MOS场效应管的特性.课件.ppt

1、Science and Technology of Electronic Information MOS管特性管特性第1页，共52页。Science and Technology of Electronic Information 5.1 MOS场效应管场效应管5.2 MOS管的阈值电压管的阈值电压5.3 体效应体效应 5.4 MOSFET的温度特性的温度特性 5.5 MOSFET的噪声的噪声5.6 MOSFET尺寸按比例缩小尺寸按比例缩小5.7 MOS器件的二阶效应器件的二阶效应MOS管特性管特性第2页，共52页。两个两个PN结结：1）N型型漏极漏极与与P型衬底；型衬底；2）N型型源极源极与

2、与P型衬底。型衬底。同双极型晶体管中的同双极型晶体管中的PN 结结 一样，在结周围产生了耗尽层。一样，在结周围产生了耗尽层。一个电容器结构一个电容器结构 栅极与栅极下面区域形成一个电容器，栅极与栅极下面区域形成一个电容器，是是MOS管的核心。管的核心。MOS管特性管特性第3页，共52页。u 栅长栅长:L;栅宽栅宽:W;氧化层厚度氧化层厚度:toxu Lmin：MOS工艺的特征尺寸工艺的特征尺寸(feature size)u L影响影响MOSFET的速度的速度，W决定电路驱动能力和决定电路驱动能力和功耗功耗u L和和W由设计者选定由设计者选定,通常选取通常选取L=Lmin，由此，由此，设计者只需

3、选取设计者只需选取Wt oxSDn(p)poly-Sidiffusionp+/n+p+/n+WGLMOS管特性管特性第4页，共52页。u 当当VGS0时时 P型区内的空穴被不断地排斥到衬底方向，少子电子在栅极下的型区内的空穴被不断地排斥到衬底方向，少子电子在栅极下的P型型区域内就形成电子分布，建立起反型层，即区域内就形成电子分布，建立起反型层，即N型层，当型层，当VGS=VT时形时形成从漏极到源极的导电沟道。成从漏极到源极的导电沟道。u这时，栅极电压所感应的电荷这时，栅极电压所感应的电荷Q为，为，Q=CVge 式中式中Vge是栅极有效控制电压。是栅极有效控制电压。MOS管特性管特性第5页，共5

4、2页。非饱和时非饱和时（沟道未夹断），（沟道未夹断），在漏源电压在漏源电压Vds作用下，作用下，这些电荷这些电荷Q将在将在 时间内通过沟道，因此有时间内通过沟道，因此有dsdsVLELL 2 为载流子速度，为载流子速度，Eds=Vds/L为漏到源方向电场强度，为漏到源方向电场强度，Vds为漏到源电压。为漏到源电压。为为载流子迁移率：载流子迁移率：n n=650 cm2/(V.s)电子迁移率电子迁移率(NMOS)n p=240 cm2/(V.s)空穴迁移率空穴迁移率(PMOS)MOS管特性管特性第6页，共52页。非饱和情况下，通过MOS管漏源间的电流Ids为：2221()2 1 1 22geox

5、oxdsgedsgsTdsdsoxoxdsoxgsTdsdsoxgegsTdsCVWLQWIV VVVV VLtLtLVWVV VVLVVVtV =.0 栅极栅极-沟道间氧化层介电常数沟道间氧化层介电常数,=4.5,0=0.88541851.10-11 C.V-1.m-1Vge：栅级对衬底的有效控制电压栅级对衬底的有效控制电压MOS管特性管特性第7页，共52页。当当Vgs-VT=Vds时，满足时，满足:Ids达到最大值达到最大值Idsmax，其值为，其值为 Vgs-VT=Vds，意味着：，意味着：Vge=Vgs-VT-Vds=Vgs-Vds-VT=0沟道夹断，电流不会再增大沟道夹断，电流不会再

6、增大，因而，这个因而，这个 Idsmax 就是就是饱和电流饱和电流。0dsdsdVdI2Tgsoxoxdsmax21VVLWtIMOS管特性管特性第8页，共52页。在非饱和区在非饱和区 呈线性电阻呈线性电阻 饱和区饱和区(I Idsds与与V Vdsds无关无关,与与V Vgsgs有关有关)IdsVds0线性区饱和区击穿区11bVaIgsCVdsds22TgsdsVVaI212oxdsgsTdsdsoxWIVVVVtL 2oxdsgsTox12WIVVtL MOS管特性管特性第9页，共52页。MOS MOS电容是一个相当复杂的电容，具有多层介质，电容是一个相当复杂的电容，具有多层介质，在栅极电

7、极下面有一层在栅极电极下面有一层SiOSiO2 2介质，介质，SiOSiO2 2下面是下面是P P型衬底，型衬底，最后是衬底电极，同衬底之间是欧姆接触。最后是衬底电极，同衬底之间是欧姆接触。沟道沟道耗尽层P型衬底 +GGCoCdeptoxdVssVssMOS管的电容管的电容第10页，共52页。1）当）当Vgs0时，时，MOS电容器可以看成两个电容器的串电容器可以看成两个电容器的串联联。栅极上的正电荷排斥了栅极上的正电荷排斥了Si Si中的空穴，在栅极下面的中的空穴，在栅极下面的Si Si表表面上，形成了一个耗尽区。耗尽区中空穴被赶走后剩下的固面上，形成了一个耗尽区。耗尽区中空穴被赶走后剩下的固

8、定的负电荷，分布在厚度为定的负电荷，分布在厚度为X Xp p的整个耗尽区内；而栅极上的正电的整个耗尽区内；而栅极上的正电荷则集中在栅极表面，基底接负极。荷则集中在栅极表面，基底接负极。N+N+N+N+N+G+以以SiO2为介质的电容器为介质的电容器Cox以耗尽层为介质的电容器以耗尽层为介质的电容器CSi111SioxCCCMOS管的电容管的电容第12页，共52页。耗尽层电容的计算方法同耗尽层电容的计算方法同PNPN结的耗尽层电容的计算方法相同，结的耗尽层电容的计算方法相同，利用泊松方程利用泊松方程ASiSiqN1 1221pSiAASiXqNdxdxqNASipNqX2将上式积分得耗尽区上的电

9、位差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从而得出束缚电荷层厚度式中式中NA是是P型衬底中的掺杂浓度，型衬底中的掺杂浓度，为空间电荷密度，为空间电荷密度，为电势，为电势，MOS管的电容管的电容第13页，共52页。是一个非线性电容，随电位差的增大而减小。是一个非线性电容，随电位差的增大而减小。ASiASiApAqNWLNqWLNWLXqNQ22q 221221ASiASiSiqNWLqNWLdvdQC在耗尽层中束缚电荷的总量为在耗尽层中束缚电荷的总量为是耗尽层两侧电位差是耗尽层两侧电位差 的函数，耗尽层电容为的函数，耗尽层电容为MOS管的电容管的电容第14页，共52页。u 3 3

10、）随着随着V Vgsgs的增大，耗尽层厚度的增大，耗尽层厚度X Xp p增大，耗尽层上的电压降增大，耗尽层上的电压降 就增大，就增大，因而耗尽层电容因而耗尽层电容C CSiSi就减小。就减小。耗尽层上的电压降的增大，意味着耗尽层上的电压降的增大，意味着SiSi表面能级的下降。一旦表面能级的下降。一旦SiSi表面能级下降到表面能级下降到P P型衬底的费米能型衬底的费米能级，这时在级，这时在SiSi表面，表面，电子浓度与空穴浓度相等电子浓度与空穴浓度相等，成为本征半导体，成为本征半导体，半导体呈中性。半导体呈中性。若若V Vgsgs再增大，排斥掉更多的空穴，吸引了更多的电子，这时，再增大，排斥掉更

11、多的空穴，吸引了更多的电子，这时，SiSi表面的电子浓度超过了空穴的浓度，形成表面的电子浓度超过了空穴的浓度，形成N N反型层，反型层，耗尽层厚度耗尽层厚度的增加就减慢了的增加就减慢了，C CSiSi的减小也减慢了。的减小也减慢了。MOS管的电容管的电容第15页，共52页。u4 当当Vgs增加，达到增加，达到VT值，值，Si表面电位的下降，能级下降已达到表面电位的下降，能级下降已达到P型衬型衬底的费米能级与本征半导体能级差的二倍底的费米能级与本征半导体能级差的二倍。在形成的反型层中，在形成的反型层中，电子电子浓度已达到原先的空穴浓度。显然，耗尽层厚度达最大浓度已达到原先的空穴浓度。显然，耗尽层

12、厚度达最大Xpmax，CSi也不再减小也不再减小。这样就达到最小值。这样就达到最小值Cmin。u 5 当当V Vgsgs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，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。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，耗尽层电容将增大。两个电容串联后，C C将增加。将增加。u 6 6 当当V Vgsgs足够大时，反型层中的电子浓度已大到能起到屏蔽作用，全足够大时，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

13、在电子上。这时，反型层中的电子将成为一种镜面反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，射，感应全部负电荷，于是，C=CC=Coxox 。电容曲线出现了凹谷形，。电容曲线出现了凹谷形，MOS管的电容管的电容第16页，共52页。若测量电容的方法是逐点测量法若测量电容的方法是逐点测量法一种慢进程，那么将测量到一种慢进程，那么将测量到这种凹谷曲线。这种凹谷曲线。MOS管的电容管的电容第17页，共52页。MOS电容电容C 源极和衬底之间结电容源极和衬底之间结电容Csb 漏极和衬底之间结电容漏极和衬底之间结电容Cdb 栅极与漏极、源极扩散区间都栅极与漏极、源极扩

14、散区间都存在着交迭，引出线之间杂散电存在着交迭，引出线之间杂散电容，都计入容，都计入Cgs和和Cgd。MOS管的电容管的电容第18页，共52页。MOS电容电容CMOS=CG+CD(二极管接法）二极管接法）1）若若VgsVT，u若处于若处于非饱和状态非饱和状态，则按，则按1/3与与2/3分配，即分配，即CMOS第20页，共52页。221TgsoxdsVVLLWtI u若处于饱和状态，则若处于饱和状态，则表表明沟道电荷已与明沟道电荷已与Vds无无关，那么：关，那么：CG=Cgs+C2/3,CD=Cdb+0 实际上在饱和状态下，沟道长度受到实际上在饱和状态下，沟道长度受到V Vdsds的调制，当的调

15、制，当VdsVds增加增加时，漏端夹断区耗尽层长度时，漏端夹断区耗尽层长度L L 增大，有效沟道长度增大，有效沟道长度L-LL-L变小变小,IdsIds增加。然而，增加。然而，L L 的增大使得漏极耗尽层宽度有所增加，增大的增大使得漏极耗尽层宽度有所增加，增大了结电容。故，了结电容。故，CD=Cdb+0+CdbMOS管的电容管的电容第21页，共52页。PolyPolyElectrodeMetal1Metal2PolyP+P+P+N+N+Metal3N_wellSUB88013832213109514503452648159864463614308363214086734123517383929

16、625762Cross view of parasitic capacitor of TSMC_0.35um CMOS technologyMOS管的电容管的电容第22页，共52页。Cap.N+Act.P+Act.PolyM1M2M3UnitsArea(sub.)5269378325108aF/um2Area(poly)541811aF/um2Area(M1)46 17aF/um2Area(M2)49aF/um2Area(N+act.)3599aF/um2Area(P+act.)3415aF/um2Fringe(sub.)249261aF/umaf=10-18 F MOS管的电容管的电容第23

17、页，共52页。=VT就是将栅极下面的就是将栅极下面的Si表面从表面从P型型Si变为变为N型型Si所所必要的电压。必要的电压。它由两个分量组成它由两个分量组成,即即:VT=Us+Vox=Us:Si表面电位表面电位;=Vox:SiO2层上的压降。层上的压降。阈值电压阈值电压VT第24页，共52页。u电压电压U Us s 与衬底浓度与衬底浓度N Na a有关。有关。u 在半导体理论中，在半导体理论中，P P型半导体的费米能级是靠近满带的，而型半导体的费米能级是靠近满带的，而N N型半导体型半导体的费米能级则是靠近导带的。要想把的费米能级则是靠近导带的。要想把P P型变为型变为N N型，外加电压必须补

18、偿型，外加电压必须补偿这这两个两个费米能级之差费米能级之差。25iabpSnNqkTqUln22阈值电压阈值电压VT掺杂浓度掺杂浓度NaNa越大，越大，V VT T就越大就越大bpTkEEiFienp00iiFnpkTEE0ln已知已知p型半导体型半导体第25页，共52页。Vox根据根据从金属到氧化物到从金属到氧化物到SiSi衬底衬底XmXm处的处的电场分布曲线导出电场分布曲线导出:Q/C阈值电压阈值电压VTaiaSioaoxNqnNkTCqNCQV2ox/ln4C Coxox越小，越小，V VT T就越大就越大即即t tOXOX越厚，越厚，V VT T越大越大ASipAqNWLXWLqNQ2

19、 已知已知Qox=Qsi，且且=2KT ln(Na/ni)第26页，共52页。iaaSioiaoxsTnNkTNCnNqkTVUV/ln41ln2在工艺环境确定后，在工艺环境确定后，MOS管的阈值电压管的阈值电压VT主要决定主要决定 1.衬底的掺杂浓度衬底的掺杂浓度Na。浓度大则。浓度大则VT小。小。2.Cox，C大则电荷影响小，所以大则电荷影响小，所以tOX很小很小100 nmoxoxooxoxoxoxoxtCtWLtWLC 阈值电压阈值电压VT第27页，共52页。一般认为一般认为Vgs是加在栅极与衬底之是加在栅极与衬底之间的。通常，衬底是接地的，但源极未间的。通常，衬底是接地的，但源极未必

20、接地必接地,实际上，在许多场合源极与衬实际上，在许多场合源极与衬底并不连接在一起。底并不连接在一起。源极不接地时对源极不接地时对VT值的影响称为值的影响称为体效应体效应(Body Effect)。导致；导致；VB，VTMOSFET体效应体效应第28页，共52页。某一某一CMOS工艺条件下，工艺条件下，NMOS阈值阈值电压随源极电压随源极-衬底电压的变化曲线衬底电压的变化曲线MOSFET体效应体效应第29页，共52页。MOSFET的温度特性主要来源于沟道中载流子的迁移率的温度特性主要来源于沟道中载流子的迁移率 和阈值和阈值电压电压VT随温度的变化。随温度的变化。u T gm u T ni VT

21、；VT(T)-(2 4)mV/CTgsoxm VVLWtgMOS管特性管特性iaaSioiaoxsTnNkTNCnNqkTVUV/ln41ln2第30页，共52页。MOSFET的噪声来源主要由两部分：的噪声来源主要由两部分：u 热噪声热噪声(thermal noise)u 闪烁噪声闪烁噪声(flicker noise，1/f-noise)MOS管特性管特性 有源器件的噪声特性对于小信号放大器有源器件的噪声特性对于小信号放大器和和振荡器等模拟电路振荡器等模拟电路的的设计设计是至关重要的；是至关重要的；所有所有FET(MOSFET,MESFETFET(MOSFET,MESFET等等)的的1/1/f

22、 f 噪声都高出相应的噪声都高出相应的BJTBJT的的1/1/f f 噪声约噪声约1010倍。这一特征在考虑振荡器电路方案时必须要给予重视。倍。这一特征在考虑振荡器电路方案时必须要给予重视。第31页，共52页。fgTvm2eg322eg vIdsn 是由沟道内载流子的无规则热运动造成是由沟道内载流子的无规则热运动造成 的，通过沟道电阻生成热噪的，通过沟道电阻生成热噪声电压声电压 veg(T，t)，其等效电压值可近似表达为其等效电压值可近似表达为D Df f为所研究的频带宽度为所研究的频带宽度,T T是绝对温度是绝对温度.设设MOS模拟电路工作在饱和区模拟电路工作在饱和区,gm可写为可写为结论：

23、结论：增加增加MOS的栅宽和偏置电流，可减小器件的热噪声的栅宽和偏置电流，可减小器件的热噪声MOS管特性管特性DSoxTgsoxmILtWVVLtWg2)(2eg vW第32页，共52页。ffWLtKvf1ox22/1u形成机理：形成机理：沟沟道处道处SiO2与与Si界面上电子的充放电界面上电子的充放电u闪烁噪声的等效电压值闪烁噪声的等效电压值系数系数K2典型值为典型值为3 1024V2F/Hz。因为因为 1，所以闪烁噪声被称之为，所以闪烁噪声被称之为1/f 噪声噪声。u电路设计时，增加栅宽电路设计时，增加栅宽W，可降低闪烁噪声。可降低闪烁噪声。MOS管特性管特性第33页，共52页。2Tgso

24、xds2 VVLWtIl MOSFET尺寸缩小对器件性能的影响尺寸缩小对器件性能的影响饱和区饱和区结论结论1 1：L L I Idsds t toxox I Idsds L L +t toxox I Idsds减小减小L L和和t toxox引起引起MOSFETMOSFET的电流的电流控制能力提高控制能力提高结论结论2 2：W W I Idsds P P 减小减小W W 引起引起MOSFETMOSFET的电流的电流控制能力和输出功率减小控制能力和输出功率减小结论结论3 3：(L L +t toxox+W+W)I Ids=C ds=C A AMOSMOS 同时减小同时减小L L，t toxox和

25、和W W，可保可保持持I Idsds不变，但导致器件占用不变，但导致器件占用面积减小，集成度提高。面积减小，集成度提高。总结论：总结论：缩小缩小MOSFETMOSFET尺寸是尺寸是VLSIVLSI发展的总趋势发展的总趋势！Scaling-down第34页，共52页。减小减小L L引起的问题引起的问题:L LV Vds=Cds=C E Echch，V Vdsmaxdsmax,即即在在V VdsdsV Vdsmaxdsmax不变的情况下，减不变的情况下，减小小L L将导致击穿电压降低将导致击穿电压降低.解决方案：解决方案：减小减小L L的同时降低电源电压的同时降低电源电压VDDVDD。降低电源电压

26、的关键：降低电源电压的关键：降低开启降低开启电压电压VTVT Scaling-down第35页，共52页。Scaling-downL(m)1020.50.350.18VT(V)7-9410.60.4VDD(V)201253.31.8降低降低V VT T 的方法的方法：1)降低衬底中的杂质浓度，采用高电阻率的衬底降低衬底中的杂质浓度，采用高电阻率的衬底;2)减小减小SiO2介质的厚度介质的厚度 tox。第36页，共52页。Ids：Ids(Vgs)R：Rmetal,Rpoly-Si,RdiffC：Cgs,Cgd,Cds,Cgb,Csb,Cdb,Cmm,CmbCg=Cgs+Cgd+Cgb;关键电容值

27、关键电容值其其等效于一个含有受控源等效于一个含有受控源Ids的的RC网络。网络。MOSFETMOSFET的动态特性的动态特性(即速度即速度)，取决于，取决于RCRC网络的充放电的快慢，进而取决于网络的充放电的快慢，进而取决于电流源电流源I Idsds的驱动能力，的驱动能力，即即跨导的大小跨导的大小；RCRC时间常数的大小，时间常数的大小，充放电的电压范围，即电源电压的高低充放电的电压范围，即电源电压的高低.Scaling-down第37页，共52页。MOSFET 的速度可以用单级非门的速度可以用单级非门(反相器反相器)的时延的时延 D来表征。来表征。Scaling-down：(L，W，tox)

28、Ids R VDD R基本不变基本不变,但是但是C减小，减小，D 减减小小结论：结论：器件尺寸连同器件尺寸连同VDD同步缩小，器件的速度提高。同步缩小，器件的速度提高。oxgdgsg ox,tLWCCCtWLScaling-down第38页，共52页。L0constantgsdsmds VVIgTgsoxm VVLWtg)(Tgs2gm0VVLCgMOSFET的跨导的跨导 gm的定义为的定义为：MOSFET I-V特性求得特性求得MOSFET的优值的优值:Scaling-down第39页，共52页。随着随着MOSMOS工艺向着亚微米、深亚微米的方向发展，必须考虑。工艺向着亚微米、深亚微米的方向

29、发展，必须考虑。二阶效应出于两种原因：二阶效应出于两种原因：1)1)当器件尺寸缩小时，电源电压还得保持为当器件尺寸缩小时，电源电压还得保持为5V5V，于是，平均电场强度增加了，引，于是，平均电场强度增加了，引起了许多二次效应。起了许多二次效应。2)2)当管子尺寸很小时，这些小管子的边缘相互靠在一起，产生了非理想电场，也严重当管子尺寸很小时，这些小管子的边缘相互靠在一起，产生了非理想电场，也严重地影响了它们的特性。地影响了它们的特性。MOS管二阶效应管二阶效应第40页，共52页。另外，在氧化区的下面称为场注入区（另外，在氧化区的下面称为场注入区（field implantfield implan

30、t）的）的P+P+区，区，其其 Na Na值值 较大，其连接较大，其连接P P基底，目的是提高了寄生基底，目的是提高了寄生 MOS MOS 管的开启电压，管的开启电压，利用反向用来控制表面的漏电流。利用反向用来控制表面的漏电流。MOS管二阶效应管二阶效应场区是由一层很厚的场区是由一层很厚的SiO2SiO2形成的形成的,多晶硅或铝多晶硅或铝线在场氧化区上面穿过，线在场氧化区上面穿过，其其CoxCox很小，开启电压很小，开启电压V VT T VVDDDD不会产生寄生不会产生寄生MOSMOS管。管。场注入场注入结论结论:一个很厚的氧化区和一个注入区，给工艺制造带来了新的问题。一个很厚的氧化区和一个注

31、入区，给工艺制造带来了新的问题。第41页，共52页。由于由于制造误差真正器件中的制造误差真正器件中的L、W W并不是原先版图上所定义的并不是原先版图上所定义的L L、W W，如图所示，氧化区具有鸟嘴形（如图所示，氧化区具有鸟嘴形（bird beakbird beak）。）。W=WW=Wdrawndrawn 2 2 W W；影响了；影响了V VT T。MOS管二阶效应管二阶效应集成电路制造过程中：集成电路制造过程中：先用有源区的先用有源区的maskmask，在场区外生成一个氮在场区外生成一个氮化硅的斑区。然后，化硅的斑区。然后，再以这个斑区作为再以这个斑区作为implant maskimplan

32、t mask，注入，注入P+P+区。最后，以这个区。最后，以这个斑区为掩膜生成氧化斑区为掩膜生成氧化区。然而，在氧化过区。然而，在氧化过程中，氧气会从斑区程中，氧气会从斑区的边沿处渗入，造成的边沿处渗入，造成了了Bird beakBird beak 注入区注入区P+是先做好的，在高温氧化时，这个是先做好的，在高温氧化时，这个P+区中的杂质区中的杂质也扩散了，侵入到管子区域，改变了衬底的浓度也扩散了，侵入到管子区域，改变了衬底的浓度Na，影响了，影响了开启电压。同时，扩散电容也增大了，开启电压。同时，扩散电容也增大了，N+区与区与P+区的击穿电区的击穿电压降低。压降低。第42页，共52页。栅极长

33、度栅极长度L L不等于原先版图上所绘制的不等于原先版图上所绘制的L Ldrawndrawn，减小了，减小了=是在蚀刻（是在蚀刻（etching）过程中，多晶硅（）过程中，多晶硅（Ploy）被腐蚀掉了。）被腐蚀掉了。=扩散区延伸进去，两边合起来延伸了扩散区延伸进去，两边合起来延伸了2 Ldiff，=故故L=Ldrawn 2 Lpoly 2 Ldiff=这这2 Ldiff是重叠区，是重叠区，也增加了结电容。也增加了结电容。Cgs=W LdiffCo Cgd=W LdiffCo式中式中C Co o是单位面积电容。是单位面积电容。MOS管二阶效应管二阶效应Ldrawn是图上绘制的栅极长度。是图上绘制的

34、栅极长度。Lfinal是加工完后的实际栅极长度。是加工完后的实际栅极长度。Lfinal=Ldrawn 2 Lpoly第43页，共52页。MOS迁移率迁移率 并不是常数。从器件的外特性来看，至少有并不是常数。从器件的外特性来看，至少有三个因素影响三个因素影响 值，它们是：温度值，它们是：温度T，垂直电场，垂直电场Ev，水平电，水平电场场Eh。可以表示为：可以表示为：=0(T)fv(Vg,Vs,Vd)fh(Vg,Vs,Vd)MOS管二阶效应管二阶效应式中式中 0(T)是温度的函数，是温度的函数，0(T)=kT M;fv是垂直电场的退化函数；是垂直电场的退化函数；fh是水平电场的退化函数是水平电场的

35、退化函数第44页，共52页。1）特征迁移率特征迁移率 0 0与制造工艺密切相关，与制造工艺密切相关，0还与温度还与温度T有关，温度升高时，有关，温度升高时，0就就降低。如果从降低。如果从25增加到增加到100，0将下降一半。将下降一半。MOS管二阶效应管二阶效应在半导体在半导体SiSi内一般认为，内一般认为，M M值是处在值是处在1.51.5 2 2之间。之间。0 0的典型值为，的典型值为，N N沟道沟道MOSMOS管，管，0=600cm2/V0=600cm2/V S S；P P沟道沟道MOSMOS管，管，0=250cm2/V0=250cm2/V S S。MTTTT 121020 2）迁移率迁

36、移率 的退化还与电场强度有关，通常的退化还与电场强度有关，通常 将随将随Ev(垂直垂直)，Eh(水平水平)而退化。而退化。第45页，共52页。水平电场对水平电场对 的影响，比垂直电场大得多。因为水平电场将加速载流子运动。当载流子速度被加速到的影响，比垂直电场大得多。因为水平电场将加速载流子运动。当载流子速度被加速到一个大的数值，水平速度会饱和。一般来讲，一个大的数值，水平速度会饱和。一般来讲，N型型Si的的 0远大于远大于P型型Si的的 0,约约2.5倍。然而当电场增强时，这倍。然而当电场增强时，这个差距就缩小，当电场强到一定程度，个差距就缩小，当电场强到一定程度，N管与管与P管达到同一饱和速

37、度，得到同一个管达到同一饱和速度，得到同一个 值，它与掺杂几乎无关，值，它与掺杂几乎无关，这两种载流子的饱和速度是相同的。这并不是这两种载流子的饱和速度是相同的。这并不是P型器件得到改进，而是型器件得到改进，而是N型器件有所退化。型器件有所退化。cvvvccvvVVVVVVf对对 /1 Vc是临界电压，是临界电压，Vc=ctox，c是临界电场，是临界电场，c=2 105 V/cm。垂直。垂直 值值退化大约为退化大约为25%50%。MOS管二阶效应管二阶效应退化函数退化函数:第46页，共52页。DsatdsSiVVqN 2 当当VDS增大时，增大时，MOS管的漏端沟道被夹断并进入饱和，管的漏端沟

38、道被夹断并进入饱和，VDS进进一步增大，该夹断点向源区移动，从而使沟道的有效长度一步增大，该夹断点向源区移动，从而使沟道的有效长度减小，减小，于是沟道中水平电场增强了，增加了电流。于是沟道中水平电场增强了，增加了电流。这就是沟道长度这就是沟道长度调制效应调制效应。故器件的有效沟道长度为故器件的有效沟道长度为 L=L漏极区的耗尽区的宽度漏极区的耗尽区的宽度如果衬底掺杂高，那么这种调制效应就减小了如果衬底掺杂高，那么这种调制效应就减小了MOS管二阶效应管二阶效应第47页，共52页。以前对以前对MOSMOS管的分析是一维计算，假定所有的电场效应都是正交的。然而，这种假定管的分析是一维计算，假定所有的

39、电场效应都是正交的。然而，这种假定在沟道区的边沿上是不成立的。因为沟道很短，很窄，在沟道区的边沿上是不成立的。因为沟道很短，很窄，边沿效应对器件特性有重大影响，边沿效应对器件特性有重大影响，使使VTVT的减小。的减小。栅极感应所生成的耗尽区，与源、漏耗尽区是连接在一起的。显然，有部分区域是重栅极感应所生成的耗尽区，与源、漏耗尽区是连接在一起的。显然，有部分区域是重叠的。那里的耗尽区是由栅极感应与扩散平衡共同形成的。差不多一半由感应产生，另叠的。那里的耗尽区是由栅极感应与扩散平衡共同形成的。差不多一半由感应产生，另一半由扩散形成。这样，栅极电压只要稍加一点，就可以在栅极下面形成耗尽区。一半由扩散

40、形成。这样，栅极电压只要稍加一点，就可以在栅极下面形成耗尽区。QB=QB QL故门限电压故门限电压VT必然降低。必然降低。MOS管二阶效应管二阶效应第48页，共52页。对于长沟道对于长沟道MOS管，影响不大。但是当沟道长度管，影响不大。但是当沟道长度L11时时,电路指标变化电路指标变化:Scaling-down第51页，共52页。写出写出MOSFET的基本电流方程。的基本电流方程。MOSFET的饱和电流取决于哪些参数的饱和电流取决于哪些参数?什么是什么是MOSFET的阈值电压？它受哪些因的阈值电压？它受哪些因素的影响？素的影响？说明说明L、W对对MOSFET的速度、功耗、驱的速度、功耗、驱动能力的影响。动能力的影响。说明说明MOSFET噪声的来源、成因及减小的噪声的来源、成因及减小的方法。方法。MOS管特性小结管特性小结第52页，共52页。