[工学]集成电路设计培训讲义.ppt

当进入强反型时，W达到最大值 ，MOS电容成为最小值，此时有 上图说明在不同 ，高频最小归一化电容与氧化层厚度 的关系。 如果测量电容的频率比较低，耗尽层中电子－空穴对的产生与复合跟得上交流电压的变化，则电子电荷对空间电荷区电容的贡献 就不能忽略。在接近强反型区， 对 的贡献将是主要的；而且 随着VG 的增大， 增大。MOS电容经过一个极小值 后会迅速增大。最后由于 很大而趋于 。低频时MOS电容的极小值 略大于高频时的极小值 。 理想MOS C-V曲线图（衬底为n型半导体） 通常用10HZ的频率可测得低频C-V曲线，用高于 的频率可测得高频曲线。MOS电容从高频值过渡到低频值的频率决定于耗尽量中少子的产生率和复合率，以及有无诸如光照、升温等外界因素的存在。 对于由n型半导体材料作为衬底构成的MOS电容，可以用完全类似的方法进行讨论,此略。下图给出衬底为n型半导体的理想MOS C-V曲线。 ＞0时为积累区， ＜0时为耗尽及反型区。 MOS C-V曲线的测量技术已经成为微电子制造中在线监测的重要手段. MOS场效应晶体管的基本特性 一个MOS电容和两个p-n结就构成了MOS场效应晶体管。与双极晶体管不同，场效应晶体管是利用改变垂直于导电沟道的电场强度来控制沟道的导电能力而实现放大作用的。在场效应管中，工作电流仅由半导体中的多数载流子所输运，因此又称为单极型晶体管。 场效应晶体管与双极型晶体管相比有下述优点： 输入阻抗高。双极型晶体管输入阻抗约为几 ，即使对用于小电流工作的超 管而言，输入阻抗也只有 数量级。而场效应管的输入阻抗可以达到 ； 噪声系数小。因为场效应管是依靠多子输运电流的，故不存在双极型晶体管中散粒噪声和配分噪声； 功耗小。可用于制造高集成密度的半导体集成电路。 温度稳定性好。因为它是多子器件，其电学参数不易随温 度而变化。例如，当温度升高时，场效应管沟道中的载流 子数目略有增加，但同时又使载流子的迁移率稍为减小。 这两个效应正好相互补偿，使管子的放大特性随温度变化 较小； 抗辐射能力强。双极型晶体管受辐射后 下降，这时由于 非平衡少子寿命降低。而场效应管的特性与载流子寿命关 系不大，因此抗辐射性能较好。 场效应管与双极型晶体管相比也存在一些缺点：工艺 卫生要求高；场效应管的速度比双极型管的速度低。 近几年来，人们努力提高场效应管集成电路的速度， 已取得了可喜的进展。但总的来说，其速度还未赶上双极 型集成电路；另外，模拟性能方面也略较双极型晶体管逊 色。 MOS场效应晶体管及其分类: 图3-4-1 p沟MOS场效应管示意图 以p沟MOS管为例来定性说明其工作原理。工作时，漏与源之间接电源电压。通常源极接地，漏极接负电源。在栅G和源之间加一个负电压，它将使MOS结构中半导体表面形成负的表面势，从而使由于 界面正电荷引起的半导体能带下弯的程度减小。当栅极负电压加到一定大小时，表面能带会变成向上弯曲，半导体表面耗尽并逐步变成反型。当栅极电压达到 时，半导体表面发生强反型，这时p沟道就形成了。空穴就能在漏－源电压的作用下，在沟道中输运。 称为场效应管的开启电压。显然，p型MOS管的 是负值。 由前面的讨论可知，形成沟道的条件为 表面强反型即沟道形成时，在表面处空穴的浓度与体内电子的浓度相等。开启电压是表示MOS场效应管性能的一个重要参数，下面还将进行详细讨论。另外，还应指出，当栅极电压变化时，沟道的导电能力会发生变化，从而引起通过漏与源之间电流的变化，在负载电阻上产生电压变化，这样就可实现电压放大作用（故称电压控制型器件） 。 根据MOS场效应管沟道的特征，可以将其分成四种类型。 1、p沟增强型 上述管子源和漏区为p区，导电沟道为p型。在栅极电压为零时，n型半导体表面由于界面正电荷的作用而处于积累状态，故不存在导电沟道。只有在栅极加了一定的负偏压且达到 值时，p型沟道才形成。栅极负偏压增大（绝对值），沟道导电能力也随之增强，因此这种MOS场效应管称为p沟增强型管。通常p沟增强型MOS管较容易制作，因为氧化层中存在的正电荷始终使n型表面在栅极电压 ＝0时总是不能变成p型导电沟道。 2、p沟耗尽型 如果p 沟MOS管在栅极电压 ＝0时已经存在p型导电沟道，