MOS場效應(yīng)晶體管的基本特性

1、 MOSFET的結(jié)構(gòu)、種類和特點 MOSFET的直流特性和閾值電壓調(diào)整MOSFET的交流響應(yīng)雙極型晶體管：由一個P-N結(jié)注入非平衡少數(shù)載流子，并由另一個P-N結(jié)收集而工作的。在這類晶體管中，參加導(dǎo)電的不僅有少數(shù)載流子，也有多數(shù)載流子，故稱為雙極型晶體管。場效應(yīng)晶體管（FET）：利用改變垂直于導(dǎo)電溝道的電場強度來控制溝道的導(dǎo)電能力而工作的。在場效應(yīng)晶體管中，工作電流是由半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子所輸運的，因此也稱為單極型晶體管。第一類：表面場效應(yīng)管，通常采取絕緣柵的形式，稱為絕緣柵場效應(yīng)管（IGFET）。若用二氧化硅作為半導(dǎo)體襯底與金屬柵之間的絕緣層，即構(gòu)成“金屬氧化物半導(dǎo)體”（MOS）場效應(yīng)晶體管，

2、它是絕緣柵場效應(yīng)管中最重要的一種；第二類：結(jié)型場效應(yīng)管（JFET），它就是用P-N結(jié)勢壘電場來控制導(dǎo)電能力的一種體內(nèi)場效應(yīng)晶體管；第三類：薄膜場效應(yīng)晶體管（TFT），它的結(jié)構(gòu)與原理和絕緣柵場效應(yīng)晶體管相似，其差別是所用的材料及工藝不同，TFT采用真空蒸發(fā)工藝先后將半導(dǎo)體-絕緣體-金屬蒸發(fā)在絕緣襯底上而構(gòu)成。（1）輸入阻抗高：雙極型晶體管輸入阻抗約為幾千歐，而場效應(yīng)晶體管的輸入阻抗可以達到1091015歐；（2）噪聲系數(shù)?。阂驗镸OSFET是依靠多數(shù)載流子輸運電流的，所以不存在雙極型晶體管中的散粒噪聲和配分噪聲；（3）功耗小：可用于制造高集成密度的半導(dǎo)體集成電路；（4）溫度穩(wěn)定性好：因為它是多子

3、器件，其電學(xué)參數(shù)不易隨溫度而變化。（5）抗輻射能力強：雙極型晶體管受輻射后下降，這是由于非平衡少子壽命降低，而場效應(yīng)晶體管的特性與載流子壽命關(guān)系不大，因此抗輻射性能較好。工藝潔凈要求較高；場效應(yīng)管的速度比雙極型晶體管的速度來得低。7.1 MOSFET的結(jié)構(gòu)和分類漏源區(qū)，柵氧化層，金屬柵電極等組成用N型半導(dǎo)體材料做襯底用P型半導(dǎo)體材料做襯底由N型襯底制成的管子，其漏源區(qū)是P型的，稱為P溝MOS場效應(yīng)管；由P型材料制成的管子，其漏源區(qū)是N型的，稱為N溝MOS場效應(yīng)管。P溝MOS管的工作原理 在工作時，源與漏之間接電源電壓。通常源極接地，漏極接負(fù)電源。在柵極和源之間加一個負(fù)電壓，它將使MOS結(jié)構(gòu)中半

4、導(dǎo)體表面形成負(fù)電的表面勢，從而使由于硅二氧化硅界面正電荷引起的半導(dǎo)體能帶下彎的程度減小。當(dāng)柵極負(fù)電壓加到一定大小時，表面能帶會變成向上彎曲，半導(dǎo)體表面耗盡并逐步變成反型。當(dāng)柵極電壓達到VT時，半導(dǎo)體表面發(fā)生強反型，這時P型溝道就形成了。空穴能在漏源電壓VDS的作用下，在溝道中輸運。VT稱為場效應(yīng)管的開啟電壓。顯然，P溝MOS管的VT是負(fù)值。由前面的討論可知，形成溝道的條件為FSqq2FSqq2 表面強反型即溝道形成時，在表面處空穴的濃度與體內(nèi)電子的濃度相等。開啟電壓是表征MOS場效應(yīng)管性能的一個重要參數(shù)，以后內(nèi)容中還將做詳細(xì)介紹。 另外，還可以指出，當(dāng)柵極電壓變化時，溝道的導(dǎo)電能力會發(fā)生變化，

5、從而引起通過漏和源之間電流的變化，在負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生電壓變化，這樣就可以實現(xiàn)電壓放大作用。 MOSFET的四種類型P溝增強型：柵壓為零時，溝道不存在，加上一個負(fù)的柵壓才能形成P型溝道。N溝增強型：柵壓為零時，溝道不存在，加上一個正的柵壓才能形成N型溝道。N溝耗盡型：柵壓為零時，溝道已存在，加上一個負(fù)的柵壓才能使N型溝道消失。 如果在同一N型襯底上同時制造P溝MOS管和N溝MOS管，（N溝MOS管制作在P阱內(nèi)），這就構(gòu)成CMOS MOSFET的特征1雙邊對稱在電學(xué)性質(zhì)上源和漏是可以相互交換的。與雙極型晶體管相比，顯然有很大不同，對于雙極型晶體管，如果交換發(fā)射極與集電極，晶體管的增益將明顯下降。

6、2單極性在MOS晶體管中參與導(dǎo)電的只是一種類型的載流子，這與雙極型晶體管相比也顯著不同。在雙極型晶體管中，顯然一種類型的載流子在導(dǎo)電中起著主要作用，但與此同時，另一種載流子在導(dǎo)電中也起著重要作用。3高輸入阻抗由于柵氧化層的影響，在柵和其他端點之間不存在直流通道，因此輸入阻抗非常高，而且主要是電容性的。通常，MOSFET的直流輸入阻抗可以大于1014歐。4電壓控制MOSFET是一種電壓控制器件。而且是一種輸入功率非常低的器件。一個MOS晶體管可以驅(qū)動許多與它相似的MOS晶體管；也就是說，它有較高的扇出能力。5自隔離由MOS晶體管構(gòu)成的集成電路可以達到很高的集成密度，因為MOS晶體管之間能自動隔離

7、。一個MOS晶體管的漏，由于背靠背二極管的作用，自然地與其他晶體管的漏或源隔離。這樣就省掉了雙極型工藝中的既深又寬的隔離擴散。7.2 MOSFET的特性曲線 對于MOSFET則可引進輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線來描述其電流電壓關(guān)系。輸出特性曲線 通過MOSFET的漏源電流IDS與加在漏源極間的電壓VDS之間的關(guān)系曲線即為輸出特性曲線。 這時加在柵極上的電壓作為參變量。 以N溝道增強型MOSFET為例來進行討論。 （共源極接法源極接地，并作為輸入與輸出的公共端，襯底材料也接地。輸入加在柵極G及源極S之間，輸出端為漏極D與源極S。 對于N溝道增強型管，VDS為正電壓，VGS也是正電壓。當(dāng)VGS大于開

8、啟電壓時，N溝道形成，電流通過N溝道流過漏和源之間。 定性地可以將它分為三個工作區(qū)來進行討論?？烧{(diào)電阻區(qū)/線性工作區(qū)/三極管工作區(qū) 當(dāng)漏源電壓VDS相對于柵極電壓較小時，在源和漏之間存在一個連續(xù)的N型溝道。此溝道的長度L不變，寬度W也不變。從源端到漏端溝道的厚度稍有變化。這是因為VDS使溝道中各點的電位不同，在近源處（VGS-V溝）比近漏處的大，表面電場較大，溝道較厚。但是，總的來講，溝道的厚度比氧化層厚度小得多。由此可見，此時的溝道區(qū)呈現(xiàn)電阻特性，電流IDS與VDS基本上是線性關(guān)系。而且，VGS越大，溝道電阻越小，可調(diào)電阻區(qū)的名稱由此而來。 可調(diào)電阻區(qū)的范圍為VDSVGS-VT時，溝道夾斷點

9、從漏端向左面源端移動。這樣，溝道的長度略有縮短，夾斷點的電壓仍為VGS-VT，增加的電壓VDS-(VGS-VT)都降落在夾斷區(qū)，如圖8-11中的AB段所示。顯然，夾斷區(qū)是耗盡區(qū)。由于溝道的長度總的來說變化不大，所以漏源電流基本上達到飽和值IDSS。 若VDS再增大，只是使夾斷區(qū)增大。增加的電壓均降落在耗盡區(qū)，漏源電流仍基本上維持IDSS值，因此這個區(qū)域稱為飽和工作區(qū)，如圖8-10中區(qū)域所示。溝道長度調(diào)變效應(yīng) 兩個N+區(qū)（源-漏）之間形成溝道長度L滿足大大于夾斷區(qū)AB段長度(長溝道)，其飽和漏源電流基本上不變。圖8-10中水平直線。 但當(dāng)溝道長度L不滿足大大于夾斷區(qū)AB段長度(短溝道)時，夾斷區(qū)

10、對溝道長度縮短的影響不能忽略，從而對電流的影響也不可以忽略，可見飽和工作區(qū)中，IDS會隨VDS增大而增加，這就是所謂的溝道長度調(diào)變效應(yīng)。它與雙極型晶體管中的基區(qū)寬度調(diào)變效應(yīng)相當(dāng)。雪崩擊穿區(qū) 當(dāng)VDS超過漏與襯底間P-N結(jié)的擊穿電壓時，漏和源之間不必通過溝道形成電流，而是由漏極直接經(jīng)襯底到達源極流過大的電流，IDS迅速增大。這就出現(xiàn)輸出特性曲線中的第個區(qū)域雪崩擊穿區(qū)，如圖8-12（a）所示。 可以用相似的方法討論N溝道耗盡型， P溝道增強型，P溝道耗盡型MOSFET的輸出特性曲線，它們分別如圖8-12（b）（d）所示。MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線 MOSFET是一種電壓控制器件，它是利用加在柵極和

11、源極之間的電壓來控制輸出電流的，這和雙極型晶體管用基極電流控制集電極電流是不同的。當(dāng)MOS晶體管工作在飽和區(qū)時，工作電流為IDSS。不同的VGS會引起不同的IDSS。我們將IDSS與VGS之間的關(guān)系曲線稱為轉(zhuǎn)移特性曲線。 對于N溝增強型MOS管，VT0，VGS0，其轉(zhuǎn)移特性曲線如圖8-13（a）所示。 用相似的方法可以得到N溝耗盡型，P溝增強型，P溝耗盡型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線，它們分別表示于圖8-13（b）（d）。7.3 MOSFET的閾值電壓N溝道增強型MOSFET的開啟電壓VTiAOXFSAMSTnNqkTCqNCQVln240OXSSOXSS0ln24CQnNqkTCqNMSiAO

12、XFSA對于增強型管，VT0N溝道耗盡型MOSFET的夾斷電壓VpiAOXFSAMSnNqkTCqNCQln240OXSS（8-1）也適合于N溝耗盡型管 這時VT顯然小于零。這說明在柵極電壓為零即未加電壓時，表面溝道已經(jīng)存在。因此，這時的開啟電壓實際上就是夾斷電壓，通常用Vp表示。對于N溝耗盡型MOSFET，Vp0，即當(dāng)柵極電壓VGS-|Vp|時即能開啟。柵極電壓再負(fù)得多些時，溝道截止。P溝道增強型MOSFET的開啟電壓VTiDOXFSDMSTnNqkTCqNCQVln240OXSS顯然，P溝道增強型MOSFET的VT0。也就是說，在柵極電壓為零時，P型溝道早已形成。這時的開啟電壓實質(zhì)上就是夾

13、斷電壓Vp。當(dāng)柵極加的正電壓大于Vp時，溝道全部截止。 公式（7-1）、（7-2）只適用于長溝道MOSFET。當(dāng)溝道長度較短時，必須考慮短溝道效應(yīng)，管子的閾值電壓VT會隨溝道長度L的減小而減小。這個問題將在以后討論。7.4 MOSFET的伏安特性為了方便起見，先作以下幾個假定：（1）漏區(qū)和源區(qū)的電壓降可以忽略不計；（2）在溝道區(qū)不存在復(fù)合產(chǎn)生電流；（3）沿溝道的擴散電流比由電場產(chǎn)生的漂移電流小得多；（4）在溝道內(nèi)載流子的遷移率為常數(shù)；（5）溝道與襯底間的反向飽和電流為零；（6）緩變溝道近似成立，即跨過氧化層的垂直于溝道方向的電場分量與溝道中沿載流子運動方向的電場分量無關(guān)。線性工作區(qū)的伏安特性以

14、N溝道增強型為例：設(shè)溝道長度為L，寬度為W，厚度為d，厚度從源到漏略有變化。則線性工作區(qū)的直流特性方程可表示為221DSDSTGSDSVVVVILWCnOX增益因子 當(dāng)VDS很小時，IDS與VDS成線性關(guān)系。VDS稍大時，IDS上升變慢，特性曲線彎曲，如圖所示。飽和工作區(qū)的伏安特性 當(dāng)漏-源電壓增加到使漏端的溝道夾斷時，IDS將趨于不變。其作用像一個電流源，管子將進入飽和工作區(qū)。使管子進入飽和工作區(qū)所加的漏-源電壓為VDsat，它由下式?jīng)Q定：TGSDsatVVV將上式代入式（7-3），可得到飽和工作區(qū)的漏-源電流（漏-源飽和電流）221TGSDSSVVI 嚴(yán)格來講，飽和工作區(qū)的電流不是一成不變

15、的。因為這時實際的有效溝道長度減小了。當(dāng)VDS增大時，由于溝道長度減小，IDSS將隨之增加。 漏源飽和電流隨溝道長度的減小而增大的效應(yīng)稱為溝道長度調(diào)變效應(yīng)。 這個效應(yīng)會使MOS管的輸出特性明顯發(fā)生傾斜，導(dǎo)致它的輸出阻抗降低。溝道長度調(diào)變效應(yīng)擊穿區(qū) 當(dāng)漏源電壓VDS繼續(xù)增大時，會出現(xiàn)漏源電流突然增大的情況，這時器件進入擊穿區(qū)。漏源擊穿電壓BVDS可由兩種不同的擊穿機理決定：漏區(qū)與襯底之間P-N結(jié)的雪崩擊穿；漏和源之間的穿通。漏結(jié)雪崩擊穿漏源穿通 在正常工作時，漏結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，當(dāng)反偏電壓達到其雪崩擊穿電壓時會產(chǎn)生擊穿，且擊穿電壓隨VGS的增大而增大。 漏極電壓VDS增大時，漏結(jié)耗盡區(qū)增大，使

16、溝道有效長度縮短。當(dāng)溝道表面漏結(jié)耗盡區(qū)的寬度LS擴展到等于溝道長度L時，漏結(jié)耗盡區(qū)增大到源極，就發(fā)生漏源之間的直接穿通。7.5 MOSFET的頻率特性 如果將MOSFET的襯底和源短接，通過合理的簡化，可以得到如圖簡化的MOS晶體管等效電路圖?？鐚?dǎo)gm常數(shù)DSVGSDSmVIg 表征在漏源電壓VDS不變的情況下，漏電流IDS隨著柵電壓VGS變化而變化的程度，反映了外加VGS控制IDS的能力。 單位：電導(dǎo)（1/），常用西門子（S）表示?？鐚?dǎo)標(biāo)志了MOSFET的電壓放大本領(lǐng)，因為電壓增益可表示為：LmGSLDSVRgVRIK柵極輸入電壓的變化負(fù)載上輸出電壓的變化由上式可知，相同負(fù)載的情況下，跨導(dǎo)越

17、大，電壓增益越大。飽和工作區(qū)TGSDsatmVVVg線性工作區(qū)DSmVg跨導(dǎo)與VDS成正比在不考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)的情況下，跨導(dǎo)與VDS無關(guān)。提高跨導(dǎo)的方法（1）通過改進管子的結(jié)構(gòu)來提高增益因子：增大溝道的寬長比；減薄氧化層厚度從而增大單位面積二氧化硅的電容；減小溝道載流子的濃度以提高溝道內(nèi)載流子的遷移率。（2）當(dāng)晶體管工作在飽和區(qū)時，還可以通過適當(dāng)增加VGS來提高跨導(dǎo)。LWCnOXMOSFET最高振蕩頻率 對于MOSFET，同雙極型晶體管一樣，可以引進最高振蕩頻率來說明管子的優(yōu)值。N溝道MOSFETTGSinMVVLCCf2OX2P溝道MOSFETTGSiPMVVLCCf2OX27.6 MO

18、SFET的開關(guān)特性 在MOS數(shù)字集成電路中，MOSFET主要工作在兩個狀態(tài)，即導(dǎo)通態(tài)和截止態(tài)。MOS數(shù)字集成電路的特性就由MOS管在這兩個狀態(tài)的特性以及這兩個狀態(tài)相互轉(zhuǎn)換的特性所決定，這就是所謂的晶體管的開關(guān)特性。 倒相器也稱為反相器，由反相管（倒相管）和負(fù)載兩部分組成。通常用N溝增強管作反相管，負(fù)載可由不同的形式。負(fù)載通常分有源器件和無源器件兩種。無源負(fù)載即電阻負(fù)載，組成電阻負(fù)載反相器（E/R反相器）；有源負(fù)載又可分為多種不同的MOSFET，常見有E/E反相器（用N溝增強管作負(fù)載）、CMOS反相器（用P溝增強管作負(fù)載）和E/D反相器（用N溝耗盡管作負(fù)載）等。CMOS倒相器 倒相管為N溝道增強

19、管，其開啟電壓大于零。 兩個管子的源與各自的襯底短接后倒相管共接地，負(fù)載管共接正向VDD。 兩個柵極相并聯(lián)作為輸入端。 兩個漏極連在一起作為輸出端。 兩個襯底之間因反偏而自動隔離。 當(dāng)輸入脈沖為零時，倒相器處于截止態(tài)。這時VGS=0，倒相管處于截止?fàn)顟B(tài)。由于負(fù)載管是P溝道增強型管，VDD為正，相當(dāng)于在負(fù)載管的柵源之間加一個負(fù)的電壓，使負(fù)載管開啟，處于導(dǎo)通狀態(tài)。 當(dāng)輸入正脈沖時，倒相器處于導(dǎo)通狀態(tài)。假定輸入正脈沖電壓VGSVDD，這時倒相管的柵極電壓遠(yuǎn)大于源極零電位。倒相器可處于充分導(dǎo)通的狀態(tài)。負(fù)載管的柵極電位VDD與源極電位VDD相同，故處于截止?fàn)顟B(tài)。 特點：CMOS倒相器在導(dǎo)通和截止兩種狀態(tài)

20、時，始終只有一個管子導(dǎo)通，只有很小的漏電流通過，所以CMOS倒相器的功耗很小，且開關(guān)時間短。MOSFET的開關(guān)特性類似于雙極型晶體管的開關(guān)特性（略）7.7 閾值電壓VT的控制和調(diào)整 在MOS集成電路的制造中，控制好閾值電壓VT的值是很重要的。例如，要制造N溝道增強型MOS管，它的VT應(yīng)為正值，并要求達到一定的值。ssMSTTssT 為了調(diào)整閾值電壓，在半導(dǎo)體近表面處注入精確控制的相對較少的硼或磷離子，硼注入會導(dǎo)致閾值電壓正漂移，磷注入會導(dǎo)致閾值電壓負(fù)漂移，其作用類同于引入了附加的固定電荷，從而改變VT。 N溝道增強型MOS管中注入硼，更是為得到VT值處于所需的正值的一種常用方法。 也可以通過改變氧化層厚度來控制VT，隨著氧化層厚度的增加， N溝道MOS FET的閾值電壓變得更大些，而P溝道MOS FET的閾值電壓將變得更小些。相當(dāng)厚的場氧化層