MOS场效应晶体管基础.ppt

3.1 双端MOS结构,1、MOS结构及其场效应2、半导体的耗尽及反型3、平衡能带关系4、栅压-平带电压和阈值电压5、电容（C-V）特性,M,O,S,-V+,a.MOS结构,b.电场效应,1、双端MOS结构及其场效应,-V+,_ _ _ _ _ _ _,+,p型,空穴堆积,a.p增强型,+V-,+,p型,空穴耗尽,b.p耗尽型,_ _ _ _ _ _ _,+V-,+,p型,电子堆积,c.p反型,_ _ _ _ _ _ _,-V,+V,+V,2、半导体的耗尽及反型,s,表面势,空穴堆积,电子堆积,-V+,+,n型,电子堆积,a.n增强型,+V-,+,n型,电子耗尽,b.n耗尽型,_ _ _ _ _ _ _,+V-,+,n型,空穴堆积,c.n反型,_ _ _ _ _ _ _,+V,-V,-V,2、半导体耗尽及反型,_ _ _ _ _ _ _,s,表面势,空穴堆积,电子堆积,2、耗尽区宽度,反型表面导电性增加，屏蔽外加电场，空间电荷区不能再增大。,耗尽表面导电性降低，外加电场进一步深入，空间电荷区增大。,金属 氧化物 p型半导体,3、平衡能带结构,真空能级,金属 氧化物 p型半导体,真空能级,能带平衡关系：,总的能带弯曲等于金属半导体功函数差：,金属功函数,电子亲合能,3、栅压,-VG+,金属 氧化物 半导体,4、平带电压,金属 氧化物 半导体,金属 氧化物 半导体,5、阈值电压,金属 氧化物 p型半导体,金属 氧化物 p型半导体,5、阈值电压,5、阈值电压,6、电荷分布,平带,耗尽,弱反型,堆积,强反型,注：堆积和强反型载流子增长很快。,7、MOS电容模型,8、理想 C-V特性,堆积,耗尽,中反型,强反型,低频,高频,8、理想 C-V特性,堆积,中反型,强反型,耗尽,低频,高频,9、非理想效应,堆积,反型,低频,高频,9、非理想效应,禁带中央,阈值,平带,a.固定栅氧化层电荷,b.界面态效应,3.2 MOS场效应晶体管,1、MOSFET的结构及工作原理2、电流-电压关系（定性分析）3、电流-电压关系（定量分析）4、MOSFET的等效电路5、MOSFET的频率限制特性,1、MOSFET的结构及工作原理,p,源(S)栅(G)漏(D),体(B),p,源(S)栅(G)漏(D),体(B),n沟,G,D,S,B,G,D,S,B,（1）N沟增强型,（2）N沟耗尽型,1、MOSFET的结构及工作原理,n,源(S)栅(G)漏(D),体(B),n,源(S)栅(G)漏(D),体(B),p沟,G,D,S,B,G,D,S,B,（3）P沟增强型,（4）P沟耗尽型,1、MOSFET的结构及工作原理,p,G,D,S,p,G,D,S,空间电荷区,电子反型层,(a)栅压低于阈值电压：沟道中无反型层电荷,(b)栅压高于阈值电压：沟道中产生反型层电荷,2、电流-电压关系（定性）（小的漏源电压作用）,p,G,D,S,电子反型层,2、电流-电压关系（定性）,P,耗尽区,氧化层,反型层,P,反型层,P,反型层,线性区,偏离线性,饱和,3、电流-电压关系（定量）,G,D,S,电子反型层,3、电流-电压关系（定量）,金属,氧化层,P型半导体,（a）电荷关系,（b）高斯关系,3、电流-电压关系（定量）,（c）电势关系,（d）能量关系,金属 氧化物 半导体,3、电流-电压关系（定量）,电流公式,电荷关系,电压关系,阈值电压,电流-电压关系：,3、电流-电压关系（定量）,电流-电压关系：（VGSVT，VDSVDS(sat)）,饱和:（电流达到最大）,饱和电流-电压关系：,3、电流-电压关系（定量）,电流-电压关系：,饱和:,饱和电流-电压关系：,P沟道增强型MOSFET：,n,G,D,S,P沟道耗尽型MOSFET：,3、电流-电压关系（定量）,电流-电压关系的应用（1）确定阈值电压和迁移率,（1）低漏源电压近似：（VDS0）,（2）饱和电流-电压关系：（VDS=VDS(sat)）,3、电流-电压关系（定量）,电流-电压关系的应用（2）MOSFET的跨导,MOSFET跨导的定义:,非饱和区跨导:,饱和区跨导:,线性很好！,3、电流-电压关系（定量）,衬底偏置效应,p,G,D,S,4、小信号等效电路,4、小信号等效电路,栅极：,漏极：,5、频率限制因素与截止频率,输入电流：,截止频率：,输出电流：,电流增益：,电压增益：,6、CMOS技术,（1）CMOS电路,（2）器件结构,-V,+V,输入,输出,N型衬底,输出,P阱,+V,-V,输入,*问题：闩锁效应,优点：互补，一开一关；电流小，功耗低；充放电回路短，速度快；线性好，温漂小。,