半導體器件原理第五章

1、第五章：第五章：MOS（金屬（金屬-氧化物氧化物-半半導體）場效應晶體管導體）場效應晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）場效應晶體管介紹場效應晶體管介紹什么是場效應管什么是場效應管? 場效應晶體管場效應晶體管【Field Effect Transistor縮寫縮寫(FET)】簡稱場效應管簡稱場效應管。由多數(shù)載流子參與導電由多數(shù)載流子參與導電,也稱為也稱為單單極型晶體管極型晶體管，它屬于它屬于輸入輸入電壓控制電壓控制輸出電流的輸出電流的半導體器件半導體器件，僅由一種載流子參與導電。僅由一種載流子參與導電。DS

2、電流電場場效應晶體管場效應晶體管，F(xiàn)ET, field effect transistor 利用垂直于導電溝道的輸入電壓的電場作用，控制導電溝道利用垂直于導電溝道的輸入電壓的電場作用，控制導電溝道輸出電流的一種半導體器件輸出電流的一種半導體器件. FET與雙極晶體管的比較與雙極晶體管的比較BJTFET與與BJT的區(qū)別：的區(qū)別：1. FET 為電壓控制器件為電壓控制器件; BJT 為電流控制器件。為電流控制器件。2. FET輸入阻抗高，實際上不需要輸入電流，在輸入阻抗高，實際上不需要輸入電流，在模擬開關電路，高輸入阻抗放大器和微波放大器中模擬開關電路，高輸入阻抗放大器和微波放大器中具有廣泛的應用

3、。具有廣泛的應用。3. FET為單極器件，沒有少子存儲效應，適于高為單極器件，沒有少子存儲效應，適于高頻和高速工作。頻和高速工作。4. 在大電流時，在大電流時，F(xiàn)ET具有負的溫度系數(shù)，隨著溫具有負的溫度系數(shù)，隨著溫度的增加度的增加FET的電流減小，使整個器件溫度分布更的電流減小，使整個器件溫度分布更加均勻。加均勻。5. 制備工藝相對比較簡單，適合大規(guī)模集成電路。制備工藝相對比較簡單，適合大規(guī)模集成電路。場效應晶體管的家族譜系場效應晶體管的家族譜系pn結柵結柵肖特基柵肖特基柵絕緣柵絕緣柵隨著集成電路設計和制造技術的發(fā)展，目前大隨著集成電路設計和制造技術的發(fā)展，目前大部分超大規(guī)模集成電路都是部分超

4、大規(guī)模集成電路都是MOS集成電路集成電路。在。在數(shù)字集成電路，尤其是數(shù)字集成電路，尤其是微處理機和存儲器微處理機和存儲器方面，方面，MOS集成電路幾乎占據(jù)了絕對的位置。集成電路幾乎占據(jù)了絕對的位置。MOS在一些特種器件，如在一些特種器件，如CCD（電感耦合器件）（電感耦合器件）和敏感器件方面應用廣泛。和敏感器件方面應用廣泛。促進促進MOS晶體管發(fā)展主要有以下四大技術：晶體管發(fā)展主要有以下四大技術：半導體表面的穩(wěn)定化技術半導體表面的穩(wěn)定化技術各種柵絕緣膜的實用化各種柵絕緣膜的實用化自對準結構自對準結構MOS工藝工藝a)閾值電壓的控制技術閾值電壓的控制技術第五章：第五章：MOS（金屬（金屬-氧化物

5、氧化物-半半導體）場效應晶體管導體）場效應晶體管5.1 MOS場效應晶體管基礎場效應晶體管基礎n5.1.1雙端結構雙端結構n5.1.2電容電壓特性電容電壓特性n5.1.3基本工作原理基本工作原理n5.1.4頻率限制特性頻率限制特性n5.1.5技術技術n5.1.6小結小結5.1.1 雙端雙端MOS結構結構 MOS電容結構氧化層厚度氧化層厚度氧化層介電常數(shù)氧化層介電常數(shù)Al或高摻雜或高摻雜的多晶的多晶Sin型型Si或或p型型SiSiO29MOSFET 的核心是的核心是金屬氧化物半導體金屬氧化物半導體電容電容， 其中的金其中的金屬可以是鋁或者一些其它的金屬，但更通常的情況是在氧屬可以是鋁或者一些其它

6、的金屬，但更通常的情況是在氧化物上面淀積高電導率的多晶硅；然而，金屬一詞通常被化物上面淀積高電導率的多晶硅；然而，金屬一詞通常被延用下來。延用下來。多子積累：多子積累：1）能帶）能帶（向上向上）彎曲并接近彎曲并接近EF；2）多子（空穴）在半導體表面積累，越接近半導體表面多子）多子（空穴）在半導體表面積累，越接近半導體表面多子濃度越高。濃度越高。l由于由于MOS系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)且無通過氧化層的電流，使系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)且無通過氧化層的電流，使得半導體中的費米能級為一常數(shù)。得半導體中的費米能級為一常數(shù)。 p型襯底型襯底MOS電容器的能帶圖電容器的能帶圖 (a)加負柵壓加負柵壓5.1.1雙端雙端M

7、OS結構結構 能帶圖MOS結構的物理性質可以借助簡單的平行板電容器加以解釋結構的物理性質可以借助簡單的平行板電容器加以解釋多子耗盡：多子耗盡：1）表面能帶向下彎曲，表明存在一個類似于）表面能帶向下彎曲，表明存在一個類似于pn結中的結中的空間電荷區(qū)。導帶和本征費米能級均向費米能級靠近，空間電荷區(qū)。導帶和本征費米能級均向費米能級靠近，產(chǎn)生的空間電荷區(qū)寬度為產(chǎn)生的空間電荷區(qū)寬度為xd；2 2）表面上的多子濃度比體內(nèi)少得多，基本上耗盡，表）表面上的多子濃度比體內(nèi)少得多，基本上耗盡，表面帶負電。面帶負電。 p型襯底型襯底MOS電容器的能帶圖電容器的能帶圖 (b)加小正柵壓加小正柵壓5.1.1雙端雙端MO

8、S結構結構 能帶圖少子反型：少子反型：1）EFi與與EF在表面處相交（此處為本征型），表面處本在表面處相交（此處為本征型），表面處本征費米能級低于費米能級，導帶比價帶更接近費米能級；征費米能級低于費米能級，導帶比價帶更接近費米能級；2 2）表面區(qū)的少子數(shù)）表面區(qū)的少子數(shù) 多子數(shù)多子數(shù)表面反型；表面反型；3 3）反型層和半導體內(nèi)部之間還夾著一層耗盡層。）反型層和半導體內(nèi)部之間還夾著一層耗盡層。 p型襯底型襯底MOS電容器的能帶圖電容器的能帶圖 (c)加大正柵壓加大正柵壓5.1.1雙端雙端MOS結構結構 能帶圖p型襯底型襯底MOS電容器的能帶圖電容器的能帶圖5.1.1雙端雙端MOS結構結構 能帶圖

9、金屬板加金屬板加負電壓負電壓時，氧化物時，氧化物-半導體半導體界面處存在空穴堆積界面處存在空穴堆積柵極加柵極加正電壓正電壓時，導帶和本征費米能級時，導帶和本征費米能級均向費米能級靠近，產(chǎn)生空間電荷區(qū)均向費米能級靠近，產(chǎn)生空間電荷區(qū)金屬板加金屬板加更大正電壓更大正電壓時，空間電荷區(qū)更大。表面處的本征費米能級低于費時，空間電荷區(qū)更大。表面處的本征費米能級低于費米能級，從而，導帶比價帶更接近費米能級。半導體表面從米能級，從而，導帶比價帶更接近費米能級。半導體表面從p型轉化成型轉化成n型，產(chǎn)生氧化物型，產(chǎn)生氧化物-半導體界面處的半導體界面處的電子反型層電子反型層。n型襯底型襯底MOS電容器的能帶圖電容

10、器的能帶圖 (a)加正柵壓加正柵壓 (b)加小負柵壓加小負柵壓 (c)加大負柵壓加大負柵壓金屬板加金屬板加正電壓正電壓時，氧化物時，氧化物-半導體半導體界面處存在電子堆積界面處存在電子堆積柵極加柵極加負電壓負電壓時，導帶和價帶均時，導帶和價帶均向上彎曲，產(chǎn)生空間電荷區(qū)向上彎曲，產(chǎn)生空間電荷區(qū)金屬板加金屬板加更大負電壓更大負電壓時，導帶和價帶的彎曲更顯著，本征費米能級移到費時，導帶和價帶的彎曲更顯著，本征費米能級移到費米能級上方，以至于價帶比導帶更接近費米能級。半導體表面從米能級上方，以至于價帶比導帶更接近費米能級。半導體表面從n型轉化型轉化成成p型，產(chǎn)生氧化物型，產(chǎn)生氧化物-半導體界面處的半導

11、體界面處的空穴反型層空穴反型層。5.1.1雙端雙端MOS結構結構 空間電荷區(qū)厚度費米勢費米勢表面勢表面勢表面空間電表面空間電荷區(qū)厚度荷區(qū)厚度s半導體表面電勢半導體表面電勢與體內(nèi)電勢之差與體內(nèi)電勢之差半導體體內(nèi)費米能半導體體內(nèi)費米能級與禁帶中心能級級與禁帶中心能級之差的電勢表示之差的電勢表示采用單邊突變結采用單邊突變結的耗盡層近似的耗盡層近似P型襯底型襯底15p型襯底半導體空間電荷區(qū)示意圖型襯底半導體空間電荷區(qū)示意圖fp 閾值反型點閾值反型點條件：表面處的電子濃度條件：表面處的電子濃度=體內(nèi)的空穴濃度體內(nèi)的空穴濃度表面空間電表面空間電荷區(qū)厚度荷區(qū)厚度P型襯底型襯底表面電子濃度：表面電子濃度：ex

12、p()FFiiEEnnkTexp()sfpieenkT體內(nèi)空穴濃度：體內(nèi)空穴濃度：exp()FiFiEEpnkTexp()fpienkT2sfp柵電壓柵電壓=閾值電壓閾值電壓表面空間電荷區(qū)表面空間電荷區(qū)厚度達到最大值厚度達到最大值165.1.1雙端雙端MOS結構結構 空間電荷區(qū)厚度空間電荷區(qū)厚度P型半導體在閾值反型點時的能帶圖型半導體在閾值反型點時的能帶圖閾值反型點條件：閾值反型點條件：表面勢表面勢=費米勢的費米勢的2倍，表面處的空穴濃度倍，表面處的空穴濃度=體內(nèi)的電子濃度，柵電壓體內(nèi)的電子濃度，柵電壓=閾值電壓閾值電壓表面空間電表面空間電荷區(qū)厚度荷區(qū)厚度表面勢表面勢17實際器件實際器件參數(shù)區(qū)

13、間參數(shù)區(qū)間185.1.1雙端雙端MOS結構結構 空間電荷區(qū)厚度T=300k時時xdt和摻雜濃度的函數(shù)關系和摻雜濃度的函數(shù)關系大部分的實際摻雜在大部分的實際摻雜在10151017之間，所以對應的表面之間，所以對應的表面空間電荷區(qū)寬度在空間電荷區(qū)寬度在0.11um之間。之間。5.1.1雙端雙端MOS結構結構 功函數(shù)差金屬的金屬的功函數(shù)功函數(shù)金屬的費米能級金屬的費米能級二氧化硅的二氧化硅的禁帶寬度禁帶寬度二氧化硅的電子親和能二氧化硅的電子親和能硅的電子親和能硅的電子親和能02gsFsfpEWEEee)2eE(eWWfpgmsmms （電電勢勢表表示示）金金屬屬與與半半導導體體功功函函數(shù)數(shù)差差0mFm

14、mWEEe金屬的功函數(shù)半導體的功函數(shù)絕緣體不允許電荷在金屬和半導體之絕緣體不允許電荷在金屬和半導體之間進行交換間進行交換19零偏壓下完整的金屬氧化物半導體結構的能帶圖（接觸之前）零偏壓下完整的金屬氧化物半導體結構的能帶圖（接觸之前） 零柵壓下氧化物零柵壓下氧化物二側的電勢差二側的電勢差修正的金修正的金屬功函數(shù)屬功函數(shù)零柵壓下半導零柵壓下半導體的表面勢體的表面勢修正的硅的修正的硅的電子親和能電子親和能二氧化硅的二氧化硅的電子親和能電子親和能20零偏壓下完整的金屬氧化物半導體結構的能帶圖零偏壓下完整的金屬氧化物半導體結構的能帶圖（接觸之后）（接觸之后） 00 ()2()gmsmfpoxSEeV V

15、83. 0)cm10,K300(V228. 0:SiSiOAleV11. 1:SiV25. 3:SiOSiV20. 3:SiOAlms314222afpgmNTE00bioxSVV 內(nèi)建電勢差：內(nèi)建電勢差：ms功函數(shù)差功函數(shù)差215.1.1雙端雙端MOS結構結構 功函數(shù)差: 計算公式 功函數(shù)差:n摻雜多晶硅柵(P-Si)0MOSFET為增強型為增強型VG=0時未反型，加時未反型，加有正柵壓時才反型有正柵壓時才反型VTN 2fp345.1 MOS場效應晶體管基礎場效應晶體管基礎n5.1.1雙端結構雙端結構n5.1.2電容電壓特性電容電壓特性n5.1.3基本工作原理基本工作原理n5.1.4頻率限制

16、特性頻率限制特性n5.1.5技術技術n5.1.6小結小結5.1.2節(jié)內(nèi)容節(jié)內(nèi)容36理想情況理想情況CV特性特性頻率特性頻率特性氧化層電荷及界面態(tài)的影響氧化層電荷及界面態(tài)的影響實例實例5.1.2 C-V特性特性 什么是C-V特性？)(VfdVdQC平帶平帶電容電容-電壓特性電壓特性37MOS電容結構是電容結構是MOSFET的核心。的核心。MOS器件和柵氧化層半導體界面處的大量信器件和柵氧化層半導體界面處的大量信息可以從器件的電容電壓的關系即息可以從器件的電容電壓的關系即CV特性曲線中得到特性曲線中得到.MOS電容有三種工作狀態(tài)：電容有三種工作狀態(tài)：即堆積、耗盡和反型。即堆積、耗盡和反型。堆積狀態(tài)

17、加負柵壓，堆積層電荷能夠跟加負柵壓，堆積層電荷能夠跟得上柵壓的變化，相當于柵介得上柵壓的變化，相當于柵介質平板電容質平板電容oxoxoxtCC)acc( 38MOSMOS電容器在堆積模式時的能帶圖電容器在堆積模式時的能帶圖 堆積模式下當柵壓微變時的堆積模式下當柵壓微變時的微分電荷分布微分電荷分布柵氧化層柵氧化層- -半導體界半導體界面產(chǎn)生空穴堆積層面產(chǎn)生空穴堆積層 一個小的電壓微分改變一個小的電壓微分改變量將導致金屬柵和空穴量將導致金屬柵和空穴堆積電荷的微分變量發(fā)堆積電荷的微分變量發(fā)生變化生變化 平帶狀態(tài)所加負柵壓正好等于平帶電壓所加負柵壓正好等于平帶電壓VFB，使半導體表面能帶無彎曲，使半導

18、體表面能帶無彎曲asoxoxoxoxFBeNekTttC平帶平帶本征本征39平帶電容是柵氧化層厚度平帶電容是柵氧化層厚度和摻雜濃度的函數(shù)。和摻雜濃度的函數(shù)。耗盡狀態(tài)加小的正柵壓，表面耗盡層電荷隨柵加小的正柵壓，表面耗盡層電荷隨柵壓的變化而變化，出現(xiàn)耗盡層電容壓的變化而變化，出現(xiàn)耗盡層電容C相當與相當與Cox與與Csd串聯(lián)串聯(lián)min(dep)oxoxoxoxdTCttx)dep( CxVdG40MOSMOS電容器在耗盡模式時的能帶圖電容器在耗盡模式時的能帶圖 耗盡模式下當柵壓微變時的微分耗盡模式下當柵壓微變時的微分電荷分布電荷分布當達到最大耗盡寬度且反當達到最大耗盡寬度且反型層電荷密度為零時為閾

19、型層電荷密度為零時為閾值反型點，此時得到最小值反型點，此時得到最小電容：電容：強反型狀態(tài)(低頻)加大的正柵壓且柵壓變化較慢，加大的正柵壓且柵壓變化較慢，反型層電荷跟得上柵壓的變化反型層電荷跟得上柵壓的變化平帶平帶本征本征oxoxoxtCC)inv( 415.1.2 C-V特性特性 n型與p型的比較p型襯底型襯底MOS結構結構Cox為理想為理想MOS電電容器的靜電容。容器的靜電容。n型襯底型襯底MOS結構結構42p型襯底型襯底MOS結構結構OXOXOXtCDsOXOXOXFBLtCathsDeNVLOXCFBCFBV0TVminCOXCCSDC堆積堆積耗盡耗盡中反型中反型強反型強反型dTsOXO

20、XOXxtCminapfsdTeNx4GV低頻低頻高頻高頻平帶平帶理想理想 C-V特性特性OXOXOXtCDsOXOXOXFBLtCdthsDeNVLOXCFBCFBV0TVminCOXCCSDC堆積堆積中反型中反型強反型強反型dTsOXOXOXxtCmindnfsdTeNx4耗盡耗盡GV低頻低頻高頻高頻n型襯底型襯底MOS結構結構平帶平帶頻率特性頻率特性理想情況下電容電壓的微小變化能夠引起反型層理想情況下電容電壓的微小變化能夠引起反型層電荷密度的變化。實際中必須考慮電荷密度的變化。實際中必須考慮導致反型層電導致反型層電荷密度變化的電子來源荷密度變化的電子來源。來自通過空間電荷區(qū)的來自通過空間

21、電荷區(qū)的p型襯底中少子電子的擴散。型襯底中少子電子的擴散?？臻g電荷區(qū)中由熱運動形成的電子空間電荷區(qū)中由熱運動形成的電子-空穴對?？昭▽ΑＨ绻绻鸐OS電容的交流電壓很快地變化，反型層中電容的交流電壓很快地變化，反型層中電荷的變化將不會有響應。因此電荷的變化將不會有響應。因此C-V特性用來測特性用來測量電容的交流頻率信號。量電容的交流頻率信號。反型狀態(tài)反型狀態(tài)( (高頻高頻) )dToxoxoxoxxttCCmin)dep( )inv( 加較大的正柵壓，使反型層電荷出現(xiàn)，但柵壓變化較快，加較大的正柵壓，使反型層電荷出現(xiàn)，但柵壓變化較快，反型反型層電荷跟不上柵壓的變化層電荷跟不上柵壓的變化，只有耗

22、盡層電容對，只有耗盡層電容對C有貢獻。此時，有貢獻。此時，耗盡層寬度乃至耗盡層電容基本不隨柵壓變化而變化耗盡層寬度乃至耗盡層電容基本不隨柵壓變化而變化。高頻時，反型層電荷不會響應電容電壓的微小改變。高頻時，反型層電荷不會響應電容電壓的微小改變。當信號頻率很高時，只有金屬和空間電荷區(qū)中的電荷發(fā)生變化。當信號頻率很高時，只有金屬和空間電荷區(qū)中的電荷發(fā)生變化。MOS電容器的電容就是電容器的電容就是C minMHz1fHz1005f柵壓頻率的影響柵壓頻率的影響46小節(jié)內(nèi)容47理想情況理想情況CV特性特性CV特性概念特性概念堆積平帶耗盡反型下的概念堆積平帶耗盡反型下的概念堆積平帶耗盡反型下的計算堆積平帶

23、耗盡反型下的計算頻率特性頻率特性高低頻情況圖形及解釋高低頻情況圖形及解釋固定柵氧化層電荷和界面電荷效應固定柵氧化層電荷和界面電荷效應曲線左移，反之右移VCVQFBss例圖例圖:如果如果Qss均為正電荷均為正電荷,需要額外犧牲負電需要額外犧牲負電荷來中和界面的正電荷來中和界面的正電,所以平帶電壓更負所以平帶電壓更負- - - - - + ssFBmsoxQVC平 帶 電 壓48前面所講均針對理想前面所講均針對理想C-V特性，假設氧化層不含固定的柵氧特性，假設氧化層不含固定的柵氧化層電荷或氧化層化層電荷或氧化層-半導體界面電荷。這兩種電荷都會改變半導體界面電荷。這兩種電荷都會改變C-V特性曲線。特

24、性曲線。被電子占據(jù)（在被電子占據(jù)（在EFi之下）帶負電，之下）帶負電，不被電子占據(jù)（在不被電子占據(jù)（在EFi之上）為中性之上）為中性被電子占據(jù)（在被電子占據(jù)（在EFi之下）為中性，不之下）為中性，不被電子占據(jù)（在被電子占據(jù)（在EFi之上）帶正電之上）帶正電（界面陷阱）（界面陷阱）受主態(tài)容易接受電子受主態(tài)容易接受電子帶負電帶負電正常情況熱平衡不帶正常情況熱平衡不帶電電施主態(tài)容易放出電子施主態(tài)容易放出電子帶正電帶正電氧化層界面處半導體能帶示意圖氧化層界面處半導體能帶示意圖49界面態(tài)：半導體界面處界面態(tài)：半導體界面處允許的能態(tài)允許的能態(tài)通常，受主態(tài)存在于能帶的上半部分，而施主態(tài)存在于能帶的下通常，受

25、主態(tài)存在于能帶的上半部分，而施主態(tài)存在于能帶的下半部分。若費米能級低于受主態(tài)，那么受主態(tài)是中性的，一旦費半部分。若費米能級低于受主態(tài)，那么受主態(tài)是中性的，一旦費米能級位于其上時它將是負電性的。若費米能級高于施主態(tài)，那米能級位于其上時它將是負電性的。若費米能級高于施主態(tài)，那么施主態(tài)是中性的，一旦費米能級位于其下時它將是正電性的。么施主態(tài)是中性的，一旦費米能級位于其下時它將是正電性的。因此界面電荷是因此界面電荷是MOS電容器柵壓的函數(shù)。電容器柵壓的函數(shù)。 界面陷阱的影響界面陷阱的影響: : 堆積狀態(tài)堆積狀態(tài)堆積狀態(tài)：界面陷阱帶堆積狀態(tài)：界面陷阱帶正電，正電，C-V曲線左移，曲線左移，平帶電壓更負平

26、帶電壓更負例圖例圖:需要額外犧牲三個負電荷來中需要額外犧牲三個負電荷來中和界面態(tài)的正電和界面態(tài)的正電,所以平帶電壓更負所以平帶電壓更負- - - - - -+ 施主態(tài)容易放出電子帶正電施主態(tài)容易放出電子帶正電50堆積模式時堆積模式時p型襯底型襯底MOS電容能帶圖電容能帶圖禁帶中央：界面陷阱不帶禁帶中央：界面陷阱不帶電，對電，對C-V曲線無影響曲線無影響界面陷阱的影響界面陷阱的影響: : 本征狀態(tài)本征狀態(tài)51界面處費米能級和本征費米能級重合；所有的界面態(tài)界面處費米能級和本征費米能級重合；所有的界面態(tài)為中性，這種特定的偏置情況稱為禁帶中央。為中性，這種特定的偏置情況稱為禁帶中央。反型狀態(tài)：界面陷阱

27、帶反型狀態(tài)：界面陷阱帶負電，負電，C-V曲線右移，曲線右移，閾值電壓更正。閾值電壓更正。界面陷阱的影響界面陷阱的影響: : 反型狀態(tài)反型狀態(tài)例圖例圖:需要額外犧牲三個正電荷來中需要額外犧牲三個正電荷來中和界面態(tài)的負電和界面態(tài)的負電,所以閾值電壓升高所以閾值電壓升高_ _ _ +受主態(tài)容易接受電子帶負電受主態(tài)容易接受電子帶負電5253C-V測量方法測量方法可作為半導體器件過程控制的判別工具?？勺鳛榘雽w器件過程控制的判別工具。對于給定的對于給定的MOS器件，理想器件，理想C-V曲線能夠確定下來，曲線能夠確定下來，平移量大小能夠確定出界面態(tài)密度。平移量大小能夠確定出界面態(tài)密度。高頻高頻C-V特性測

28、量裝置示意圖特性測量裝置示意圖小節(jié)內(nèi)容小節(jié)內(nèi)容54氧化層電荷及界面態(tài)對氧化層電荷及界面態(tài)對C-V曲線的影響曲線的影響氧化層電荷影響及曲線氧化層電荷影響及曲線界面態(tài)概念界面態(tài)概念界面態(tài)影響概念曲線界面態(tài)影響概念曲線實例實例如何測如何測C-V曲線曲線如何看圖解釋出現(xiàn)的現(xiàn)象如何看圖解釋出現(xiàn)的現(xiàn)象5.1 MOS場效應晶體管基礎場效應晶體管基礎n5.1.1雙端結構雙端結構n5.1.2電容電壓特性電容電壓特性n5.1.3基本工作原理基本工作原理n5.1.4頻率限制特性頻率限制特性n5.1.5技術技術n5.1.6小結小結5.1.3 MOSFET基本工作原理基本工作原理56MOSFET結構結構電流電流-電壓關

29、系電壓關系概念概念電流電流-電壓關系電壓關系推導推導跨導跨導襯底偏置效應襯底偏置效應MOS場效應晶體管的電流，是場效應晶體管的電流，是電荷在反型層或者電荷在反型層或者與氧化層半導體界面相鄰的溝道區(qū)中流動與氧化層半導體界面相鄰的溝道區(qū)中流動形成。形成。前面討論了增強型前面討論了增強型MOS電容中反型層電荷的形成電容中反型層電荷的形成機理。還可以制造出耗盡型的器件，這種器件在零機理。還可以制造出耗盡型的器件，這種器件在零柵壓時溝道就已經(jīng)存在了。柵壓時溝道就已經(jīng)存在了。N 溝道增強型溝道增強型MOS 場效應管場效應管的結構示意圖的結構示意圖BPGN+N+氮氮氮氮SDSiO2Ltox結構結構 在一塊摻

30、雜濃度較低的在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底上，用光刻工型硅襯底上，用光刻工藝擴散兩個高摻雜的藝擴散兩個高摻雜的N型區(qū)，從型區(qū)，從N型區(qū)引出兩個型區(qū)引出兩個電極，一個是電極，一個是漏極漏極D，一個是，一個是源極源極S。57 然后在半導體表面覆蓋一然后在半導體表面覆蓋一層很薄的二氧化硅層很薄的二氧化硅(SiO2)絕緣層，在漏絕緣層，在漏源極間源極間的絕緣層上再裝上一個鋁的絕緣層上再裝上一個鋁電極電極,作為作為柵極柵極G。 在在p型半導體型半導體襯底襯底上也引出上也引出一個一個電極電極B，這就構成了一，這就構成了一個個N溝道增強型溝道增強型MOS管。管。溝道長度溝道長度 L(跟工藝水平有關跟工藝水平

31、有關)溝道寬度溝道寬度 W柵氧化層厚度柵氧化層厚度 tox2.基本基本參數(shù)參數(shù)MOSFET結構結構SGDB3. 符號符號源極源極 Source漏極漏極 Drain柵極柵極 Gate三極管就是一條電流的通道，有一三極管就是一條電流的通道，有一個電極控制電流的通與斷，在這條個電極控制電流的通與斷，在這條通道上，通道上，電流出發(fā)的一端叫做源極電流出發(fā)的一端叫做源極，而而電流到達的一端叫做漏極電流到達的一端叫做漏極，控制控制電流通斷的電極叫做柵極電流通斷的電極叫做柵極。結型場管腳識別結型場管腳識別場效應管的柵極相當于晶體管的基極，源極和漏極分別場效應管的柵極相當于晶體管的基極，源極和漏極分別對應于晶體

32、管的發(fā)射極和集電極。將萬用表置于對應于晶體管的發(fā)射極和集電極。將萬用表置于R1k檔，檔，用兩表筆分別測量每兩個管腳間的正、反向電阻。當某兩個用兩表筆分別測量每兩個管腳間的正、反向電阻。當某兩個管腳間的正、反向電阻相等，均為數(shù)管腳間的正、反向電阻相等，均為數(shù)K時，則這兩個管腳為時，則這兩個管腳為漏極漏極D和源極和源極S（可互換），余下的一個管腳即為柵極（可互換），余下的一個管腳即為柵極G。對。對于有于有4個管腳的結型場效應管，另外一極是屏蔽極（使用中接個管腳的結型場效應管，另外一極是屏蔽極（使用中接地）。地）。 MOSFET分類(1)n溝道溝道MOSFETp型襯底，型襯底，n型溝道，電子導電型溝

33、道，電子導電VDS0，使電子從源流到漏，使電子從源流到漏p溝道溝道MOSFETn型襯底，型襯底，p型溝道，空穴導電型溝道，空穴導電VDS0，使空穴從源流到漏，使空穴從源流到漏按照導電類型的不同可分為：按照導電類型的不同可分為：60MOSFET分類(2)n溝道溝道增強型增強型MOSFETn溝道溝道耗盡型耗盡型MOSFET零柵壓時已存在反型溝道，零柵壓時已存在反型溝道，VTN0按照零柵壓時有無導電溝道可分為：按照零柵壓時有無導電溝道可分為：61基本上是一種左右對稱的拓撲結基本上是一種左右對稱的拓撲結構，它是在構，它是在P型半導體上生成一層型半導體上生成一層SiO2 薄膜絕緣層，然后用光刻工薄膜絕緣

34、層，然后用光刻工藝擴散兩個高摻雜的藝擴散兩個高摻雜的N型區(qū)，從型區(qū)，從N型區(qū)引出電極。型區(qū)引出電極。MOSFET分類(3)p溝道溝道增強型增強型MOSFET零柵壓時不存在反型溝道，零柵壓時不存在反型溝道，VTP062p溝道溝道耗盡型耗盡型MOSFET增強型：柵壓為增強型：柵壓為0時不導通時不導通N溝（正電壓開啟溝（正電壓開啟 “1”導通）導通）P溝（負電壓開啟溝（負電壓開啟 “0”導通）導通）63耗盡型：柵壓為耗盡型：柵壓為0時已經(jīng)導通時已經(jīng)導通N溝（很負才關閉）溝（很負才關閉）P溝（很正才關閉）溝（很正才關閉）5.1.3.2 N 溝道增強型溝道增強型 MOS 場效應管工作原理場效應管工作原理

35、1.柵源電壓柵源電壓VGS對半導體表面空間電荷區(qū)狀態(tài)的影響對半導體表面空間電荷區(qū)狀態(tài)的影響( (1) ) VGS = 0 漏源之間相當于兩個背靠漏源之間相當于兩個背靠背的背的 PN 結，無論漏源之間加何結，無論漏源之間加何種極性電壓，種極性電壓，總是不導電總是不導電。SBD 當當VGS 逐漸增大時，柵逐漸增大時，柵氧化層下方的半導體表面氧化層下方的半導體表面會發(fā)生什么變化？會發(fā)生什么變化？BPGSiO2SDN+N+64( (2) ) VGS 00逐漸增大逐漸增大 柵氧化層中的場強越來越大，柵氧化層中的場強越來越大，它們排斥它們排斥P型襯底靠近型襯底靠近 SiO2 一側一側的空穴，的空穴，形成由

36、負離子組成的耗形成由負離子組成的耗盡層。盡層。增大增大 VGS 耗盡層變寬。耗盡層變寬。 當當VGS繼續(xù)升高時繼續(xù)升高時, 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VDS的作用下，的作用下，ID將進一步增加將進一步增加。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型襯底的電子，型襯底的電子，會在耗盡層和會在耗盡層和 SiO2 之間形成可移動的表面電荷層之間形成可移動的表面電荷層 反型層、反型層、N 型導型導電溝道電溝道。這時，在這時，在VDS的作用下就會形成的作用下就會形成ID。( (3) ) VGS

37、繼續(xù)增大繼續(xù)增大 弱反型弱反型 強反型強反型VDS65 閾值電壓：使半導體表面達到強反型時所需加的柵閾值電壓：使半導體表面達到強反型時所需加的柵源電壓。用源電壓。用VT表示。表示。閾值電壓閾值電壓MOS場效應管利用場效應管利用VGS來控制半導體表面來控制半導體表面“感應電感應電荷荷”的多少，來改變溝道電阻，從而控制漏極電流的多少，來改變溝道電阻，從而控制漏極電流 ID。 MOSFET是一種電壓控制型器件。是一種電壓控制型器件。 MOSFET能夠工作的能夠工作的關鍵關鍵是半導體是半導體 表面表面必須必須有導電溝道有導電溝道，而只有表面達到強反型時才會有溝道，而只有表面達到強反型時才會有溝道形成。

38、形成。 662. VDS對導電溝道的影響對導電溝道的影響(VGSVT)c.VDS=VGSVT，即即VGD=VT：靠近漏極溝道達到臨界開啟程度，靠近漏極溝道達到臨界開啟程度，出現(xiàn)預夾斷。出現(xiàn)預夾斷。VDS=VDSatb.0VDSVT:導電溝道呈現(xiàn)一個楔形?？拷鼘щ姕系莱尸F(xiàn)一個楔形?？拷┒说膶щ姕系罍p薄。漏端的導電溝道減薄。 VDS 0，但值較小時：，但值較小時：VDS對溝道影響可忽略，溝對溝道影響可忽略，溝道厚度均勻道厚度均勻VDSVGSBPGN+N+SDd.VDSVGSVT，即即VGDVT：夾斷區(qū)發(fā)生擴展，夾斷點向源端移動夾斷區(qū)發(fā)生擴展，夾斷點向源端移動VGD=VGSVDSVGSEL 673

39、 . N 溝道增強型溝道增強型 MOS 場效應管的特性曲線場效應管的特性曲線1 1）輸出特性曲線）輸出特性曲線( (假設假設VGS=5V) ) 輸出特性曲線輸出特性曲線非非飽飽和和區(qū)區(qū)BVDS ID/mAVDS /VOVGS=5VVGS=4VVGS=3VVDS（Sat ）過過渡渡區(qū)區(qū)線線性性區(qū)區(qū)(d)(d)VDS:VGDVTBPN+N+VDSVGSGSDLVTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVGD(c)V(c)VDS:VGD=VTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVT( (a) )VDS很小很小VGSBPGN+N+SDVDSVGSVGDVGS ID=IDSat68漏端產(chǎn)生零反型層電荷密度

40、的漏端產(chǎn)生零反型層電荷密度的漏源電壓漏源電壓VDS（Sat ）=VGS-VTVT VGS /VID /mAO2 2）轉移特性曲線）轉移特性曲線( (假設假設VDS=5V) ) a. VGS VT 器件內(nèi)存在導電溝道，器件內(nèi)存在導電溝道，器件處于器件處于導通導通狀態(tài)，有輸狀態(tài)，有輸出電流。且出電流。且VGS越大，溝越大，溝道導電能力越強，輸出道導電能力越強，輸出電流越大電流越大 轉移特性曲線轉移特性曲線693. N 溝道耗盡型溝道耗盡型 MOS 場效應管場效應管BPGN+N+SDSiO2+ + + + + + 1） N溝道溝道耗盡型耗盡型MOS場效應管結構場效應管結構1、 結構結構2、 符號符號

41、SGDB70ID/mAVGS /VOVP(b)(b)轉移特性轉移特性IDSS(a)(a)輸出輸出特性特性ID/mAVDS /VO+1VVGS=0 3 V 1 V 2 V432151015 202）基本工作原理）基本工作原理a. 當當VGS=0時，時，VDS加正向電壓，加正向電壓，產(chǎn)生漏極電流產(chǎn)生漏極電流ID,此時的漏極電流此時的漏極電流稱為稱為漏極飽和電流漏極飽和電流，用，用IDSS表示表示b. 當當VGS0時，時，ID進一步增加進一步增加。c. 當當VGS0時，隨著時，隨著VGS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ID=0。對應對應ID=0的的VGS稱為夾斷電壓，稱為夾斷

42、電壓，用符號用符號VP表示。表示。71作原理種種 類類符號符號轉移特性曲線轉移特性曲線輸出特性曲線輸出特性曲線 增強型增強型耗盡型耗盡型PMOS增強型增強型耗盡型耗盡型IDSGDBSGDBIDSGDBIDSGDBIDVGSIDOVTIDVGSVPIDSSOVDSID_VGS=0+_OIDVGSVTOIDVGSVPIDSSO_ _IDVGS=VTVDS_ _o o_ _+VDSID+OVGS=VTIDVGS= 0V _ _VDSo o 7273小小 結結 按照導電類型分按照導電類型分MOSMOS管分為管分為NMOSNMOS和和PMOSPMOS。按照零柵壓時有無溝道又分為按照零柵壓時有無溝道又分為

43、增強型和耗盡型增強型和耗盡型兩種形式。兩種形式。 NMOSNMOS和和PMOSPMOS結構十分相似，只是兩者的結構十分相似，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)) 轉移特性曲線轉移特性曲線(表征了表征了VGS對對ID的的控制控制能力能力) 工作原理：工作原理：VGS ：耗盡耗盡 弱反型弱反型 強反型強反型 VDS ：減薄減薄 夾斷夾斷 擴展擴展 耗盡型器件形成的原因，其基本特性與增強型器件之間的不耗盡型器件形成的原因，其基本特性與增強型器件之間的不同點。同點。定性分析

44、定性分析電流電壓關系電流電壓關系數(shù)學推演數(shù)學推演*分析前，做如下基本假設：溝道中的電流是由漂移而非擴散產(chǎn)生的（長溝器件）溝道中的電流是由漂移而非擴散產(chǎn)生的（長溝器件）柵氧化層中無電流柵氧化層中無電流緩變溝道近似，即垂直于溝道方向上緩變溝道近似，即垂直于溝道方向上 的電場變化遠大于平行于溝道方向上的電場變化遠大于平行于溝道方向上 的電場變化的電場變化 (近似認為方向為常數(shù)近似認為方向為常數(shù))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-SiO2界面處的有效電荷密度界面處的有效電荷密度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 個常數(shù)個常數(shù)溝道中的載流子遷移率與空間溝道

45、中的載流子遷移率與空間 坐標無關坐標無關襯底與源極之間的電壓為零襯底與源極之間的電壓為零xEyExy74xxE)(EnxyenJ電流密度電流密度:(漂移電流漂移電流密度為密度為)I-V特性:溝道電流X方向的電流強度：方向的電流強度：x0000( )EccWxWxxxnIJ dydzen ydydz 0( )cxnQen y dy WWdz0 xEnnWQ 反型層中平行于溝道方向的電場：反型層中平行于溝道方向的電場：dxdVxxExxnndVIWQdx75I-V特性: 電中性條件0(max)SDnssmQQQQ76利用電荷中和概念，有：利用電荷中和概念，有：高斯高斯定理定理123456n1122

46、33445566EEEEEEESSSSSSSdSdSdSdSdSdSdS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沿閉合表面向外法線方向的電場強度線方向的電場強度該閉合表面該閉合表面所包圍區(qū)域所包圍區(qū)域的總電荷量的總電荷量(max)oxESDnssoxQQQI-V特性: 表面電荷444oxEEoxSdSWdx dxW24315677fpe2msfpoxxGSVVV2 FpFmEE ()22gmsmfpsfpEeI-V特性: 氧化層電勢

47、()GSxe VV( ) ( )2gmoxsfpEeVe78考慮勢壘高度考慮勢壘高度I-V特性:反型層電荷與電場ox(max)(max)EoxssnSDssnSDQQQQQQoxEoxoxVtmsfpoxxGSVVV2氧化層電勢氧化層電勢(max)2oxnSDssGSxfpmsoxQQQVVt 半導體表面空間電荷半導體表面空間電荷區(qū)的單位面積電荷區(qū)的單位面積電荷氧化層中垂直于溝氧化層中垂直于溝道方向的電場道方向的電場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

48、不應是不應是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 ，當當 79I-V特性: 線性區(qū)與飽和區(qū)，處處于于飽飽和和區(qū)區(qū)若若無無關關與與TGSDSDSTGSoxnsatDVVVVVVLCWI 2)()(2 ，處于線性區(qū)，處于線性區(qū)若若TGSDSDSDSTGSoxnDVVVVVVVLCWI )( 0)( satDSDSVVDSDVITGSsatDSVVV )()(222DSDSTGSoxnDVVVVLCWI 80遷移率和閾值電壓VT的測試提取方法DSTGSoxnDV

49、VVLCWI)( 特性特性基于線性區(qū)基于線性區(qū)GSDVITnDSoxnVLVCW 橫軸截距橫軸截距斜率斜率 特性特性基于飽和區(qū)基于飽和區(qū)SDVIGTnoxnVLCW 橫軸截距橫軸截距斜率斜率 2)(2)(TGSoxnsatDVVLCWI 高場下遷高場下遷移率隨電移率隨電場上升而場上升而下降下降存在亞閾存在亞閾值電流值電流n溝耗溝耗盡型盡型n溝增溝增強型強型81p溝增強型MOSFET的I-V特性)(222SDSDTSGoxpDVVVVLCWI 非非飽飽和和區(qū)區(qū)DSTSGoxpDVVVLCWI)( 線性區(qū)線性區(qū)2()()2poxD satSGTSD satSGTWCIVVLVVV（飽和區(qū)注：注：V

50、ds=-Vsd Vgs=-Vsg,等等82只要將只要將n溝道公式中的溝道公式中的VDS、VGS、VT換成換成VGD、VSG、-VT，即可得，即可得到到p溝道的公式。注意溝道的公式。注意p溝增強型溝增強型VT0，而，而p溝耗盡型溝耗盡型VT0,即即Vb更負（這樣才反偏）更負（這樣才反偏）在溝道源端感應出在溝道源端感應出來的電子全跑掉了來的電子全跑掉了85N溝溝MOSFET所加電壓示意圖所加電壓示意圖襯底偏置效應(2)能帶圖襯底偏壓襯底偏壓表面準費米能級表面準費米能級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：0SBV0SBV86襯底偏置效應(3)：

51、現(xiàn)象87反型層電子勢能比源端電子勢能高反型層電子勢能比源端電子勢能高電子更容易從反型電子更容易從反型層流到源區(qū)層流到源區(qū)達到反型所需的電子濃度需更高的柵壓；達到反型所需的電子濃度需更高的柵壓；反型層反型層- -襯底之間的電勢差更大襯底之間的電勢差更大表面耗盡層更寬、電荷表面耗盡層更寬、電荷更多更多同樣柵壓下反型層電荷更少；同樣柵壓下反型層電荷更少；表面費米能級更低表面費米能級更低要達到強反型條件需要更大的表面要達到強反型條件需要更大的表面勢。勢。襯底偏置效應(4)：閾值電壓負的耗盡層負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VSB越大，越大，VT越大越大體效

52、應系數(shù)體效應系數(shù)88當當VSb0時，空間電荷密度的變化量為：時，空間電荷密度的變化量為：為了能夠達到閾值條件，所加柵壓必須增大，閾值電壓改變量為：為了能夠達到閾值條件，所加柵壓必須增大，閾值電壓改變量為：小節(jié)內(nèi)容小節(jié)內(nèi)容89襯底偏置效應襯底偏置效應P阱更負，阱更負，n管閾值上升管閾值上升N襯底更正，襯底更正，p管閾值更負管閾值更負此種類型偏置經(jīng)常做模擬用途。此種類型偏置經(jīng)常做模擬用途。P351 例例3.11.10：計算由于源：計算由于源-襯底偏壓引起的襯底偏壓引起的閾值電壓的該變量。閾值電壓的該變量。T=300K，Na=31016cm-3，tox=500埃，埃，VSB=1VVT=0.66V5.

53、1 MOS場效應晶體管基礎場效應晶體管基礎n5.1.1雙端結構雙端結構n5.1.2電容電壓特性電容電壓特性n5.1.3基本工作原理基本工作原理n5.1.4頻率限制特性頻率限制特性n5.1.5技術技術n5.1.6小結小結在許多實際應用中，在許多實際應用中，MOSFET被用于線性放大電被用于線性放大電路。用路。用MOSFET的小信號等效電路可以從數(shù)學上的小信號等效電路可以從數(shù)學上對電子電路進行分析。對電子電路進行分析。等效電路包括產(chǎn)生頻率效應的電容和電阻。等效電路包括產(chǎn)生頻率效應的電容和電阻。小信號等效電路小信號等效電路限制限制MOSFET頻率響應的物理因素頻率響應的物理因素定義晶體管截止頻率并推

54、導出其表達式定義晶體管截止頻率并推導出其表達式。小信號等效電路MOSFETMOSFET的小信號等效電路可由基本的的小信號等效電路可由基本的MOSFETMOSFET結構示意結構示意圖推導出來。圖推導出來。源極串源極串聯(lián)電阻聯(lián)電阻柵源交柵源交疊電容疊電容漏極串漏極串聯(lián)電阻聯(lián)電阻柵漏交柵漏交疊電容疊電容漏漏-襯底襯底pn結電容結電容柵源電容柵源電容柵漏電容柵漏電容跨導跨導寄生參數(shù)寄生參數(shù)本征參數(shù)本征參數(shù)925.1.4 頻率限制特性 完整的小信號等效電路共源共源n溝溝MOSFET小信號等效電路小信號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的斜率有關93

55、簡化的小信號等效電路包含包含源電阻源電阻rs的簡化共的簡化共源源n溝溝MOSFET低頻小低頻小信號等效電路信號等效電路msmmmdgsmgssmmgsmdgsgssmsgsmgsgssgrgggIVgVrggVgIVVrgrVgVVr 11)1 ()(的的影影響響串聯(lián)電阻串聯(lián)電阻rd和和rs被忽略被忽略，只，只計計rds；輸入柵極阻抗無限大輸入柵極阻抗無限大94只計入本征參數(shù)只計入本征參數(shù)簡化的共源簡化的共源n溝溝MOSFET低頻小信號等效電路低頻小信號等效電路MOSFET頻率限制因素限制因素限制因素1：溝道載流子從源：溝道載流子從源到漏運動需要時間到漏運動需要時間710 cm/s; 1msa

56、tvLGHz1001ps10 ttsltfvL 截截止止頻頻率率溝溝道道渡渡越越時時間間溝道渡越時間通常不溝道渡越時間通常不是主要頻率限制因素是主要頻率限制因素對對Si MOSFET，飽和，飽和漂移速度漂移速度95負載電阻負載電阻 )(/I)(dgsdTgdgsmLdddgsTgdgsTgsiVVCjVgRVIVVCjVCjI 輸輸出出電電流流11mLigsTgdTgsLgdTg RIjCCVj R C)1(:LmTgdMRgCC 密勒電容密勒電容1TgdLCR通常輸入電流輸入電流輸出電流輸出電流忽略忽略rs，rd，rds，Cds后的共源后的共源n溝道溝道MOSFET等效小信號電路等效小信號電

57、路消去電壓變量消去電壓變量VD(1)gsTgdTmLgsjCCg RVgsTMgsjCCV96限制因素限制因素2：對柵電極或電容充電需要時間：對柵電極或電容充電需要時間輸入柵電極的各電流相加，得輸入柵電極的各電流相加，得密勒電容等效)1 (LmTgdMRgCC密勒電容只計入本征參數(shù)只計入本征參數(shù)器件飽和時，器件飽和時，Cgd=0，寄生電容成為影響輸寄生電容成為影響輸入阻抗的重要因素。入阻抗的重要因素。97密勒電容的作用是將跨越密勒電容的作用是將跨越輸入輸入-輸出端的電容等效到輸出端的電容等效到了輸入端。了輸入端。截止頻率推導igsTMgsdmgsIjCCVIg V輸入電流輸出電流12 ()2d

58、immmTIgsTMGIGgsTMgggffCCCCCC跨導截止頻率等效輸入柵極電容G0, (1)0 , ()gdMgdTmLgsTgsoxnoxmGSTCCCg RCCCC WLWCgVVLgdpgsp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時的頻率。時的頻率。22()2nnGSTTVVfLL遷移率溝道長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（100方向，工藝優(yōu)質）；縮短方向，工藝優(yōu)質）；縮短L；減小寄生電容；增大跨；減小寄生電容；增大跨導。12()dmigsTMIgIf CC電流增益985.1 MOS場效應晶體管基礎場效應晶

59、體管基礎n5.1.1雙端結構雙端結構n5.1.2電容電壓特性電容電壓特性n5.1.3基本工作原理基本工作原理n5.1.4頻率限制特性頻率限制特性n5.1.5技術技術n5.1.6小結小結5.1.5 CMOS技術 什么是CMOS？n溝溝MOSFETp溝溝MOSFET100CMOS（Complementary MOS，互補金屬氧化物半導體）互補金屬氧化物半導體）使使n溝溝MOSFET與與p溝溝MOSFET取長補短取長補短實現(xiàn)低功耗、全電平擺幅實現(xiàn)低功耗、全電平擺幅數(shù)字邏輯電路的首選工藝數(shù)字邏輯電路的首選工藝場氧（用作場氧（用作管間、互連管間、互連-襯底間隔離）襯底間隔離）柵氧（用柵氧（用作作MOS電

60、電容的介質）容的介質）通常接電路通常接電路最低電位最低電位通常接電路通常接電路最高電位最高電位CMOS工藝中：首先要工藝中：首先要有濃度很低的有濃度很低的n型硅襯底，型硅襯底，以容納以容納p溝溝MOSFET；再；再在形成的在形成的p型擴散區(qū)，即型擴散區(qū)，即所謂的所謂的p阱中生成阱中生成n溝溝MOSFET。（1 1）CMOSCMOS電路電路（2 2）器件結構）器件結構-V+V輸入輸入輸出輸出N型襯底型襯底輸出輸出P阱阱+V-V輸入輸入* *問題：閂鎖效應問題：閂鎖效應（四層（四層pnpnpnpn結結構中高電流、低電壓的情形）構中高電流、低電壓的情形）優(yōu)點：優(yōu)點：互補，一開一關；互補，一開一關；電