第十章MOSFET基礎(chǔ)(2)(MOSFET工作原理,頻率,CMOS)

1、10.3 MOSFET原理原理2015-1110.3 MOSFET10.3 MOSFET基本工作原理基本工作原理nMOSFETMOSFET結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)n電流電壓關(guān)系電流電壓關(guān)系概念概念n電流電壓關(guān)系電流電壓關(guān)系推導(dǎo)推導(dǎo)n跨導(dǎo)跨導(dǎo)n襯底偏置效應(yīng)襯底偏置效應(yīng)210.3 MOSFET原理 MOSFETMOSFET結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)N N 溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS MOS 場(chǎng)效應(yīng)管的場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖BPGN+N+源源漏漏SDSiO2Ltox1.1.結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)SGDB2.2.符號(hào)符號(hào)3.3.基本參數(shù)基本參數(shù)溝道長(zhǎng)度溝道長(zhǎng)度 L(L(跟工藝水平有關(guān)跟工藝水平有關(guān)) )溝道寬度溝道寬度 W W柵氧化層厚度柵

2、氧化層厚度 t toxox310.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 MOSFETMOSFET分類分類(1)(1)n溝道溝道MOSFETp p型襯底，型襯底，n n型溝道，電子導(dǎo)電型溝道，電子導(dǎo)電V VDSDS00，使電子從源流到漏，使電子從源流到漏p溝道溝道MOSFETn n型襯底，型襯底，p p型溝道，空穴導(dǎo)電型溝道，空穴導(dǎo)電V VDSDS000n n溝道溝道耗盡型耗盡型MOSFETMOSFET零柵壓時(shí)已存在反型溝道，零柵壓時(shí)已存在反型溝道，V VTNTN00按照零柵壓時(shí)有無(wú)導(dǎo)電溝道可分為：按照零柵壓時(shí)有無(wú)導(dǎo)電溝道可分為：510.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理

3、MOSFETMOSFET分類分類(3)(3)p p溝道溝道增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOSFETMOSFET零柵壓時(shí)不存在反型溝道，零柵壓時(shí)不存在反型溝道，V VTPTP0006增強(qiáng)型：柵壓為增強(qiáng)型：柵壓為0時(shí)不導(dǎo)通時(shí)不導(dǎo)通N溝（正電壓開(kāi)啟溝（正電壓開(kāi)啟 “1”導(dǎo)通）導(dǎo)通）P溝（負(fù)電壓開(kāi)啟溝（負(fù)電壓開(kāi)啟 “0”導(dǎo)通）導(dǎo)通）耗盡型：柵壓為耗盡型：柵壓為0時(shí)已經(jīng)導(dǎo)通時(shí)已經(jīng)導(dǎo)通N溝（很負(fù)才關(guān)閉）溝（很負(fù)才關(guān)閉）P溝（很正才關(guān)閉）溝（很正才關(guān)閉）710.3.2 N 10.3.2 N 溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型 MOS MOS 場(chǎng)效應(yīng)管工作原理場(chǎng)效應(yīng)管工作原理1. 1. V VGSGS對(duì)半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)狀態(tài)的影響對(duì)半導(dǎo)

4、體表面空間電荷區(qū)狀態(tài)的影響( (1) ) VGS = 0漏源之間相當(dāng)于兩個(gè)背靠背的漏源之間相當(dāng)于兩個(gè)背靠背的 PN PN 結(jié)，無(wú)論漏源之間加何種極結(jié)，無(wú)論漏源之間加何種極性電壓，性電壓，總是不導(dǎo)電總是不導(dǎo)電。SBD當(dāng)當(dāng)V VGSGS 逐漸增大時(shí)，柵氧化逐漸增大時(shí)，柵氧化層下方的半導(dǎo)體表面會(huì)發(fā)層下方的半導(dǎo)體表面會(huì)發(fā)生什么變化？生什么變化？BPGSiO2SDN+N+8( (2) ) VGS 00逐漸增大逐漸增大 柵氧化層中的場(chǎng)強(qiáng)越來(lái)越大，柵氧化層中的場(chǎng)強(qiáng)越來(lái)越大，它們排斥它們排斥P P型襯底靠近型襯底靠近 SiOSiO2 2 一側(cè)一側(cè)的空穴，的空穴，形成由負(fù)離子組成的耗形成由負(fù)離子組成的耗盡層。盡

5、層。增大增大 V VGSGS 耗盡層變寬耗盡層變寬。 當(dāng)當(dāng)V VGSGS繼續(xù)升高時(shí)繼續(xù)升高時(shí), , 溝道加厚，溝道電阻減少，在相同溝道加厚，溝道電阻減少，在相同V VDSDS的作用下，的作用下，I ID D將進(jìn)一步增加。將進(jìn)一步增加。BPGSiO2SDN+N+ +-+-+VGS- - - - - -反型層反型層iD由于吸引了足夠多由于吸引了足夠多P P型襯底的電子，會(huì)在耗盡層和型襯底的電子，會(huì)在耗盡層和 SiOSiO2 2 之間形成可移動(dòng)的表面電荷層之間形成可移動(dòng)的表面電荷層 反型層、反型層、N N 型型導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道。這時(shí)，在這時(shí)，在V VDSDS的作用下就會(huì)形成的作用下就會(huì)形成I ID

6、D。(3) V(3) VGSGS 繼續(xù)增大繼續(xù)增大 弱反型弱反型 強(qiáng)反型強(qiáng)反型VDS9 閾值電壓：閾值電壓：使半導(dǎo)體表面達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)所需加的柵使半導(dǎo)體表面達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)所需加的柵源電壓。用源電壓。用V VT T表示。表示。閾值電壓閾值電壓 MOS MOS場(chǎng)效應(yīng)管利用場(chǎng)效應(yīng)管利用V VGSGS來(lái)控制半導(dǎo)體表面來(lái)控制半導(dǎo)體表面“感應(yīng)感應(yīng)電荷電荷”的多少，來(lái)改變溝道電阻，從而控制漏極電的多少，來(lái)改變溝道電阻，從而控制漏極電流流 I ID D。 MOSFETMOSFET是一種是一種電壓控制型器件電壓控制型器件。 MOSFETMOSFET能夠工作的能夠工作的關(guān)鍵關(guān)鍵是半導(dǎo)體表面是半導(dǎo)體表面必須有導(dǎo)必須有導(dǎo)

7、電溝道電溝道，而只有表面達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)才會(huì)有溝道形成。，而只有表面達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)才會(huì)有溝道形成。 102. VDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響對(duì)導(dǎo)電溝道的影響(VGSVT)c.VDS=VGSVT，即即VGD=VT：靠近漏極溝道達(dá)到臨界開(kāi)啟程度，出現(xiàn)預(yù)靠近漏極溝道達(dá)到臨界開(kāi)啟程度，出現(xiàn)預(yù)夾斷，夾斷，VDS=VDSat；b.0VDSVT:導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)一個(gè)楔形，靠近漏端的導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)一個(gè)楔形，靠近漏端的導(dǎo)電溝道減??；導(dǎo)電溝道減??；VDS 0，但值較小時(shí)：，但值較小時(shí)：VDS對(duì)溝道影響可忽略，溝道厚對(duì)溝道影響可忽略，溝道厚度均勻；度均勻；VDSVGSBPGN+N+SDd.VDSVGSVT，即即VGDVT：夾斷區(qū)發(fā)生擴(kuò)

8、展，夾斷點(diǎn)向源端移動(dòng)。夾斷區(qū)發(fā)生擴(kuò)展，夾斷點(diǎn)向源端移動(dòng)。VGD=VGSVDSVGSEL 113 3 . . N N 溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型 MOS MOS 場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線1 1）輸出特性曲線）輸出特性曲線( (假設(shè)假設(shè)V VGSGS=5V)=5V) 輸出特性曲線輸出特性曲線非非飽飽和和區(qū)區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)擊擊穿穿區(qū)區(qū)BVDS ID/mAVDS /VOVGS=5VVGS=4VVGS=3V預(yù)夾斷軌跡預(yù)夾斷軌跡VDSat 過(guò)過(guò)渡渡區(qū)區(qū)線線性性區(qū)區(qū)(d)(d)VDS:VGDVTBPN+N+VDSVGSGSDLVTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVGD(c)V(c)VDS:VGD=V

9、TBPN+N+VDSVGSGSDVGSVT( (a) )VDS很小很小VGSBPGN+N+SDVDSVGSVGDVGS ID=IDSat12VT VGS /VID /mAO2 2）轉(zhuǎn)移特性曲線）轉(zhuǎn)移特性曲線( (假設(shè)假設(shè)V VDSDS=5V)=5V) a. Va. VGSGS V V VT T 器件內(nèi)存在導(dǎo)電溝道，器件內(nèi)存在導(dǎo)電溝道，器件處于器件處于導(dǎo)通導(dǎo)通狀態(tài)，有輸狀態(tài)，有輸出電流。且出電流。且V VGSGS越大，溝道越大，溝道導(dǎo)電能力越強(qiáng)，輸出電導(dǎo)電能力越強(qiáng)，輸出電流越大。流越大。 轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線134. N 4. N 溝道溝道耗盡型耗盡型 MOS MOS 場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管BPG

10、N+N+SDSiO2+ + + + + + （1 1） N N溝道溝道耗盡型耗盡型MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)1 1、 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)2 2、 符號(hào)符號(hào)SGDB14ID/mAVGS /VOVP(b)(b)轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性IDSS(a)(a)輸出輸出特性特性ID/mAVDS /VO+1VVGS=0- -3 V- -1 V- -2 V432151015 20（2 2）基本工作原理）基本工作原理a. a. 當(dāng)當(dāng)V VGSGS=0=0時(shí)，時(shí)，V VDSDS加正向電壓，加正向電壓，產(chǎn)生漏極電流產(chǎn)生漏極電流I ID D, ,此時(shí)的漏極電流此時(shí)的漏極電流稱為稱為漏極飽和電流漏極飽和電流，用，用I IDSS

11、DSS表示。表示。b. b. 當(dāng)當(dāng)V VGSGS0 0時(shí)，時(shí)，I ID D進(jìn)一步增加進(jìn)一步增加。c. c. 當(dāng)當(dāng)V VGSGS0 0時(shí)，隨著時(shí)，隨著V VGSGS的減小的減小漏極電流逐漸漏極電流逐漸減小減小。直至。直至I ID D=0=0。對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)I ID D=0=0的的V VGSGS稱為夾斷電壓，稱為夾斷電壓，用符號(hào)用符號(hào)V VP P表示表示。15種種 類類符號(hào)符號(hào)轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線輸出特性曲線輸出特性曲線 NMOSNMOS增強(qiáng)型增強(qiáng)型耗盡型耗盡型PMOSPMOS增強(qiáng)型增強(qiáng)型耗盡型耗盡型IDSGDBSGDBIDSGDBIDSGDBIDVGSIDOVTIDVGSVPIDSSOVDSID_

12、VGS=0+_OIDVGSVTOIDVGSVPIDSSO_ _IDVGS=VTVDS_ _o o_ _+VDSID+OVGS=VTIDVGS= 0V+ +_ _VDSo o+ +16小小 結(jié)結(jié) 工作原理：工作原理：V VGSGS ：耗盡耗盡 弱反型弱反型 強(qiáng)反型強(qiáng)反型 V VDS DS ：減薄減薄 夾斷夾斷 擴(kuò)展擴(kuò)展 定性分析定性分析17 耗盡型器件形成的原因，其基本特性與增強(qiáng)型器件之間的不耗盡型器件形成的原因，其基本特性與增強(qiáng)型器件之間的不同點(diǎn)同點(diǎn)。 按照導(dǎo)電類型分按照導(dǎo)電類型分MOSMOS管分為管分為NMOSNMOS和和PMOSPMOS。按照零柵壓時(shí)有無(wú)溝道又分為按照零柵壓時(shí)有無(wú)溝道又分為

13、增強(qiáng)型和耗盡型增強(qiáng)型和耗盡型兩種形式。兩種形式。 NMOSNMOS和和PMOSPMOS結(jié)構(gòu)十分相似，只是兩者的結(jié)構(gòu)十分相似，只是兩者的襯底及源漏區(qū)摻雜類襯底及源漏區(qū)摻雜類型剛好相反型剛好相反。 特性曲線：輸出特性曲線特性曲線：輸出特性曲線( (非飽和區(qū)、飽和區(qū)、擊穿區(qū)非飽和區(qū)、飽和區(qū)、擊穿區(qū)) ) 轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線( (表征了表征了V VGSGS對(duì)對(duì)I ID D的的控制控制能力能力) )10.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 I-VI-V特性特性: :基本假設(shè)基本假設(shè)xEyExyn溝道中的電流是由漂移而非擴(kuò)散產(chǎn)生的（長(zhǎng)溝器件）溝道中的電流是由漂移而非擴(kuò)散產(chǎn)生的（長(zhǎng)溝器件）

14、n柵氧化層中無(wú)電流柵氧化層中無(wú)電流n緩變溝道近似，即垂直于溝道方向上緩變溝道近似，即垂直于溝道方向上 的電場(chǎng)變化遠(yuǎn)大于平行于溝道方向上的電場(chǎng)變化遠(yuǎn)大于平行于溝道方向上 的電場(chǎng)變化的電場(chǎng)變化 ( (近似認(rèn)為方向?yàn)槌?shù)近似認(rèn)為方向?yàn)槌?shù)) )n氧化層中的所有電荷均可等效為氧化層中的所有電荷均可等效為 Si-SiO Si-SiO2 2界面處的有效電荷密度界面處的有效電荷密度n耗盡層厚度沿溝道方向上是一耗盡層厚度沿溝道方向上是一 個(gè)常數(shù)個(gè)常數(shù)n溝道中的載流子遷移率與空間溝道中的載流子遷移率與空間 坐標(biāo)無(wú)關(guān)坐標(biāo)無(wú)關(guān)n襯底與源極之間的電壓為零襯底與源極之間的電壓為零18xxE)(EnxyenJ電流密度電流

15、密度:(漂移電流漂移電流密度為密度為)10.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 I-VI-V特性特性: :溝道電流溝道電流X方向的電流強(qiáng)度：方向的電流強(qiáng)度：x0000( )EccWxWxxxnIJ dydzen ydydz 0( )cxnQen y dy -WWdz0 xEnnWQ -反型層中平行于溝道方向的電場(chǎng)：反型層中平行于溝道方向的電場(chǎng)：dxdVx-xExxnndVIWQdx1910.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 I-VI-V特性特性: :電中性條件電中性條件0(max)+SDnssmQQQQ20高斯定理123456n112233445566EEEEEEES

16、SSSSSSdSdSdSdSdSdSdS+相互抵消相互抵消E5=E6=0，即使有也相互抵消，即使有也相互抵消E30WdxQQQQSDnssT)(max)+STQdSnE表面所在材料表面所在材料的介電常數(shù)的介電常數(shù)某閉合表面某閉合表面沿閉合表面向外法線方向沿閉合表面向外法線方向的電場(chǎng)強(qiáng)度的電場(chǎng)強(qiáng)度該閉合表面所包圍區(qū)該閉合表面所包圍區(qū)域的總電荷量域的總電荷量(max)oxESDnssoxQQQ+-10.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 I-VI-V特性特性: :表面電荷表面電荷444oxEEoxSdSWdx -dxW24315621fpe2msfpoxxGSVVV+-2 FpFmEE

17、- ()22gmsmfpsfpEe-+10.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 I-VI-V特性特性: :氧化層電勢(shì)氧化層電勢(shì)()GSxe VV-( ) ( )2gmoxsfpEeVe+-+-+2210.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 I-VI-V特性特性: :反型層電荷與電場(chǎng)反型層電荷與電場(chǎng)ox(max)(max)EoxssnSDssnSDQQQQQQ-+-oxEoxoxVtmsfpoxxGSVVV+-2氧化層電勢(shì)氧化層電勢(shì)(max)2oxnSDssGSxfpmsoxQQQVVt -+-+半導(dǎo)體表面空間電荷半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)的單位面積電荷區(qū)的單位面積電荷氧化層中

18、垂直于溝氧化層中垂直于溝道方向的電場(chǎng)道方向的電場(chǎng)由上三式可得由上三式可得反型層單位面反型層單位面積的電荷積的電荷oxoxoxtC/xxnndVIWQdx -nOXGSTxQCVVV -()xxnoxGSTxdVIWCV-V -Vdx不應(yīng)是不應(yīng)是x或或Vx的函數(shù)的函數(shù)（電流連續(xù)性定律（電流連續(xù)性定律）x00IDSLVDxI dxdV)0()(22)(2satDSDSTGSDSDSTGSoxnDVVVVVVVVLCWI-，當(dāng)2310.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 I-VI-V特性特性: :線性區(qū)與飽和區(qū)線性區(qū)與飽和區(qū)，處于飽和區(qū)若無(wú)關(guān)與TGSDSDSTGSoxnsatDVVVVV

19、VLCWI-2)()(2，處于線性區(qū)若TGSDSDSDSTGSoxnDVVVVVVVLCWI-)(0)(satDSDSVVDSDVITGSsatDSVVV-)()(222DSDSTGSoxnDVVVVLCWI-2410.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 和和V VT T的測(cè)試提取方法的測(cè)試提取方法DSTGSoxnDVVVLCWI)(-特性基于線性區(qū)GSDVITnDSoxnVLVCW橫軸截距斜率特性基于飽和區(qū)SDVIGTnoxnVLCW橫軸截距斜率2)(2)(TGSoxnsatDVVLCWI-高場(chǎng)下遷移率隨高場(chǎng)下遷移率隨電場(chǎng)上升而下降電場(chǎng)上升而下降存在亞閾值電流n溝耗盡型溝耗盡型n

20、溝增強(qiáng)型溝增強(qiáng)型25存在亞閾值電流存在亞閾值電流存在亞閾值電流存在亞閾值電流10.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 p p溝增強(qiáng)型溝增強(qiáng)型MOSFETMOSFET的的I-VI-V特性特性)(222SDSDTSGoxpDVVVVLCWI-+非飽和區(qū)DSTSGoxpDVVVLCWI)(+線性區(qū)2()()2poxD satSGTSD satSGTWCIVVLVVV+（飽和區(qū)注：注：Vds=-Vsd Vgs=-Vsg,等等2610.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 跨導(dǎo)跨導(dǎo)( (晶體管增益晶體管增益):):模型模型常數(shù)DSVGSDmVIg()20)2()2DSDS satn

21、oxDGSTDSDSVVWCIVV VVL-非飽和區(qū)（含線性區(qū)，()2)()2DSDS satnoxDGSTVVWCIVVL-飽和區(qū)（含線性區(qū)，跨導(dǎo)用來(lái)表征跨導(dǎo)用來(lái)表征MOSFETMOSFET的的放大能力：放大能力：noxnoxoxWCWLL t 令材料參數(shù)材料參數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)工藝參數(shù)工藝參數(shù)nW Loxt影響跨導(dǎo)的因素：影響跨導(dǎo)的因素：DSnoxmLDSGSVWCgVLV與無(wú)關(guān)()GSTnoxmsGSTDSVVWCgVVLV-與無(wú)關(guān)27小節(jié)內(nèi)容小節(jié)內(nèi)容n電流電壓關(guān)系電流電壓關(guān)系推導(dǎo)推導(dǎo)n跨導(dǎo)跨導(dǎo)n器件結(jié)構(gòu)器件結(jié)構(gòu)n遷移率遷移率n閾值電壓閾值電壓nW WnL L nt toxox)0()(

22、22)(2satDSDSTGSDSDSTGSoxnDVVVVVVVVLCWI-，當(dāng)2810.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 襯底偏置效應(yīng)襯底偏置效應(yīng)(1)(1)0必須反偏或必須反偏或零偏零偏Vsb=Vs-Vb0,即Vb更負(fù)（這樣才反偏）在溝道源端感應(yīng)出來(lái)在溝道源端感應(yīng)出來(lái)的電子全跑掉了的電子全跑掉了2910.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 襯底偏置效應(yīng)襯底偏置效應(yīng)(2)(2)能帶圖能帶圖襯底偏壓襯底偏壓表面準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)表面準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)反型條件反型條件耗盡層電荷耗盡層電荷不同襯偏電壓條件下的能帶圖：不同襯偏電壓條件下的能帶圖：0SBV0SBV3010.3 MOSFET

23、10.3 MOSFET原理原理 襯底偏置效應(yīng)襯底偏置效應(yīng)(3)(3)現(xiàn)象現(xiàn)象n反型層電子勢(shì)能比源端電子勢(shì)能高反型層電子勢(shì)能比源端電子勢(shì)能高電子更容易從反型層流到電子更容易從反型層流到源區(qū)源區(qū)達(dá)到反型所需的電子濃度需更高的柵壓；達(dá)到反型所需的電子濃度需更高的柵壓；n反型層反型層- -襯底之間的電勢(shì)差更大襯底之間的電勢(shì)差更大表面耗盡層更寬、電荷更多表面耗盡層更寬、電荷更多同樣?xùn)艍合路葱蛯与姾筛?；同樣?xùn)艍合路葱蛯与姾筛?；n表面費(fèi)米能級(jí)更低表面費(fèi)米能級(jí)更低要達(dá)到強(qiáng)反型條件需要更大的表面勢(shì)；要達(dá)到強(qiáng)反型條件需要更大的表面勢(shì)；3110.3 MOSFET10.3 MOSFET原理原理 襯底偏置效應(yīng)襯底偏

24、置效應(yīng)(4)(4)閾值電壓閾值電壓負(fù)的耗盡層負(fù)的耗盡層電荷更多電荷更多需更大的正柵壓才能反型，需更大的正柵壓才能反型，且且V VSBSB越大，越大，V VT T越大越大體效應(yīng)系數(shù)體效應(yīng)系數(shù)32小節(jié)內(nèi)容小節(jié)內(nèi)容n襯底偏置效應(yīng)襯底偏置效應(yīng)nP P阱更負(fù)，阱更負(fù)，n n管閾值上升管閾值上升nN N襯底更正，襯底更正，p p管閾值更負(fù)管閾值更負(fù)n此種類型偏置經(jīng)常做模擬用途。此種類型偏置經(jīng)常做模擬用途。例例11.1011.10：T=300KT=300K，Na=3Na=310101616cmcm-3-3，t toxox=500=500埃，埃，V VSBSB=1V=1VV VT T=0.66V=0.66V3

25、3 10.4 10.4頻率限制特性頻率限制特性 交流小信號(hào)參數(shù)交流小信號(hào)參數(shù)源極串聯(lián)源極串聯(lián)電阻電阻柵源交疊柵源交疊電容電容漏極串聯(lián)漏極串聯(lián)電阻電阻柵漏交疊柵漏交疊電容電容漏漏-襯底襯底pn結(jié)電容結(jié)電容柵源電容柵源電容柵漏電容柵漏電容跨導(dǎo)跨導(dǎo)寄生參數(shù)寄生參數(shù)本征參數(shù)本征參數(shù)3410.4 10.4 頻率限制特性頻率限制特性 完整的小信號(hào)等效電路完整的小信號(hào)等效電路共源共源n溝溝MOSFET小信號(hào)等效電路小信號(hào)等效電路總的柵源電容總的柵源電容總的柵漏電容總的柵漏電容與與ID-VDS曲線曲線的斜率有關(guān)的斜率有關(guān)3510.4 10.4 頻率限制特性頻率限制特性 簡(jiǎn)化的小信號(hào)等效電路簡(jiǎn)化的小信號(hào)等效電路

26、低頻條件下只計(jì)入低頻條件下只計(jì)入rs只計(jì)入本征參數(shù)只計(jì)入本征參數(shù)msmmmdgsmgssmmgsmdgsgssmsgsmgsgssgrgggIVgVrggVgIVVrgrVgVVr+11)1 ()(的影響低頻條件下只計(jì)入低頻條件下只計(jì)入rds3610.4 10.4 頻率限制特性頻率限制特性 MOSFETMOSFET頻率限制因素頻率限制因素限制因素限制因素2 2：對(duì)柵電極或電容充電需要時(shí)間對(duì)柵電極或電容充電需要時(shí)間限制因素限制因素1 1：溝道載流子從源到漏運(yùn)動(dòng)需要時(shí)間溝道載流子從源到漏運(yùn)動(dòng)需要時(shí)間710 cm/s; 1msatvLGHz1001ps10ttsltfvL截止頻率溝道渡越時(shí)間溝道渡越

27、時(shí)間通常不溝道渡越時(shí)間通常不是主要頻率限制因素是主要頻率限制因素對(duì)對(duì)Si MOSFETSi MOSFET，飽和漂移速度，飽和漂移速度3710.4 10.4 頻率限制特性頻率限制特性 電流電流- -頻率關(guān)系頻率關(guān)系負(fù)載電阻負(fù)載電阻-+-+)(/)(gsdTgdgsmLdddgsTgdgsTgsiVVCjVgRVIVVCjVCjI11mLigsTgdTgsLgdTg RIjCCVj R C+)1 (LmTgdMRgCC+密勒電容1TgdLCR通常輸入電流輸入電流輸出電流輸出電流對(duì)柵電容充電需要時(shí)間對(duì)柵電容充電需要時(shí)間消去電壓變量消去電壓變量VD(1)gsTgdTmLgsjCCg RV+gsTMgs

28、jCCV+3810.4 10.4 頻率限制特性頻率限制特性 密勒電容等效密勒電容等效)1 (LmTgdMRgCC+密勒電容只計(jì)入本征參數(shù)只計(jì)入本征參數(shù)器件飽和時(shí)，器件飽和時(shí)，C Cgdgd=0=0，寄生電容，寄生電容成為影響輸入阻抗的重要因素。成為影響輸入阻抗的重要因素。3910.4 10.4 頻率限制特頻率限制特 截止頻率推導(dǎo)截止頻率推導(dǎo)igsTMgsdmgsIjCCVIg V+輸入電流輸出電流12 ()2dimmmTIgsTMGIGgsTMgggffCCCCCC+跨導(dǎo)截止頻率等效輸入柵極電容G0, (1)0 , ()gdMgdTmLgsTgsoxnoxmGSTCCCg RCCCC WLWC

29、gVVL+-gdpgsp在理想情況下，交疊或寄生電容C,C=0飽和區(qū)截止頻率：電流增益為截止頻率：電流增益為1 1時(shí)的頻率。時(shí)的頻率。22()2nnGSTTVVfLL-遷移率溝道長(zhǎng)度的平方提高頻率特性：提高頻率特性：提高遷移率（提高遷移率（100100方向，工藝優(yōu)質(zhì)）；縮短方向，工藝優(yōu)質(zhì)）；縮短L L；減小寄生電容；增大跨導(dǎo)；減小寄生電容；增大跨導(dǎo)；12()dmigsTMIgIf CC+電流增益4010.5 CMOS10.5 CMOS技術(shù)技術(shù) 什么是什么是CMOSCMOS？n n溝溝MOSFETMOSFETp溝溝MOSFETnCMOSCMOS（Complentary MOSComplentar

30、y MOS，互補(bǔ)，互補(bǔ)CMOSCMOS）n使使n n溝溝MOSFETMOSFET與與p p溝溝MOSFETMOSFET取長(zhǎng)補(bǔ)短取長(zhǎng)補(bǔ)短n實(shí)現(xiàn)低功耗、全電平擺幅實(shí)現(xiàn)低功耗、全電平擺幅n數(shù)字邏輯電路的首選工藝數(shù)字邏輯電路的首選工藝場(chǎng)氧（用作管場(chǎng)氧（用作管間、互連間、互連-襯底襯底間隔離）間隔離）柵氧（用作柵氧（用作MOS電容的電容的介質(zhì)）介質(zhì)）通常接電路最低電位通常接電路最低電位通常接電路最高通常接電路最高電位電位4110.6 10.6 小結(jié)小結(jié) 1nMOSMOS電容是電容是MOSFETMOSFET的核心。隨表面勢(shì)的不同，半導(dǎo)體表面可以的核心。隨表面勢(shì)的不同，半導(dǎo)體表面可以處于堆積、平帶、耗盡、本征、弱反型、強(qiáng)反型等狀態(tài)。處于堆積、平帶、耗盡、本征、弱反型、強(qiáng)反型等狀態(tài)。 MOSFETMOSFET導(dǎo)通時(shí)工作在強(qiáng)反型狀態(tài)導(dǎo)通時(shí)工作在強(qiáng)反型狀態(tài)n柵壓、功函數(shù)差、氧化層電荷都會(huì)引起半導(dǎo)體表面能帶的彎曲柵壓、功函數(shù)差、氧化層電荷都會(huì)引起半導(dǎo)體表面能帶的彎曲或表面勢(shì)。或表面勢(shì)。n表面處于平帶時(shí)的柵壓為平帶電