MOS场效应管的特性课件.ppt

1、MOS场效应管的特性场效应管的特性上次课：第上次课：第4章章 集成电路器件工艺集成电路器件工艺1.引言 2.双极型集成电路的基本制造工艺 3.MESFET工艺与HEMT工艺4.CMOS集成电路的基本制造工艺 5.BiCMOS集成电路的基本制造工艺第五章第五章 MOS场效应管的特性场效应管的特性1.MOSFET的结构和工作原理2.MOSFET的寄生电容3.MOSFET的其它特性l3.1 噪声l3.2 温度l3.3 体效应4.MOSFET尺寸按比例缩小5.MOSFET的二阶效应 5.1 MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理l集成电路中，有源元件有BJT、HBT、PMOS、NMOS、MESF

2、ET和HEMTl鉴于当前大多数集成电路采用CMOS工艺制造，掌握NMOS和PMOS两种元件特性对设计集成电路具有重要意义MOS管结构管结构MOS管符号和标志管符号和标志DSGDSGGSDDSGNMOSEnhancementNMOSPMOSDepletionEnhancementBNMOS withBulk ContactMOS管工作状态管工作状态n+n+p-substrateDSGBVGS+-DepletionRegionn-channelMOS管特性推导管特性推导栅极电压所感应的电荷Q为geQCV 这些电荷在源漏电压这些电荷在源漏电压VDS作用下，在作用下，在t时时间内通过长度为间内通过长度

3、为L的沟道，即的沟道，即通过通过MOS管源漏间的电流为管源漏间的电流为2dsdsLLLvEVMOS管特性推导管特性推导 当VgsVTVds时，近漏端的栅极有效控制电压Vge VgsVTVds0，感应电荷为0，沟道夹断，电流不会增加，此时Ids为饱和电流。2221()21()2geoxDSgedsoxdsoxgsTdsdsoxoxgsTdsdsoxCVWLQIV VLtLVWVVVVtLWVV VVtLMOS管饱和时管饱和时n+n+SGVGSDVDS VGS-VTVGS-VT+-MOS管的管的IV特性曲线特性曲线00.511.522.50123456x 10-4VDS(V)ID(A)VGS=2.

4、5 VVGS=2.0 VVGS=1.5 VVGS=1.0 VResistive SaturationVDS=VGS-VT阈值电压阈值电压VTl阈值电压是MOS器件的一个重要参数l阈值电压VT是将栅极下面的Si表面反型所必要的电压，这个电压与衬底浓度有关l按MOS沟道随栅压变化形成或消失的机理，存在两种类型的MOS器件l耗尽型：沟道在VGS0时已经存在，VT0l增加型：沟道在VGS0时截止，当VGS“正”到一定程度时才导通。VT0阈值电压阈值电压VT表达式表达式经过深入研究，影响VT的因素主要有四个：l材料的功函数之差lSiO2层中可移动的正离子的影响l氧化层中固定电荷的影响l界面势阱的影响2(

5、)bpdmsmmitsFToxoxoxoxQQQ UQVqCqCCC阈值电压阈值电压VT 在工艺确定之后，阈值电压VT主要决定于衬底的掺杂浓度：lP型衬底制造NMOS，杂质浓度越大，需要赶走更多的空穴，才能形成反型层，VT值增大，因而需要精确控制掺杂浓度l如果栅氧化层厚度越薄，Cox越大，电荷的影响就会降低。故现在的工艺尺寸和栅氧化层厚度越来越小5.2 MOSFET的电容的电容lMOS电容结构复杂，最上面是栅极电极，中间是SiO2和P型衬底，最下面是衬底电极（欧姆接触）lMOS电容大小与外加电压有关lVgs0lVgs增加达到VT值lVgs继续增大Vgs0oxoxoxoxoxAWLCtt111(

6、)oxSioxoxoxoxoxCCCAWLCttVgs增加达到增加达到VT值值111()oxSiCCC达到最小值Vgs继续增加继续增加oxCC MOS管电容变化曲线管电容变化曲线MOS电容计算电容计算VGSVTlMOS电容是变化的lMOS电容对Cg和Cd都有贡献，贡献大小取决于MOS管的工作状态l非饱和状态 CgCgs2C/3 CdCdbC/3l饱和状态 CgCgs2C/3 CdCdb5.3 MOSFET的其它特性的其它特性l体效应l温度特性l噪声体效应体效应l很多情况下，源极和衬底都接地l实际上，许多场合源极和衬底并不连接在一起l源极不接地会影响 VT值，这称为体效应体效应体效应体效应某一C

7、MOS工艺条件下阈值电压随源极-衬底电压变化曲线温度温度lMOS的温度特性来源于沟道中载流子的迁移率和阈值电压VT随温度的变化l载流子的迁移率随温度的变化的基本特征：T上升 下降l阈值电压VT的绝对值随温度变化的基本特征：T升高 VT减小 VT变化与衬底杂质浓度和氧化层厚度有关噪声噪声l噪声来源于两个部分：l热噪声l闪烁噪声热噪声热噪声l热噪声由沟道内载流子的无规则热运动造成l其等效电压值表示为l由于gm与MOS的栅宽和电流成正比关系，因而增加MOS的栅宽和电流可以减小器件的热噪声223egmVTfg闪烁噪声闪烁噪声l闪烁噪声由沟道处二氧化硅与硅界面上电子的充放电引起的l其等效电压值表示为l增

8、加栅长和宽，可以降低闪烁噪声221/1oxfK tVfWL f两点说明两点说明l有源器件的噪声特性对于小信号放大器、振荡器等模拟电路至关重要l所有的FET的1/f噪声都高出相应的BJT的1/f噪声约10倍。5.4 MOSFET尺寸按比例缩小尺寸按比例缩小l为了提高器件集成度和性能，MOS管的尺寸迅速减小l为了在缩小器件尺寸的同时，同时保持大尺寸器件的电流-电压特性不变，Dennard等人提出了等比例缩小规律l等比例缩小规律即器件水平和垂直方向的参数以及电压按同一比例因子K等比例缩小，同时掺杂浓度按比例因子增大K倍，这就是经典的恒电场等比例缩小规律l等比例缩小方案：l恒电场l恒电压l准恒电压恒电

9、压缩减方案恒电压缩减方案参数参数变化因子变化因子备注备注电压电压1/电路密度电路密度2 2LL和和W器件电流器件电流1/功率功率1/2 2I Idsds和和Vds电容电容1/沟道延迟沟道延迟1/连线电阻连线电阻连线电容连线电容1/连线响应时间连线响应时间1RR且且CC优值优值2 21/L2MOSFET特征尺寸按特征尺寸按缩减的优缩减的优点点l电路密度增加到2 2l功耗降低为1/2 2l器件时延降低倍器件速度提高倍l线路上的延迟不变l优值增加2 2倍未来的未来的MOSFET25 nm FINFET MOS transistor5.5 MOSFET的二阶效应的二阶效应l随着MOS的尺寸缩小，出于精

10、度要求必须考虑二阶效应l二阶效应主要有lL和W的变化l迁移率的退化l沟道长度的调制l短沟道效应引起的阈值电压的变化l狭沟道效应引起的阈值电压的变化L的变化的变化L的变化的变化l栅极长度L不等于原先版图上所绘制的LdrawlLfinal=Ldraw-2LpolylL=Ldraw-2Lpoly-2Ldiffl由于重叠效应，Cgs和Cgd也增加W的变化的变化W的变化的变化l栅极宽度W不等于原先版图上所绘制的WdrawlW=Wdraw-2W，W是“鸟嘴”侵入部分厚度l当器件尺寸还不是很小时，这个W影响还小，但是器件缩小时，这个W就影响很大迁移率的退化迁移率的退化lMOS管的电流与迁移率成正比，一般假定

11、为常数l实际上，并不是常数，它至少受到三个因素的影响l温度l垂直电场l水平电场特征迁移率特征迁移率0电场强度电场强度l电场强度增加时，迁移率是减小的l电场有水平分量和垂直分量，因而迁移率随Ev、Eh而退化电场强度电场强度l水平电场对迁移率的影响要比垂直电场要大得多。水平电场将加速载流子运动，当载流子速度加速到一定值，水平速度饱和l一般N型硅的迁移率远大于P型硅的迁移率，但两种载流子的饱和速度是相同的l电场不强时，N沟道的值比P沟道的要大，约为2.5倍；当电场增强时，N管和P管达到同一饱和速度，得到同一值，与掺杂无关沟道长度的调制沟道长度的调制l简化的MOS原理内，饱和后电流不再增加l实际上，饱

12、和区中电流Ids随Vds增加而缓慢增加l这是由于沟道两端的耗尽区的宽度增加，导致沟道距离减小，水平电场增加，电流增加沟道长度调制沟道长度调制2()SidsDsatLLLVVqN 沟道长度调制沟道长度调制短沟道效应引起的阈值电压的变化短沟道效应引起的阈值电压的变化lMOS管的分析全是一维的，即所有的电场效应都是正交的，但是这种假定在沟道区的边沿是不成立的l沟道很短、很窄，边沿效应对器件特性产生很大的影响，最主要的是阈值电压减小短沟道效应短沟道效应短沟道效应短沟道效应狭沟道效应引起的阈值电压的变化狭沟道效应引起的阈值电压的变化l沟道太窄，W太小，那么栅极的边缘电场也引起Si衬底中的电离化，产生附加的耗尽层，因而增加阈值电压狭沟道效应狭沟道效应