MOS場效應(yīng)晶體管

1.基本結(jié)構(gòu)上一章我們簡單提到了金屬—半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(即MESFET)，它的工作原理SiO2)就可以形成另一種場效應(yīng)晶體管，即金屬一氧化物一半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransisto,縮寫MOSFET),如圖所示 MOS管主要是利用半導(dǎo)體表面效應(yīng)而制成的晶體管，參與工作的只有一種載流子(即多數(shù)載流子)，所以又稱為單極型晶體管。在雙極型晶體管中，參加工作的不僅有多數(shù)載流2oo最為普遍。Xja (1)載流子積累我們先不考慮漏極電壓V，將源極和DL冷Al襯底接地襯底接地，如圖所示。如果在柵極加一負偏壓(V0)，就將產(chǎn)生由襯底指向柵極G垂直電場。在電場作用下，將使空穴在半導(dǎo)體表面積累，而電子在金屬表面積累,如 (2)載流子耗盡如果在柵極加一正偏壓(V0)，就將產(chǎn)生由柵極指向襯底的垂直電場。在此電G V，半導(dǎo)體表面將由耗盡逐步進入反型狀G%%載流子濃度，而多子空穴的濃度低于本征AI型。在半導(dǎo)體表面產(chǎn)生電子積累，這些電P襯底當(dāng)柵壓增加到使半導(dǎo)體表面積累的P襯底子濃度等于或超過襯底內(nèi)部的空穴平衡濃此時所對應(yīng)的柵壓稱為閾值電壓(通常用V表示)。達到強反型時，半導(dǎo)體表面附近出現(xiàn)THOS (1)VV時的工作過程GTH上面分析表明，當(dāng)柵極電壓大于閾值電壓(VV)時，在兩個N區(qū)之間的P型半導(dǎo)體GTH*形成一個表面反型層(即導(dǎo)電溝道)。于是源和漏之間被能通過大電流的N型表面溝道連接在一起。這個溝道的電導(dǎo)可以用改變柵電壓V來調(diào)制。背面接觸(稱為G下柵極)可以接參考電壓或負電壓，這個電壓也會影響溝道電導(dǎo)。①若加一小的漏電壓V，電子將通過溝道從源極(S)流到漏極(D)。因此，溝道的D作用相當(dāng)于一個電阻，且漏電流I和漏電壓V成正比。這是線性區(qū)，可用一條恒定電阻的DD直線來表示，如圖(a)所示。從漏極到源極存在電壓降，因此，導(dǎo)電溝道從0?L逐漸變窄，甚至使yL處反型層寬度減小到零。這種現(xiàn)象叫做溝道夾斷(如圖(b)所示)。溝道夾斷發(fā)生的地點叫夾斷點，圖中用P表示。夾斷時的漏電壓記為VDsat⑷低禍電覽時■BAT耗辱區(qū)夾斷點(?)耗辱區(qū)(t>>開始飽和，卅點袁示關(guān)新點③夾斷以后，漏電流基本上保持不變，因為當(dāng)VDVDsat時，夾斷點左移，但夾斷點的變，即電導(dǎo)溝道兩端的電壓保持不變。因而從漏到源的電流也不變。主要變化是(2)VV時的特性GTH當(dāng)柵極施加正向電壓且在VGV范圍內(nèi)時，半導(dǎo)體表面沒有出現(xiàn)導(dǎo)電溝道，在漏TH極加上電壓V(V0),則漏端PN結(jié)為反偏，流過漏源的電流很小，只是PN結(jié)反向飽和電DD不存在導(dǎo)電溝道，只有當(dāng)外加?xùn)烹妷捍笥陂撝惦妷簳r才形成導(dǎo)電溝道)和耗盡型(V0已存在G如上所述，閾值電壓是柵下半導(dǎo)體表面出現(xiàn)強反型時所加的柵源電壓，所謂強反型22(EioEF)SS2fP費米BBPN結(jié)稱為物理PN結(jié)，是場感應(yīng)結(jié)。當(dāng)外加電壓V撤出之后，反型層消失，PN結(jié)也隨之消G在外加?xùn)艍篤G下，金屬板上所產(chǎn)生的面電荷密度為MSS在外加?xùn)艍篤G下，金屬板上所產(chǎn)生的面電荷密度為MSS當(dāng)表面剛好強反型時，表面耗盡層寬度達到最大Xdm,若將反型層和襯底之間的結(jié)BBmBm電子只存在于極表面的一層，因此QnQBm，可以忽略，所以上式簡化為QMQSSQBm0流過；②金屬與半導(dǎo)體之間的功函數(shù)差為零，即二者有相同的費米能級；③QMQQMQBmJ2qrsoa2fMOS假定金屬與半導(dǎo)體之間的功函數(shù)差為零，因此在外加?xùn)艍簽榱鉜VGOSVVTH02f設(shè)柵氧化層的單位面積電容為C，則有OVO-OCOC—COVTH2f柵壓為零時，由于QSS和①ms的作用，表面能帶已經(jīng)發(fā)生彎曲，為了使能帶恢復(fù)到平帶狀態(tài)，必須在柵極上施加一定的柵壓，使能帶恢復(fù)到平直狀態(tài)所需要加的柵壓稱為平帶電壓，所以平帶電壓為VFBQSSQSSV式中，Qss/Co表示抵消表面態(tài)電荷的影響所需加的柵源電壓。因此，在實際MOS結(jié)構(gòu)中，必須用一部分柵壓去抵消QSS和①ms的影響，才能使MOS結(jié)構(gòu)恢復(fù)到平帶狀態(tài)，達VV，GFBVVVG0SFB所以閾值電壓為VVTH0討論:2Vf2VQBmQSSC0qqqni①VTH與襯底摻雜濃度Na密切相關(guān)，襯底摻雜濃度越高，閾值電壓也越高由界面態(tài)、固定電荷、可動離子和電離陷阱等組成。因此，當(dāng)表面電荷密度較高時,制作增強型③金屬-半導(dǎo)體功函數(shù)差定義為①ms^Ws^Wm①忽略源區(qū)和漏區(qū)體電阻和電極接觸電④長溝道近似和漸近溝道近似，即假設(shè)垂直⑤在溝道區(qū)不存在復(fù)合-產(chǎn)生電流。性曲線，圖中的電流一電壓特性可以用夾斷條件作晶體管處于柵電壓大于閥值電壓(VV)條件之下，若溝道中y處的電位為GTHCoVGV(y)VTH①由于溝道內(nèi)載流子分布均勻，不存在濃度梯度，因此溝道電流只含電場作用的漂移項，漂將①式代入上式可得ZQdV711dyDIdyZnCoVGVTHV(y)dV(y)DVIDdyDZnCoVGVTHV(y)dV(y)VoVDICVVVDonLGTHDDD上式就是線性工作區(qū)的直流特性方程(稱為薩支唐(Sah)方程)，顯然，V很小時，VDD可忽略，與V成線性關(guān)系。V增大時，上升變慢，特性曲線彎曲，如圖所示。IDDDID2.飽和區(qū)的電流一電壓特性若增加漏極電壓至溝道夾斷時，器件的工作進入飽和區(qū)。使MOS管進入飽和工作VVVDsatGTH將上式代入薩支唐方程，便2,X2,XH%H%V則溝道夾斷點向源端方向移動，在漏端將出V則溝道夾斷點向源端方向移動，在漏端將出D,D---L|<L增大而不斷變大，如圖所示，通過單邊突變結(jié)的公式得到LL'2rs°[VD(VGLL'\qNaIConZDsat2L'VGV2L|DDsatDDsat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管的輸出特性曲線明顯當(dāng)柵極電壓V低于閾值電壓V時，半導(dǎo)體表面處于弱反型狀態(tài)，流過漏極的電流并GTHS度視為零，這時漏源電流主要是擴散電流，并可采用類似于均勻基區(qū)晶體管求集電極電流qADndn(y)yn(y)n(0)代入上式可得 n(0)n(L) LAn(0)n(L)IDqADnc①n(0)niexp一-BBBB②**因為半導(dǎo)體表面電子濃度°°SqBBi0FSEEqn0nEEFi0BBniexpqSfBq②式代入①式可得qADnnexpexpqVDexpqSLICBTkeTDDsGTHGTHsGTHGTHI~expq(VGVTH)DICBT為了將亞閾值區(qū)電流減小到可以忽略不計，我們必須將MOS管偏置在比V低0.5V或更TH5.MOSt的擊穿當(dāng)漏源電壓V增高時，會出現(xiàn)漏-源電流突然增大的情況，這時器件進入了擊穿D區(qū)。擊穿時所加的漏源電壓稱為漏源擊穿電壓，用BVD表示。漏源擊穿原因，可以用兩種不S幾乎沒有空間電荷存在，Si—SiO2界面沒有界面態(tài)，那么外加?xùn)艍篤G—部分降落在氧化層(V)上，另一部分降落在半導(dǎo)體表面層中，形成表面勢,即VVGOCCGMSGMSS電荷Q由兩部分組成,一S部分是電離受主電荷(即空間電荷)dMdMdVGdVodQMdSdQMCdQM_；CdQsodvoSdS1C11①oSoSor00；oxoSrs0Xd半導(dǎo)體的表面電容C是表面勢的函數(shù)，因而也是外加偏壓V的函數(shù)。求出了CSSGS求C的一般步驟是：①通過解半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)電勢的泊松方程求出半導(dǎo)體SSSSSC。下面仍以P型半導(dǎo)體為例，將外加偏壓V分區(qū)直接給出結(jié)果SG當(dāng)柵圧為負值(V0)時，多子在半導(dǎo)體表面積累，半導(dǎo)體表面電容GC為Srs0expLDssB式中，LD2rS20kBT稱為德拜長度，ppo為P型半導(dǎo)體多子的濃度，將上式代入①式\qPpo可得歸一化電容為CoLDqsBexp2kTBiOCo學(xué)"J.0平帶點當(dāng)柵偏壓的絕對值逐漸減小時，表面勢s也變得很小，空穴的積累減弱，②式分變大而不能略去，使得V0時，平帶電容為GCCo隨表面勢的減小而變小，如圖BC段。當(dāng)CCCLSD代入①式可得歸一化電容為CkTrskTrs0B22qNaXo (3)表面耗盡狀態(tài)G當(dāng)柵極上所加的偏壓為正(Vo)，但又未出現(xiàn)反型狀態(tài)時，表面空間電荷區(qū)處G容為CSqqNaXd2rsS2將上式電容代入①式可得歸一化電容為1VIrsqNaVIrsqNaXG上述公式是表面逐漸被耗盡時的電容變化規(guī)律，電容隨柵壓的平方根增加而下降,C越C越 (4)表面反型狀態(tài)當(dāng)柵極上所加正偏壓進一步增大，直到使表面表面勢S2f時，表面出現(xiàn)強反型,這時表面空間電荷區(qū)的耗盡層寬度維持在最大值XCSrs0，np0--一eX)qS其中,SNX2qadm2rs0C1Co1roLDkroXonpoexpqSkppoBT層兩邊堆積著電荷，如同只有絕緣層電容的響應(yīng)是不同的。上面進行的討論，是以低頻信號為前提的，③式只適用于信號頻率較低的變化之間有定量關(guān)系，由于這是一種線性變化關(guān)系，所以可以用線性方程組描述小信號特 (1)跨導(dǎo)gm力，gm的定義為VVG也就是說，在V一定時，柵極電壓每變化1伏特所引起的漏源電流的變化?？鐚?dǎo)的單DIRgmLKVIRgmLVG式中，為MOS管的負載。上式可見，MOS管的跨導(dǎo)越大，電壓增益也越大，跨導(dǎo)RLDDsatDVVDDsatDZgmlC0nLVDZVZDGTHD值得注意的是，上式看上去似②飽和區(qū)跨導(dǎo)gmsVDVDsatDsatZVGVTHCZgmsonLVGVTHZ/L,減薄氧化層厚度等)，提高載流子遷移率等，這些措施與提高I的要求是一致的。適DVG,可以增加飽和工作區(qū)的跨導(dǎo)。 (2)漏源輸出電導(dǎo)gdVVD由線性區(qū)工作電流方程對漏源電壓V求導(dǎo)可得DdlCGTHDZVGTHD上式表明隨著V的增大，但還未到飽和區(qū)時,DdlConZvGVDsatD在理想情況下，若不考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)，飽和區(qū)的漏電流|與VDsatDS電阻不為無窮大。造成輸出特性曲線傾斜的主要原因是溝道長度調(diào)制效應(yīng)，當(dāng)DDsatDVV時，溝道有效長度縮短，從而導(dǎo)致飽和電流隨DDsatD制效應(yīng)后的飽和電流為IDsat2rso[VD(VGVTH)]*qNa根據(jù)電導(dǎo)的定義可得(1)對跨導(dǎo)gm的影響D則它在R上有一個壓降IR，真正加在柵極與源之間的電壓V與V的關(guān)系為SDSGGVVIRGGDSgmgIIVDDGVVVGGGDGgmIDGgmVGVG1gmRS，但其中R起S1S這是深反饋情況，跨導(dǎo)與器件參數(shù)無(2)對輸出電導(dǎo)的影響若漏區(qū)的外接串聯(lián)電阻為R，用相似的討論方法可以得到在線性工作區(qū)受R及R影D