Lecture26MOS场效应晶体管课件.pptx

1、Outline1 1、基本结构与工作原理、基本结构与工作原理2 2、线性区、线性区I-VI-V特性特性3 3、饱和区、饱和区I-VI-V特性特性4 4、截止区、截止区I-VI-V特性特性5 5、亚阈值区、亚阈值区I-VI-V特性特性 场区场区有源区是四端器件，氧化物栅的金属电极是栅极。通常把源和漏下是四端器件，氧化物栅的金属电极是栅极。通常把源和漏下方称为场区，而把栅极下区域称为有源区。方称为场区，而把栅极下区域称为有源区。器件的基本参数是沟道长度器件的基本参数是沟道长度L（两个两个PN+结之间的距离），沟结之间的距离），沟道宽度道宽度Z，氧化层厚度氧化层厚度x0，结深结深xj，以及衬底掺杂浓

2、度以及衬底掺杂浓度Na等。等。以源极作为电压的参考点。当漏极加上正电压以源极作为电压的参考点。当漏极加上正电压VD，而栅极未而栅极未加电压时，从源极到漏极相当于两个背靠背的加电压时，从源极到漏极相当于两个背靠背的PN结。从源结。从源到漏的电流只不过是反向漏电流。当栅极加上足够大的正电到漏的电流只不过是反向漏电流。当栅极加上足够大的正电压压VG时，中间的时，中间的MOS结构发生反型，在两个结构发生反型，在两个N+区之间的区之间的P型型半导体形成一个表面反型层（即导电沟道）。于是源和漏之半导体形成一个表面反型层（即导电沟道）。于是源和漏之间被能通过大电流的间被能通过大电流的N型表面沟道连接在一起。

3、这个沟道的型表面沟道连接在一起。这个沟道的电导可以用改变栅电压来调制。背面接触电导可以用改变栅电压来调制。背面接触(称为下栅称为下栅)，可以，可以接参考电压或负电压，这个电压也会影响沟道电导。接参考电压或负电压，这个电压也会影响沟道电导。1.1.忽略源区和漏区体电阻和电极接触电阻。忽略源区和漏区体电阻和电极接触电阻。2.2.沟道内掺杂均匀。沟道内掺杂均匀。3.3.载流子在反型层内的迁移率为常数。载流子在反型层内的迁移率为常数。4.4.长沟道近似和渐近沟道近以，即假设垂直电场和水平长沟道近似和渐近沟道近以，即假设垂直电场和水平电场是互相独立的。电场是互相独立的。5.5.长沟道近似（矩形沟道近似）

4、，即沿沟道长度方向上长沟道近似（矩形沟道近似），即沿沟道长度方向上 沟道宽度的变化量与沟道长度相比可以忽略沟道宽度的变化量与沟道长度相比可以忽略栅极上加一正电压使半导体表面反型。若加一小的漏源电压，栅极上加一正电压使半导体表面反型。若加一小的漏源电压，电子将通过沟道从源流到漏。沟道的作用相当于一个电阻，且电子将通过沟道从源流到漏。沟道的作用相当于一个电阻，且漏电流漏电流ID和漏电压和漏电压VD成正比，这是线性区。可用一条恒定电阻成正比，这是线性区。可用一条恒定电阻的直线来表示。的直线来表示。yx支撑感应载流子电荷支撑感应载流子电荷QI在加上源漏之间的电压在加上源漏之间的电压VD之后，在之后，在

5、y处建立电位处建立电位V(y)，感应沟道，感应沟道电荷修正为：电荷修正为：由于沟道内载流子分布均匀，不存在浓度梯度，沟道电流只含由于沟道内载流子分布均匀，不存在浓度梯度，沟道电流只含电场作用的漂移项，且漂移电流为电子电流：电场作用的漂移项，且漂移电流为电子电流：)(THG0IyVVVCQ(6-5-1)(6-5-2)yyyxnqyxj),(),(nI0nDd),(xyxyxnqZIyxQZxyxnyVZqIIn0nDId),(dd无关与xyVyd/d（y(0,L);V(0,VD)）积分积分，得：得：漏电流方程，称为萨支唐漏电流方程，称为萨支唐(Sah)方程。是描述方程。是描述MOSFET非饱和非

6、饱和区直流特性的基本方程。区直流特性的基本方程。由：由：注意：该方程假设注意：该方程假设VTH与与V无关无关yQZIInD)(THG0IyVVVCQyyddVVVVVCZyId)(dTHG0nD2)(2DTHGn0DVVVVLZCID(6-5-3)(6-5-4)由阈值电压的方程：由阈值电压的方程：由于，由于，QB与沟道电压有关。考虑沟道电压作用：与沟道电压有关。考虑沟道电压作用：QB修正为：修正为：Si0B00msSi0BFBTHCQCQCQVVfasSiasdmaB42NqNqxqNQ2/1SiasB)(2VNqQ(6-5-6)V(2 2fSifSiy强反型条件变化强反型条件变化修正为：修正

7、为：于是，漏电流方程需要修正，即：于是，漏电流方程需要修正，即：)(232)2(2/3Si2/3SiD0asD00SimsGn0DVCNqVVCQVLZCID2)(2DTHGn0DVVVVLZCID(6-(6-5-7)5-7)(6-(6-5-4)5-4)由于导电沟道上存在电压降，使栅绝缘层上的有效电压降从源由于导电沟道上存在电压降，使栅绝缘层上的有效电压降从源端到漏端逐渐减小，当端到漏端逐渐减小，当VDS很大时，沟道压降对有效栅压的影很大时，沟道压降对有效栅压的影响不可以忽略，降落在栅下各处绝缘层上的电压不相等，反型响不可以忽略，降落在栅下各处绝缘层上的电压不相等，反型层厚度不相等，因而导电沟

8、道中各处的电子浓度不相同，当漏层厚度不相等，因而导电沟道中各处的电子浓度不相同，当漏源电压继续增加到源电压继续增加到，漏端绝缘层中的电力线将由半导体，漏端绝缘层中的电力线将由半导体表面耗尽区中的空间电荷所终止，漏端半导体表面的反型层厚表面耗尽区中的空间电荷所终止，漏端半导体表面的反型层厚度减小到零，即在漏端处沟道消失，而只剩下耗尽区，这就称度减小到零，即在漏端处沟道消失，而只剩下耗尽区，这就称为沟道夹断。为沟道夹断。)(THG0IyVVVCQ进一步增加漏极电压，会使夹断点向源端移动，但漏电流不会显著增加或进一步增加漏极电压，会使夹断点向源端移动，但漏电流不会显著增加或者说基本不变，达到饱和；器

9、件的工作进入饱和区。使者说基本不变，达到饱和；器件的工作进入饱和区。使MOS管进入饱和工管进入饱和工作区所加的漏一源电压为作区所加的漏一源电压为VDsat。由：由：0)(THG0IyVVVCQDsatTHG)(VVVLV2)(2DTHGn0DVVVVLZCID2THG0nDsat)(2VVLZCI(6-(6-5-9)5-9)(6-(6-5-8)5-8)沟道被夹断后，当沟道被夹断后，当VGS不变时，在漏不变时，在漏-源电压源电压VDS VDsat后，随着后，随着VDS的增加只是漏端空间电荷区展宽，对沟道厚度增加几乎没的增加只是漏端空间电荷区展宽，对沟道厚度增加几乎没有作用。当漏一源电压继续增加到

10、有作用。当漏一源电压继续增加到VDS比比VDsat大得多时，超过大得多时，超过夹断点电压夹断点电压VDsat的那部分，即（的那部分，即（VDSVDsat）将降落在漏端附将降落在漏端附近的夹断区上，因而夹断区将随近的夹断区上，因而夹断区将随VDS的增大而展宽，夹断点将的增大而展宽，夹断点将随随VDS的增大而逐渐向源端移动，栅下面半导体表面被分成反的增大而逐渐向源端移动，栅下面半导体表面被分成反型导电沟道区和夹断区两部分。型导电沟道区和夹断区两部分。导电沟道中的载流子在漏源电压的作用下，源源不断地由源端导电沟道中的载流子在漏源电压的作用下，源源不断地由源端向漏端漂移，当这些载流子通过漂移到达夹断点

11、时，向漏端漂移，当这些载流子通过漂移到达夹断点时，立即被夹立即被夹断区的强电场扫入漏区，形成漏极电流。断区的强电场扫入漏区，形成漏极电流。如果如果MOS管进入饱和工作区后，继续增加管进入饱和工作区后，继续增加VDS，则沟道夹断点向则沟道夹断点向源端方向移动，在漏端将出现耗尽区，耗尽区的宽度源端方向移动，在漏端将出现耗尽区，耗尽区的宽度xd 随着随着VDS的增大而不断变大，通过单边突变结的公式可得的增大而不断变大，通过单边突变结的公式可得:aTHGSDSSd)(2qNVVVLLxDsataTHGSDSSDsatdDsatDsat)(2/IqNVVVLLIxLLLLII漏源饱和电流随着沟道长度的减

12、小漏源饱和电流随着沟道长度的减小(由于由于VDS增大，漏端耗尽增大，漏端耗尽区扩展所致区扩展所致)而增大的效应称为而增大的效应称为沟道长度调变效应沟道长度调变效应。这个效。这个效应会使应会使MOS场效应晶体管的输出特性曲线明显发生倾斜，导致场效应晶体管的输出特性曲线明显发生倾斜，导致它的输出阻抗降低。它的输出阻抗降低。用沟道调制系数用沟道调制系数来描述沟道长度调制效应：来描述沟道长度调制效应：饱和区的电流饱和区的电流:DSd1VLxDsatdDsatDsat/IxLLLLII2THG2THG0nDsat)(21)(2VVVVLZCI)1()(21SD2THGDsatVVVI(6-77)(6-7

13、8)(6-79)LZC0n若栅电压小于阈值电压，不会形成反型层，结果是若栅电压小于阈值电压，不会形成反型层，结果是MOSFETMOSFET像像是背对背连接的两个是背对背连接的两个PNPN结一样，相互阻挡任何一方的电流流结一样，相互阻挡任何一方的电流流过。晶体管在这一工作区域与开路相似。过。晶体管在这一工作区域与开路相似。当栅极电压稍微低于阈值电压时，沟道处于弱反型状态，流当栅极电压稍微低于阈值电压时，沟道处于弱反型状态，流过漏极的电流并不等于零，这时过漏极的电流并不等于零，这时MOSFETMOSFET的工作状态处于亚阈的工作状态处于亚阈值区，流过沟道的电流称为亚阈值电流。值区，流过沟道的电流称

14、为亚阈值电流。在弱反型时表面势可近似看做常数，因此可将沟道方向的电在弱反型时表面势可近似看做常数，因此可将沟道方向的电场强度视为零，这时漏一源电流主要是扩散电流。场强度视为零，这时漏一源电流主要是扩散电流。在平衡时，没有产生、复合，根据电流连续性要求，电子浓度是随距离线在平衡时，没有产生、复合，根据电流连续性要求，电子浓度是随距离线性变化的，即：性变化的，即：LLnnqADynqADI)()0(ddnnDTDfsTfs/)(i/)(i)(,)0(VVVenLnennTSTDTf/inD)1(VVVVeeLenqADITHGSVV 表面势：表面势：因此当：因此当：THGVV 漏电流将指数地减小：漏电流将指数地减小：TTHG/)(DVVVeI(6-8(6-8-1)-1)(6-8(6-8-2)-2)(6-8(6-8-3)-3)(6-8(6-8-4)-4)TTHG/)(DVVVeI