MOS场效应管的特性1

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1、集成电路设计基础第五章MOS场效应管的特性华南理工大学电子与信息学院广州集成电路设计中心殷瑞祥教授第五章MOS场效应管的特性5.1MOS场效应管5.2MOS管的阈值电压5.3体效应5.4MOSFET的温度特性5.5MOSFET的噪声5.6MOSFET尺寸按比例缩小5.7MOS器件的二阶效应25.1MOS场效应管5.1.1MOS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区域形成一个电容器，是MOS管的核心。3MOSFET

2、的三个基本几何参数栅长:L栅宽:W氧化层厚度:tox4MOSFET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(featuresize)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5MOSFET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

3、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=CVge式中Vge是栅极有效控制电压。6非饱和时（沟道未夹断），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7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：µn=650cm2/(V.s)电子迁移率(NMOS)µp=240cm2/(V.s)空穴迁移率(PMOS)电荷在沟道中的渡越时间MOSFET的伏

4、安特性方程非饱和情况下，通过MOS管漏源间的电流Ids为：8='.0栅极-沟道间氧化层介电常数,′=4.5,0=0.88541851.10-11C.V-1.m-1Vge：栅级对衬底的有效控制电压9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。MOSFET饱和特性MOSFET特性曲线在非饱和区饱和区(Ids与Vds无关).MOSFET是平方律器件

5、!105.1.2MOSFET电容的组成MOS电容是一个相当复杂的电容，有多层介质：在栅极电极下面有一层SiO2介质。SiO2下面是P型衬底，最后是衬底电极，同衬底之间是欧姆接触。MOS电容与外加电压有关。1）当Vgs<0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=3.98.85410-4F/cm2；A是面积，单位是cm2；tox是厚度，单位是cm。11MOS电容—SiO2和耗尽层介质电容2）当Vgs>0时，栅极上的正电荷排斥

6、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。12MOS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13MOS电容—耗尽层电容是一个非线

7、性电容，随电位差的增大而减小。14在耗尽层中束缚电荷的总量为是耗尽层两侧电位差的函数，耗尽层电容为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。15MOS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