Si,Rp dmax,24/121,3.2.3 影响 VT 的因素,3.2 MOSFET的阈值电压10,4. 离子注入调整 VT,离子注入调整 VT 应用,1o 调整 MOSFET 的 VT 注硼 使 NMOS 成为增强型 使 PMOS |VT| 降低,2o 沟道阻断注入 (Channel-stop implant),25/121,3.2.3 影响 VT 的因素,3.2 MOSFET的阈值电压11,5. MOS 栅电极的发展历史,Boron penetration in PMOSFET,Al栅 PMOS n+-poly PMOS n+-poly NMOS n+-poly CMOS（buried channel PMOS） dual-poly CMOS poly-SiGe gate electrode metal gate,26/121,3.2.3 影响 VT 的因素,3.2 MOSFET的阈值电压12,6. 衬底偏置效应 (衬偏效应，Body effect),(1) 衬偏效应的来源,27/121,3.2.3 影响 VT 的因素,3.2 MOSFET的阈值电压13,6. 衬底偏置效应 (衬偏效应，Body effect),(2) MOSFET 的 VT,EC,EV,EC,EV,EC,EV,EV,EC,2qVB,VGS = VT, VBS = 0,EC,EV,EC,EV,EC,EV,EV,EC,q(2VB+ |VBS|),VGS = VT(VBS), VBS 0,q |VBS|,q |VBS|,q(2VB+|VBS|),28/121,3.2.3 影响 VT 的因素,3.2 MOSFET的阈值电压14,6. 衬底偏置效应 (衬偏效应，Body effect),(2) MOSFET 的 VT,29/121,3.2.3 影响 VT 的因素,3.2 MOSFET的阈值电压15,6. 衬底偏置效应 (衬偏效应，Body effect),q|VBS|,VGS = VT(VBS) , VBS 0,VGS = VT , VBS = 0,(2) MOSFET 的 VT,30/121,3.2.3 影响 VT 的因素,3.2 MOSFET的阈值电压16,6. 衬底偏置效应 (衬偏效应，Body effect),(3) VT(VBS),VBS = 0 时,VBS 0 时,31/121,3.2.3 影响 VT 的因素,6. 衬底偏置效应 (衬偏效应，Body effect),(3) VT(VBS),3.2 MOSFET的阈值电压17, 衬偏系数,32/121,3.2.3 影响 VT 的因素,6. 衬底偏置效应 (衬偏效应，Body effect),(3) VT(VBS),3.2 MOSFET的阈值电压18,衬偏效应下的转移特性,33/121,第三章 MOSFET的基本特性,3.1 MOSFET的结构和工作原理3.2 MOSFET的阈值电压3.3 MOSFET的直流特性3.4 MOSFET的频率特性3.5 MOSFET的开关特性3.6 MOSFET的功率特性,34/121,3.3.1 MOSFET 非平衡时的能带图,3.3 MOSFET的直流特性1,35/121,qV(y),VGS = VFB, VDS = 0,VGS = VT , VDS = 0,VGS = VT , VDS 0,qVB,EF,qVB,qVB,EF,EF,qV(y),EiS,EiB,EiS,EiB,EiB,EiS,VGS = VFB, VDS = 0,VGS = VT , VDS = 0,立体图,3.3.1 MOSFET 非平衡时的能带图,3.3 MOSFET的直流特性2,正面,侧面,36/121,3.3.1 MOSFET 非平衡时的能带图,3.3 MOSFET的直流特性3,37/121,3.3 MOSFET的直流特性4,3.3.1 MOSFET 非平衡时的能带图,38/121,3.3 MOSFET的直流特性5,3.3.1 MOSFET 非平衡时的能带图,MOSFET 静电势图,39/121,3.3 MOSFET的直流特性5,3.3.1 MOSFET 非平衡时的能带图,MOSFET 静电势图,40/121,3.3 MOSFET的直流特性6,3.3.2 IDS VDS 的关系,假设：,1o 源区和漏区的电压降可以忽略不计；,2o 在沟道区不存在产生-复合电流；,3o 沟道电流为漂移电流；,4o 沟道内载流子的迁移率为常数 n (E) = C ；,5o 沟道与衬底间（pn结）的反向饱和电流为零；,6o 缓变沟道近似（Gradual Channel Approximation）,41/121,3.3 MOSFET的直流特性7,3.3.2 IDS VDS 的关系,MOSFET 坐标系,x,y,z,42/121,3.3 MOSFET的直流特性8,3.3.2 IDS VDS 的关系,1. 缓变沟道近似 (GCA),二维泊松方程,GCA,在计算 Q(y) 时不必考虑 Ey 的影响,43/121,3.3 MOSFET的直流特性9,3.3.2 IDS VDS 的关系,2. 可调电阻区 (线性区),强反型条件下（VGS VT）,在氧化层极板 y 处感应的单位面积上总电荷, QB(dmax),反型电子,y,0,L,V(0) = 0,V(L) = VDS,B,2VB+V(y),VDS 较小时,负电荷,44/121,3.3 MOSFET的直流特性10,3.3.2 IDS VDS 的关系,2. 可调电阻区 (线性区),VDS 较小时, ,45/121,3.3 MOSFET的直流特性11,3.3.2 IDS VDS 的关系,2. 可调电阻区 (线性区),VDS 较小时,跨导参数, 可调电阻区 （线性区）,当 VDS VGS VT 时, VDS（线性）,gD,其作用类似于一个可调电阻,受 VGS 控制,46/121,3.3 MOSFET的直流特性12,3.3.2 IDS VDS 的关系,3. 饱和区,VDS VGS VT,(1) VDS = VGS VT VDSsat,Qn(L) = 0,反型电子消失,沟道被夹断,定义,这时,n W/L ,问题：沟道内电势、电场分布 V(y)、E(y)？,47/121,3.3 MOSFET的直流特性13,3.3.2 IDS VDS 的关系,3. 饱和区,VDS VGS VT,(2) VDS VGS VT VDS sat,夹断点左移，有效沟道缩短,夹断区内 Ey Ex ，GCA不成立,漏端 Eox(L) 与源端 Eox(0)方向相反,夹断点 Eox(Leff) = 0，Qn = 0,Leff,L,y,长沟道器件： L/L 1,长沟道,短沟道,短沟道器件： L/L 1,IDS 不饱和，VDS IDS , 沟道长度调制效应,ro 从 变为有限大,48/121,3.3 MOSFET的直流特性14,3.3.3 MOSFET的亚阈值特性,1. 亚阈值现象,49/121,3.3 MOSFET的直流特性15,3.3.3 MOSFET的亚阈值特性,2. 亚阈值区的扩散电流,弱反型时（VB Vs 2VB），半导体表面处 p(0,y) n(0,y) NA,载流子浓度低,J漂移 J扩散,电流连续,V(0) = 0,V(L) = VDS,Iy = 常数,n (0) = ?,n (L) = ?,50/121,3.3 MOSFET的直流特性16,3.3.3 MOSFET的亚阈值特性,2. 亚阈值区的扩散电流,载流子浓度分布,当 VDS 较小时（ VDS VGS ）,Ei,则半导体表面势 Vs 常数,（长沟道假设）,而 则从 0 VDS,弱反型时沟道厚度 dch,反型电子在 x 方向的分布,弱反型时沟道厚度,51/121,3.3 MOSFET的直流特性17,3.3.3 MOSFET的亚阈值特性,2. 亚阈值区的扩散电流,亚阈值区 IDS exp(qVs/kT),当 VDS 3kT/q 时，,Vs 与 VGS 的关系 ?,52/121,3.3 MOSFET的直流特性18,3.3.3 MOSFET的亚阈值特性,3. 亚阈摆幅 (subthreshold swing),定义亚阈摆幅, 求解 Vs 与 VGS 的关系, 60 mV,53/121,3.3 MOSFET的直流特性19,3.3.3 MOSFET的亚阈值特性,3. 亚阈摆幅 (subthreshold swing), 求解 Vs 与 VGS 的关系,存在界面态 Nss 时,问题：Qss 对 S 有影响吗？,54/121,3.3 MOSFET的直流特性20,3.3.3 MOSFET的亚阈值特性,3. 亚阈摆幅 (subthreshold swing),讨论 S :（希望 S 越小越好）,1o T S 室温下 Smin = 60 mV/dec,2o Cox S tox ox ,3o Cd S NA d VBS d ,4o CNss S Nss ,5o L S ,6o VGS ? S ,衬偏效应对亚阈特性的影响,55/121,3.3 MOSFET的直流特性21,3.3.3 MOSFET的亚阈值特性,3. 亚阈摆幅 (subthreshold swing),讨论 S :（希望 S 越小越好）,tox NA VBS 对亚阈摆幅的影响,a,短沟道效应对亚阈值特性的影响,56/121,3.3 MOSFET的直流特性22,3.3.4 MOSFET 直流参数,1. 输出特性和转移特性,线性区,饱和区,击穿区,截止区,57/121,3.3 MOSFET的直流特性23,3.3.4 MOSFET 直流参数,2. 直流参数,(1) VT,(2) 饱和漏源电流 IDSS （对耗尽型）,定义：VGS = 0 时,IDSS,IDSS,58/121,3.3 MOSFET的直流特性24,3.3.4 MOSFET 直流参数,2. 直流参数,(3) 截止漏电流 IDS0 （对增强型）,定义：VGS = 0 时 IDS = IDS0, 两个背靠背 pn 结（反向饱和电流）,(4) 导通电阻 Ron（直流）,VDS 很小时，IDS VDS 线性关系,实际导通电阻,漏区串联电阻,源区串联电阻,(5) 直流输入阻抗 RGS,理想 RGS 实际 RGS 109 ,(6) 最大耗散功率 Pcm,允许能正常工作的最大 Pc Pcm,59/121,3.3 MOSFET的直流特性24,3.3.4 MOSFET 直流参数,3. 低频小信号参数,(1) 跨导 gm,S 1 西门子,IDS =,线性区,饱和区,MOSFET 电压增益,gm 越大越好！,60/121,3.3 MOSFET的直流特性25,3.3.4 MOSFET 直流参数,3. 低频小信号参数,提高 gm 的途径：,1o n tox ox Cox W/L , gm ,2o VGS gms ,(2) 输出电导 gD,S 1 西门子,gD =,非饱和区,饱和区 0（理想） 0（实际）, gm|饱和区 VDS 很小,VDS 稍大但仍 VDSsat,沟道长度调制效应,漏区电场静电反馈作用,61/121,3.3 MOSFET的直流特性26,3.3.4 MOSFET 直流参数,3. 低频小信号参数,(3) 等效电路,vGS,+,+,iDS,G,S,S,D,gmvGS,ro = gD 1,vDS, (VGS VT) 线性区,0 饱和区,62/121,3.3 MOSFET的直流特性27,3.3.5 MOSFET 的二级效应,1. 非常数表面迁移率效应,(1) 栅电场影响 (Ex),VGS Ex ,n = 550 950 cm2/Vs p = 150 250 cm2/Vs,s bulk/2,n/p=24,63/121,3.3 MOSFET的直流特性28,3.3.5 MOSFET 的二级效应,1. 非常数表面迁移率效应,(1) 栅电场影响 (Ex),有效迁移率,64/121,3.3 MOSFET的直流特性29,3.3.5 MOSFET 的二级效应,1. 非常数表面迁移率效应,(1) 栅电场影响 (Ex),1o 线性区：VGS 较小时，斜率增加等间距 VGS 较大时，曲线密集,IDS =,线性区,饱和区,2o 饱和区： VGS 较大时， IDSsat 随 VGS 增加不按平方规律,栅电场对迁移率影响,65/121,3.3 MOSFET的直流特性30,3.3.5 MOSFET 的二级效应,1. 非常数表面迁移率效应,(2) 漏电场 Ey 影响（载流子速度饱和效应）,v(Ey) =,Ey Esat,Ey Esat,在 Ey = Esat 处 v(Ey) 连续 ,eff(Ex),v 不饱和区,v 饱和区,66/121,3.3 MOSFET的直流特性31,3.3.5 MOSFET 的二级效应,1. 非常数表面迁移率效应,(3) 对 gm 的影响,gm =,线性区,饱和区,1o VGS 影响,gms,VGS Ex eff ,67/121,3.3 MOSFET的直流特性32,3.3.5 MOSFET 的二级效应,1. 非常数表面迁移率效应,(3) 对 gm 的影响,2o VDS 影响,v(Ey) =,Ey Esat,Ey Esat,线性区（可调电阻区）,n,68/121,3.3 MOSFET的直流特性33,3.3.5 MOSFET 的二级效应,1. 非常数表面迁移率效应,(3) 对 gm 的影响,2o VDS 影响,gm,VDS,0,当 VDS EsatL 时，,当 gm ,“饱和”区,69/121,3.3 MOSFET的直流特性34,3.3.5 MOSFET 的二级效应,2. 体电荷变化效应 (Bulk-Charge Model),GCA 假设： Ey 只影响载流子沿沟道方向的输运，而不影响沟道中载流子数量。表面势 Vs 由 VGS 唯一确定，而与 VDS 无关。,QB = 常数 = qNAdmax,常数，不随 y 变化,但当 VDS 较大时，GCA假设不成立。,QB 是 y 的函数,强反型时（指源端）,QB = QB(y) = QB(dmax(y),70/121,3.3 MOSFET的直流特性35,3.3.5 MOSFET 的二级效应,2. 体电荷变化效应 (Bulk-Charge Model),体电荷模型,强反型时,y = 0 L,V(y) = 0 VDS,Vs (y) = 2VB 2VB + VDS,重新计算 Qn(y)：,Vs(y),dmax (y) =,71/121,3.3 MOSFET的直流特性36,3.3.5 MOSFET 的二级效应,2. 体电荷变化效应 (Bulk-Charge Model), ,无统一的 VT,72/121,3.3 MOSFET的直流特性37,3.3.5 MOSFET 的二级效应,2. 体电荷变化效应 (Bulk-Charge Model),体电荷模型,讨论：,1o 简单模型（Square-law model）高估 IDS 约 2050%，Why ? NA IDS 偏差 Why ?,2o 简单模型（Square-law model）高估 VDSsat ，Why ?,3o 当 VDS 2VB 时，,VT,73/121,3.3 MOSFET的直流特性38,3.3.5 MOSFET 的二级效应,2. 体电荷变化效应 (Bulk-Charge Model),体电荷模型,讨论：,4o 计算 VDSsat,VDSsat,VDSsat,当 Qn QB 时, qNAdmax(L),74/121,3.3 MOSFET的直流特性39,3.3.5 MOSFET 的二级效应,体电荷模型,讨论：,4o 计算 VDSsat,2. 体电荷变化效应 (Bulk-Charge Model),当 NA 很小时,代入体电荷模型 IDS VDS,且 VDSsat VGS VT 2VB ， NA 很小时,5o 衬偏效应（VBS 0）,75/121,3.3 MOSFET的直流特性40,3.3.5 MOSFET 的二级效应,3. 非零漏电导,(1) 沟道长度调制效应,Leff,L,y,76/121,3.3 MOSFET的直流特性41,3.3.5 MOSFET 的二级效应,3. 非零漏电导,近似地,沟道长度调制因子 0.1 0.01 V1,斜率 =,77/121,3.3 MOSFET的直流特性42,3.3.5 MOSFET 的二级效应,3. 非零漏电导,(2) 漏电场静电反馈效应,VDS ED Qn IDS IDS 不饱和,ED,78/121,3.3 MOSFET的直流特性43,3.3.5 MOSFET 的二级效应,4. 源漏串联电阻对 gD 和 gm 的影响,(1) 对 gD 的影响,VGS,G,S,RS,RD,D,S,D,vGS,+,+,iDS,G,S,S,D,gmivGS,ro = gDi 1,vDS,RS,79/121,3.3 MOSFET的直流特性44,3.3.5 MOSFET 的二级效应,4. 源漏串联电阻对 gD 和 gm 的影响,线性区,饱和区,(2) 对 gm 的影响,dVDS = 0,?,80/121,3.3 MOSFET的直流特性45,3.3.5 MOSFET 的二级效应,4. 源漏串联电阻对 gD 和 gm 的影响,=,线性区,饱和区,当 RS gmi 1 时， gm RS1（与器件本征参数无关）,81/121,3.3 MOSFET的直流特性46,3.3.5 MOSFET 的二级效应,5. 最大 gm / Iout ( gm的极限),饱和区,当 VGS VT 0 时，gm / IDS ,同时当 tox 0 时， ， gm ,“高低结” 势垒高度,82/121,3.3 MOSFET的直流特性47,3.3.5 MOSFET 的二级效应,6. Gate-Induced Drain Leakage (GIDL),(1) 条件,亚阈值区 ( VGS VT ),大 VDS（强漏电场）,n+,VGS,VDS,+,+,+,+,+,+,83/121,3.3 MOSFET的直流特性48,3.3.5 MOSFET 的二级效应,6. Gate-Induced Drain Leakage (GIDL),(2) 机理,深耗尽状态,类似于 “p+n+” 结,“p+”,n+,“p+”区价带中的电子隧穿至 n+区导带,电子流向漏极 (n+),空穴（横向）流向衬底（B极）, IDB IDS （D S）,隧穿方式：, Band-to-band tunneling, Trap-assisted tunneling, Thermal-emission + tunneling,84/121,3.3 MOSFET的直流特性49,3.3.5 MOSFET 的二级效应,6. Gate-Induced Drain Leakage (GIDL),(3) 使 GIDL 增大的因素,1o Ge preamorphization bulk midgap traps,2o Hot carrier injection (HCI) interface traps,3o Fowler-Nordheim tunneling,(4) 抑制 GIDL 的方法,1o tox Eox Es,2o 近表面区 Nt,3o ND(n+) 耗尽区厚度 tunneling 区域 ,4o LDD 结构 E漏 ,85/121,3.3 MOSFET的直流特性49,3.3.6 击穿特性,1. 源漏击穿,1. 源漏击穿,2. 栅击穿,漏-衬底pn结雪崩击穿,沟道雪崩击穿,漏源势垒穿通,(1) 漏-衬底 pn 结雪崩击穿 ( BVDS ),NA BVDS ,86/121,3.3 MOSFET的直流特性50,3.3.6 击穿特性,1. 源漏击穿,(1) 漏-衬底 pn 结雪崩击穿 ( BVDS ),87/121,3.3 MOSFET的直流特性50,3.3.6 击穿特性,1. 源漏击穿,(2) 沟道雪崩击穿,雪崩注入（Walk-out现象）,VDS Ey 当 Ey Ec 时，沟道击穿,电子：沟道 D 沟道 SiO2空穴：沟道 B,雪崩击穿后500 oC退火后恢复,电子注入几率,6 nm,4.5 nm,空穴注入几率, 2.8105, 4.6108,e.g. 5105 V/cm,1o 电子注入比空穴注入显著2o 载流子注入与栅电压有关,问题：为什么空穴流向衬底（B 极）？,88/121,3.3 MOSFET的直流特性51,3.3.6 击穿特性,1. 源漏击穿,(3) 漏源势垒穿通,扩散势 0.7 V,短沟道，低 NA MOSFET 容易 punch-through,89/121,3.3 MOSFET的直流特性52,3.3.6 击穿特性,2. 栅击穿,SiO2 击穿电场 Ec = (510)106 V/cm,Eg. tox = 100200 nm BVGS = 100200 V,击穿时，J = 10610 A/cm2 T 4000 K,Eg. Cox = 1 pF，tox = 100 nm，Q = (510)1011 C,栅击穿！,90/121,第三章 MOSFET的基本特性,3.1 MOSFET的结构和工作原理3.2 MOSFET的阈值电压3.3 MOSFET的直流特性3.4 MOSFET的频率特性3.5 MOSFET的开关特性3.6 MOSFET的功率特性,91/121,3.4 MOSFET的频率特性1,3.4.1 交流小信号等效电路,1. MOSFET 的电容,92/121,3.4 MOSFET的频率特性2,3.4.1 交流小信号等效电路,1. MOSFET 的电容,低频（直流）时,IGS 0,IDS (VGS, VDS),高频时,93/121,3.4 MOSFET的频率特性3,3.4.1 交流小信号等效电路,2. 计算分布电容 CGS 和 CGD,常数，只与 VGB 有关,线性区,94/121,3.4 MOSFET的频率特性4,3.4.1 交流小信号等效电路,2. 计算分布电容 CGS 和 CGD,（线性区）,（线性区）,（饱和区：VGD = VT）,95/121,3.4 MOSFET的频率特性5,3.4.1 交流小信号等效电路,2. 计算分布电容 CGS 和 CGD,线性区,VGS VGD,VGS VGD,饱和区： VGD = VT,单位： F,96/121,3.4 MOSFET的频率特性6,3.4.1 交流小信号等效电路,3. 等效电路,对 CGS 充电时，等效沟道串联电阻,97/121,3.4 MOSFET的频率特性7,3.4.1 交流小信号等效电路,3. 等效电路,实际 MOSFET 高频等效电路,S,98/121,3.4 MOSFET的频率特性8,3.4.2 高频特性,1. 跨导截止频率,饱和区,99/121,3.4 MOSFET的频率特性9,3.4.2 高频特性,2. 截止频率 (最高振荡频率) fT,gmvGS,+,G,S,D,CGS,gD1,S,+,RGS,CGD = 0（饱和区）,vGS,vGS, iGS ,定义 时,100/121,3.4 MOSFET的频率特性10,3.4.2 高频特性,2. 截止频率 (最高振荡频率) fT,饱和区,3. 沟道渡越时间 ,假设沟道中为均匀电场,问题：考虑实际沟道为非均匀电场，则结果如何 ？,101/121,3.4 MOSFET的频率特性11,3.4.2 高频特性,4.提高 fT 的途径,1o (100) n 沟,2o L ,3o CGSO CGDO ,考虑寄生电容时，输入电容,反馈电容,不考虑反馈电容 Cf 时，,考虑反馈电容 Cf 时，Cf 两端电压,Cf 折合到输入端 ,102/121,3.4 MOSFET的频率特性12,3.4.2 高频特性,4.提高 fT 的途径,饱和区，CGD = 0， GV 很大, 降低寄生电容，减小 Overlap,103/121,3.4 MOSFET的频率特性13,3.4.2 高频特性,4.提高 fT 的途径,降低寄生电容的结构,104/121,第三章 MOSFET的基本特性,3.1 MOSFET的结构和工作原理3.2 MOSFET的阈值电压3.3 MOSFET的直流特性3.4 MOSFET的频率特性3.5 MOSFET的开关特性3.6 MOSFET的功率特性,105/121,3.5 MOSFET的开关特性1,3.5.1 电阻型负载 MOS 倒相器,1. MOS 倒相器的开关作用,+VDD,vDS(t),vGS(t),+,RD,C,+,v (t),VT,vGS (t),10%,90%,0,ton,toff,t,vDS (t),IDS,VDS,A,B,电容 C 的来源：, 输出信号线与衬底电容；, 下级 MOS 管的输入电容., 漏结电容；,Von,Voff,0,VDD,负载线,106/121,3.5 MOSFET的开关特性2,3.5.1 电阻型负载 MOS 倒相器,2. MOS 倒相器的开关时间,(1) ton,t : 0 ton,工作点 : B A,充放电过程 : 电容 C 通过沟道电阻 R 放电,R(t) : ,估算 ton :,则,C gms ton ,107/121,3.5 MOSFET的开关特性3,3.5.1 电阻型负载 MOS 倒相器,2. MOS 倒相器的开关时间,(2) toff,t : 0 toff,工作点 : A B,充放电过程 : VDD 通过 RD 对电容 C 充电,估算 toff :,C RD toff ,受倒相器的逻辑摆幅限制,108/121,3.5 MOSFET的开关特性4,负载（M2）：有源负载,当 时，负载管导通，且处于饱和区。,导通过程：与电阻型负载相同（ton）。,关断过程：IDS 非线性，比电阻型负载慢。,负载管（M2）需考虑衬偏效应,VDS,3.5.2 增强型-增强型 MOS 倒相器（E-E MOS）,109/121,3.5 MOSFET的开关特性5,3.5.2 增强型-增强型 MOS 倒相器（E-E MOS）,导通态电压 Von 、 电流 Ion,导通时（A）：M1 线性区 M2 饱和区,M2：,M1：,110/121,3.5 MOSFET的开关特性6,3.5.2 增强型-增强型 MOS 倒相器（E-E MOS）,关断时（B）：M1 截止区 M2 饱和区,E-E MOS 的优点：,1o 面积小，集成度高；,2o 单沟道.,E-E MOS 的缺点：,1o toff 长；,2o 导通态功耗大；,3o 存在衬偏效应.,111/121,3.5 MOSFET的开关特性7,3.5.3 增强型-耗尽型 MOS 倒相器（E-D MOS）,负载管（M2）：耗尽型,当 时，负载管永远导通。,导通过程：与电阻型、增强型负载相同（ton）。,关断过程：IDS 非线性，比电阻型、增强型负载快,导通时（A）：M1 线性区 M2 饱和区,关断时（B）：M1 截止区 M2 线性区,负载管（M2）也需考虑衬偏效应,112/121,3.5 MOSFET的开关特性8,3.5.3 增强型-耗尽型 MOS 倒相器（E-D MOS）,E-D MOS 的优点：,1o toff 短 ；,2o 面积小，集成度高；,3o 同类型沟道.,E-D MOS 的缺点：,1o 导通态功耗大；,2o 存在衬偏效应.,113/121,3.5 MOSFET的开关特性9,3.5.4 互补 MOS 倒相器（CMOS）,负载管（M2）：增强型 PMOS,输入低电平 ：M1 截止区，M2 线性区,输入高电平 ：M1 线性区，M2 截止区, 输出高电平（ VDD）, 输出低电平（ 0 V）,114/121,3.5 MOSFET的开关特性10,3.5.4 互补 MOS 倒相器（CMOS）,CMOS 电压传输特性,状态转换的必要条件：,和,NMOS、PMOS 同时导通,115/121,3.5 MOSFET的开关特性11,3.5.4 互补 MOS 倒相器（CMOS）,假设完全对称 CMOS,转换电压 Vin*（倒相器的阈值电压）,当 Vin 从 0 Vin*，到达 Vin* 时，,Vout 从 (Vin*VTp) (Vin*VTn), VDD,116/121,3.5 MOSFET的开关特性12,3.5.4 互补 MOS 倒相器（CMOS）,CMOS 电压传输特性,VT VDD/2 时，电压传输特性越好 （噪声容限大） ton toff 功耗 ,VT /VDD 越小，电压传输特性越差 （噪声容限小） ton toff 功耗 ,117/121,3.5 MOSFET的开关特性13,3.5.4 互补 MOS 倒相器（CMOS）,CMOS 的优点：,1o 静态功耗小 ；,2o 随着充放电过程，充放电电流逐渐增大；,CMOS 的缺点：,1o 单元面积大；,2o f 功耗 ；,3o 闩锁效应 （Latch-up）,118/121,第三章 MOSFET的基本特性,3.1 MOSFET的结构和工作原理3.2 MOSFET的阈值电压3.3 MOSFET的直流特性3.4 MOSFET的频率特性3.5 MOSFET的开关特性3.6 MOSFET的功率特性,119/121,3.6 MOSFET的功率特性1,3.6.1 MOSFET 的功率特性,功率 MOSFET 的优点：,2o 电压控制器件：输入阻抗高，所需驱动电流小；,1o 多子器件：工作频率高，开关速度快 ；,3o 热稳定性好.,功率 MOSFET 的缺点：,2o Ron 大.,1o Von 大；,输出电压最大幅值：,输出电流最大幅值：,最大输出功率：,IDSsatmax,VDSsatmax,120/121,3.6 MOSFET的功率特性2,3.6.2 功率 MOSFET 的结构,1. LDMOS (横向双扩散),优点：,1o Lg gm fT ,2o N 漂移区 BVDS VPT ,缺点：,1o 管芯面积 ,2. VVMOS (垂直V形槽),优点：,1o 管芯面积 ,缺点：,1o V 形槽尖端电场 BVDS ,2o Ron ,3o 腐蚀不易控制，可靠性 ,121/121,3.6 MOSFET的功率特性3,3.6.2 功率 MOSFET 的结构,3. VUMOS (垂直U形槽),优点：,1o 消除尖端电场 BVDS ,2o N 漂移区电流易展开 Ron ,缺点：,1o 腐蚀不易控制，可靠性 ,4. VDMOS (垂直双扩散),优点：,1o BVDS ,2o 可靠性 ,缺点：,1o Ron ,