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第五章 MOS 场效应管的特性 第五章 MOS 场效应管的特性 5.1 MOS场效应管 5.1 MOS场效应管 5.2 MOS管的阈值电压 5.3 体效应 5.3 体效应 5.5 MOSFET的噪声 5.4 MOSFET的温度特性 5.5 MOSFET的噪声 5.6 MOSFET尺寸按比例缩小 5.6 MOSFET尺寸按比例缩小 5.7 MOS器件的二阶效应 5.7 MOS器件的二阶效应 1 1 5.1 MOS场效应管 5.1.1 MOS管伏安特性的推导 图 两个PN结： 1） 1）N型漏极与P型衬底； 2）N型源极与P型衬底。 2） 同双极型晶体管中的PN 结一样，在 3） 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。 3）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，决定了MOS管的伏安特性。 2 2 MOSFET的三个基本几何参数 poly-Si D diffusion tox p + / n+ W G L n (p) S p + / n+ ? 栅长: L ? 栅宽: W ? 氧化层厚度: tox 3 MOSFET的三个基本几何参数 ?Lmin、 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，设计者只需选取W，W是主要的设计 变量。 ?W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 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=CV ge 式中Vge是栅极对衬底的有效控制电压，其值为栅极到衬 底表面的电压减去阈值电压。 5 MOS的伏安特性 ??电荷在沟道中的渡越时间 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 ?为载流子速度，?为载流子迁移率，Eds= Vds/L为漏到源方向 电场强度，Vds为漏到源电压。 ? μn = 650 cm2/(V · s) ? 电子迁移率(nMOS) ? μp = 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： e = e · e0? 栅极-沟道间 氧化层介电常数, e = 3.9, e0= 8.8541851 · 10-14 F· cm-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 MOSFET特性曲线 I a V b = = ? ? 在非饱和区 线性工作区 ds V const ds gs 1 1 ? 在饱和区 2 I =a ??V ?V ?? ds 2 gs T Ids 与 Vds无关。 MOSFET是平方律器件! Ids 饱和区 线性区 击穿区 0 Vds 8 MOS的伏安特性—漏极饱和电流 满足: I ds达到最大值I dsmax dI ε μ W ds = OX ( ? ? ) = 0 V V V gs T ds dV t L ds OX Vgs-VT=Vds 此时 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。 9 5.1.2 MOSFET电容的组成 MOS电容是一个相当复杂的电容，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 eoxA eoxWL = Cox = 与电压无关 tox tox 通常，eox=3.9?8.854?10-14 F/cm；A是面积，单位是cm2； tox是厚度，单位是cm。 10 MOS电容—SiO 2和耗尽层介质电容 2）当Vgs0时，栅极上的正电荷排斥了Si