《MOS场效应晶体管》课件.ppt
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1、1,第五章 MOS 场效应晶体管,5.1 MOS场效应管 5.2 MOS管的阈值电压5.3 体效应 5.4 MOSFET的温度特性 5.5 MOSFET的噪声5.6 MOSFET尺寸按比例缩小5.7 MOS器件的二阶效应,2,5.1 MOS场效应管5.1.1 MOS管伏安特性的推导,两个PN结:1)N型漏极与P型衬底;2)N型源极与P型衬底。同双极型晶体管中的PN 结 一样,在结周围由于载流 子的扩散、漂移达到动态平 衡,而产生了耗尽层。一个电容器结构:栅极与栅极下面的区域形成一个电容器,是MOS管的核心。,图 5.1,3,MOSFET的三个基本几何参数,栅长:L栅宽:W氧化层厚度:tox,L
2、min、Wmin和 tox 由工艺确定Lmin:MOS工艺的特征尺寸(feature size)决定MOSFET的速度和功耗等众多特性L和W由设计者选定通常选取L=Lmin,由此,设计者只需选取WW影响MOSFET的速度,决定电路驱动能力和功耗,4,MOSFET的伏安特性:电容结构,当栅极不加电压或加负电压时,栅极下面的区域保持P型导电类型,漏和源之间等效于一对背靠背的二极管,当漏源电极之间加上电压时,除了PN结的漏电流之外,不会有更多电流形成。当栅极上的正电压不断升高时,P型区内的空穴被不断地排斥到衬底方向。当栅极上的电压超过阈值电压VT,在栅极下的P型区域内就形成电子分布,建立起反型层,即
3、N型层,把同为N型的源、漏扩散区连成一体,形成从漏极到源极的导电沟道。这时,栅极电压所感应的电荷Q为,Q=CVge式中Vge是栅极有效控制电压。,5,非饱和时,在漏源电压Vds作用下,这些电荷Q将在时间内通过沟道,因此有,MOS的伏安特性电荷在沟道中的渡越时间,为载流子速度,Eds=Vds/L为漏到源方向电场强度,Vds为漏到源电压。为载流子迁移率:n=650 cm2/(V.s)电子迁移率(nMOS)p=240 cm2/(V.s)空穴迁移率(pMOS),6,MOSFET的伏安特性方程推导,非饱和情况下,通过MOS管漏源间的电流Ids为:,=.0 栅极-沟道间 氧化层介电常数,=4.5,0=0.
4、88541851.10-11 C.V-1.m-1,Vge是栅级对衬底的有效控制电压其值为栅级到衬底表面的电压减VT,7,当Vgs-VT=Vds时,满足:Ids达到最大值Idsmax,其值为Vgs-VT=Vds,意味着近漏端的栅极有效控制电压Vge=Vgs-VT-Vds=Vgs-Vds-VT=Vgd-VT=0感应电荷为0,沟道夹断,电流不会再增大,因而,这个 Idsmax 就是饱和电流。,MOS的伏安特性漏极饱和电流,8,MOSFET特性曲线,在非饱和区 线性工作区在饱和区(Ids 与 Vds无关).MOSFET是平方律器件!,9,5.1.2 MOSFET电容的组成,MOS电容是一个相当复杂的电
5、容,有多层介质:首先,在栅极电极下面有一层SiO2介质。SiO2下面是P型衬底,衬底是比较厚的。最后,是一个衬底电极,它同衬底之间必须是欧姆接触。MOS电容还与外加电压有关。1)当Vgs0时,栅极上的负电荷吸引了P型衬底中的多数载流子空穴,使它们聚集在Si表面上。这些正电荷在数量上与栅极上的负电荷相等,于是在Si表面和栅极之间,形成了平板电容器,其容量为,通常,ox=3.98.85410-4 F/cm2;A是面积,单位是cm2;tox是厚度,单位是cm。,10,MOS电容SiO2和耗尽层介质电容,2)当Vgs0时,栅极上的正电荷排斥了Si中的空穴,在栅极下面的Si表面上,形成了一个耗尽区。耗尽
6、区中没有可以自由活动的载流子,只有空穴被赶走后剩下的固定的负电荷。这些束缚电荷是分布在厚度为Xp的整个耗尽区内,而栅极上的正电荷则集中在栅极表面。这说明了MOS电容器可以看成两个电容器的串联。以SiO2为介质的电容器Cox以耗尽层为介质的电容器CSi 总电容C为:比原来的Cox要小些。,11,MOS电容束缚电荷层厚度,耗尽层电容的计算方法同PN结的耗尽层电容的计算方法相同:利用泊松公式式中NA是P型衬底中的掺杂浓度,将上式积分得耗尽区上的电位差:从而得出束缚电荷层厚度,12,MOS电容 耗尽层电容,这时,在耗尽层中束缚电荷的总量为,它是耗尽层两侧电位差的函数,因此,耗尽层电容为,是一个非线性电
7、容,随电位差的增大而减小。,13,MOS电容耗尽层电容特性,随着Vgs的增大,排斥掉更多的空穴,耗尽层厚度Xp增大,耗尽层上的电压降就增大,因而耗尽层电容CSi就减小。耗尽层上的电压降的增大,实际上就意味着Si表面电位势垒的下降,意味着Si表面能级的下降。一旦Si表面能级下降到P型衬底的费米能级,Si表面的半导体呈中性。这时,在Si表面,电子浓度与空穴浓度相等,成为本征半导体。,14,MOS电容耗尽层电容特性(续),3)若Vgs再增大,排斥掉更多的空穴,吸引了更多的电子,使得Si表面电位下降,能级下降,达到低于P型衬底的费米能级。这时,Si表面的电子浓度超过了空穴的浓度,半导体呈N型,这就是反
8、型层。不过,它只是一种弱反型层。因为这时电子的浓度还低于原来空穴的浓度。随着反型层的形成,来自栅极正电荷发出的电力线,已部分地落在这些电子上,耗尽层厚度的增加就减慢了,相应的MOS电容CSi的减小也减慢了。,15,4)当Vgs增加,达到VT值,Si表面电位的下降,能级下降已达到P型衬底的费米能级与本征半导体能级差的二倍。它不仅抵消了空穴,成为本征半导体,而且在形成的反型层中,电子浓度已达到原先的空穴浓度这样的反型层就是强反型层。显然,耗尽层厚度不再增加,CSi也不再减小。这样,就达到最小值Cmin。最小的CSi是由最大的耗尽层厚度Xpmax计算出来的。,MOS电容耗尽层电容特性(续),16,M
9、OS电容凹谷特性,5)当Vgs继续增大,反型层中电子的浓度增加,来自栅极正电荷的电力线,部分落在这些电子上,落在耗尽层束缚电子上的电力线数目就有所减少。耗尽层电容将增大。两个电容串联后,C将增加。当Vgs足够大时,反型层中的电子浓度已大到能起到屏蔽作用,全部的电力线落在电子上。这时,反型层中的电子将成为一种镜面反射,感应全部负电荷,于是,C=Cox。电容曲线出现了凹谷形,如图6.2。必须指出,上述讨论未考虑到反型层中的电子是哪里来的。若该MOS电容是一个孤立的电容,这些电子只能依靠共价键的分解来提供,它是一个慢过程,ms级。,17,MOS电容测量,若测量电容的方法是逐点测量法一种慢进程,那么将
10、测量到这种凹谷曲线。,图 5.2,18,MOS电容凹谷特性测量,若测量电容采用高频方法,譬如,扫频方法,电压变化很快。共价键就来不及瓦解,反型层就无法及时形成,于是,电容曲线就回到Cox值。然而,在大部分场合,MOS电容与n+区接在一起,有大量的电子来源,反型层可以很快形成,故不论测量频率多高,电压变化多快,电容曲线都呈凹谷形。,19,5.1.3 MOS电容的计算,MOS电容C仅仅是栅极对衬底的电容,不是外电路中可以观察的电容Cg,Cs 和Cd。MOS电容C对Cg,Cd有所贡献。在源极和衬底之间有结电容Csb,在漏极和衬底之间也有结电容Cdb。另外,源极耗尽区、漏极耗尽区都渗进到栅极下面的区域
11、。又,栅极与漏极扩散区,栅极与源极扩散区都存在着某些交迭,故客观上存在着Cgs和Cgd。当然,引出线之间还有杂散电容,可以计入Cgs和Cgd。,图 5.3,20,Cg、Cd的值还与所加的电压有关:1)若VgsVT,沟道建立,MOS管导通。MOS电容是变化的,呈凹谷状,从Cox下降到最低点,又回到Cox。这时,MOS电容C对Cg,Cd都有贡献,它们的分配取决于MOS管的工作状态。,MOS电容的计算,21,MOS电容的计算,若处于非饱和状态,则按1/3与2/3分配,即Cg=Cgs+2/3CCd=Cdb+1/3C 那是因为在非饱和状态下,与栅极电荷成比例的沟道电流为 由Vgs和Vds的系数可知栅极电
12、压Vgs对栅极电荷的影响力,与漏极电压Vds对栅极电荷的影响力为2:1的关系,故贡献将分别为 2/3与1/3。,22,MOS电容的计算(续),若处于饱和状态,则表明沟道电荷已与Vds无关,沟道已夹断。那么,Cg=Cgs+2/3 C,Cd=Cdb+0在饱和状态下,沟道长度受到Vds的调制,L变小,23,MOS电容的计算(续),当Vds增加时,L增大,Ids增加,那是因为载流子速度增加了,它与C的分配无关。然而,L的增大使得漏极耗尽层宽度有所增加,增大了结电容。故,Cg=Cgs+2/3C Cd=Cdb+0+Cdb,24,深亚微米CMOS IC工艺的寄生电容(数据),Cap.N+Act.P+Act.
13、PolyM1M2M3UnitsArea(sub.)5269378325108aF/um2Area(poly)541811aF/um2Area(M1)46 17aF/um2Area(M2)49aF/um2Area(N+act.)3599aF/um2Area(P+act.)3415aF/um2Fringe(sub.)249261aF/um,25,深亚微米CMOS IC工艺的寄生电容(图示),Cross view of parasitic capacitor of TSMC_0.35um CMOS technology,26,5.2 MOSFET的阈值电压VT,阈值电压是MOS器件的一个重要参数。按
14、MOS沟道随栅压正向和负向增加而形成或消失的机理,存在着两种类型的MOS器件:耗尽型(Depletion):沟道在Vgs=0时已经存在。当Vgs“负”到一定程度时截止。一般情况,这类器件用作负载。增强型(Enhancement):在正常情况下它是截止的,只有当Vgs“正”到一定程度,才会导通,故用作开关。,27,VT的组成,概念上讲,VT就是将栅极下面的Si表面从P型Si变为N型Si所必要的电压。它由两个分量组成,即:VT=Us+VoxUs:Si表面电位;Vox:SiO2层上的压降。,图 5.5,28,1.Us 的计算,将栅极下面的Si表面从P/N型Si变为N/P型Si所必要的电压Us 与衬底
15、浓度Na有关。在半导体理论中,P型半导体的费米能级是靠近满带的,而N型半导体的费米能级则是靠近导带的。要想把P型变为N型,外加电压必须补偿这两个费米能级之差。所以有:,图 5.4,29,2.Vox的计算,Vox根据右图从金属到氧化物到Si衬底Xm处的电场分布曲线导出:,30,VT的理想计算公式,在工艺环境确定后,MOS管的阈值电压VT主要决定于:1.衬底的掺杂浓度Na。2.Cox,31,5.3 MOSFET的体效应,前面的推导都假设源极和衬底都接地,认为Vgs是加在栅极与衬底之间的。实际上,在许多场合,源极与衬底并不连接在一起。通常,衬底是接地的,但源极未必接地,源极不接地时对VT值的影响称为
16、体效应(Body Effect)。,图 5.6,32,图5.7 某一CMOS工艺条件下,NMOS阈值电压随源极-衬底电压的变化曲线,33,5.4 MOSFET的温度特性,MOSFET的温度特性主要来源于沟道中载流子的迁移率 和阈值电压VT随温度的变化。载流子的迁移率随温度变化的基本特征是:T 由于所以,T gm阈值电压VT的绝对值同样是随温度的升高而减小:T VTVT(T)(2 4)mV/CVT的变化与衬底的杂质浓度Ni和氧化层的厚 度tox有关:(Ni,tox)VT(T),34,5.5 MOSFET的噪声,MOSFET的噪声来源主要由两部分:热噪声(thermal noise)闪烁噪声(fl
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