第五章 MOS場效應(yīng)管的特性

1、.,MOS場效應(yīng)管的特性,.,上次課：第4章 集成電路器件工藝,1.引言 2.雙極型集成電路的基本制造工藝 3.MESFET工藝與HEMT工藝 4.CMOS集成電路的基本制造工藝 5.BiCMOS集成電路的基本制造工藝,.,第五章 MOS場效應(yīng)管的特性,1. MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理 2. MOSFET的寄生電容 3. MOSFET的其它特性 3.1 噪聲 3.2 溫度 3.3 體效應(yīng) 4. MOSFET尺寸按比例縮小 5. MOSFET的二階效應(yīng),.,5.1 MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理,集成電路中，有源元件有BJT、HBT、PMOS、NMOS、MESFET和HEMT 鑒于當(dāng)前大多數(shù)集成

2、電路采用CMOS工藝制造，掌握NMOS和PMOS兩種元件特性對設(shè)計(jì)集成電路具有重要意義,.,MOS管結(jié)構(gòu),.,MOS管符號和標(biāo)志,D,S,G,D,S,G,G,S,D,D,S,G,NMOS,Enhancement,NMOS,PMOS,Depletion,Enhancement,B,NMOS with,Bulk Contact,.,MOS管工作狀態(tài),.,MOS管特性推導(dǎo),柵極電壓所感應(yīng)的電荷Q為,這些電荷在源漏電壓VDS作用下，在t時間內(nèi)通過長度為L的溝道，即,通過MOS管源漏間的電流為,.,MOS管特性推導(dǎo),當(dāng)VgsVTVds時，近漏端的柵極有效控制電壓Vge VgsVTVds0，感應(yīng)電荷為0，

3、溝道夾斷，電流不會增加，此時Ids為飽和電流。,.,MOS管飽和時,.,MOS管的IV特性曲線,.,閾值電壓VT,閾值電壓是MOS器件的一個重要參數(shù) 閾值電壓VT是將柵極下面的Si表面反型所必要的電壓，這個電壓與襯底濃度有關(guān) 按MOS溝道隨柵壓變化形成或消失的機(jī)理，存在兩種類型的MOS器件 耗盡型：溝道在VGS0時已經(jīng)存在，VT0 增加型：溝道在VGS0時截止，當(dāng)VGS“正”到一定程度時才導(dǎo)通。 VT0,.,閾值電壓VT表達(dá)式,經(jīng)過深入研究，影響VT的因素主要有四個： 材料的功函數(shù)之差 SiO2層中可移動的正離子的影響 氧化層中固定電荷的影響 界面勢阱的影響,.,閾值電壓VT,在工藝確定之后，

4、閾值電壓VT主要決定于襯底的摻雜濃度： P型襯底制造NMOS，雜質(zhì)濃度越大，需要趕走更多的空穴，才能形成反型層， VT值增大，因而需要精確控制摻雜濃度 如果柵氧化層厚度越薄，Cox越大，電荷的影響就會降低。故現(xiàn)在的工藝尺寸和柵氧化層厚度越來越小,.,5.2 MOSFET的電容,MOS電容結(jié)構(gòu)復(fù)雜，最上面是柵極電極，中間是SiO2和P型襯底，最下面是襯底電極（歐姆接觸） MOS電容大小與外加電壓有關(guān) Vgs0 Vgs增加達(dá)到VT值 Vgs繼續(xù)增大,.,Vgs0,.,.,Vgs增加達(dá)到VT值,.,Vgs繼續(xù)增加,.,MOS管電容變化曲線,.,MOS電容計(jì)算,.,VGSVT,溝道未建立，MOS管源漏

5、溝道不通 CgCgsCox CdCdb,.,VGSVT,MOS電容是變化的 MOS電容對Cg和Cd都有貢獻(xiàn)，貢獻(xiàn)大小取決于MOS管的工作狀態(tài) 非飽和狀態(tài) CgCgs2C/3 CdCdbC/3 飽和狀態(tài) CgCgs2C/3 CdCdb,.,5.3 MOSFET的其它特性,體效應(yīng) 溫度特性 噪聲,.,體效應(yīng),很多情況下，源極和襯底都接地 實(shí)際上，許多場合源極和襯底并不連接在一起 源極不接地會影響 VT值，這稱為體效應(yīng),.,體效應(yīng),某一CMOS工藝條件下閾值電壓隨源極-襯底電壓變化曲線,.,溫度,MOS的溫度特性來源于溝道中載流子的遷移率和閾值電壓VT隨溫度的變化 載流子的遷移率隨溫度的變化的基本特

6、征：T上升 下降 閾值電壓VT的絕對值隨溫度變化的基本特征： T升高 VT減小 VT變化與襯底雜質(zhì)濃度和氧化層厚度有關(guān),.,噪聲,噪聲來源于兩個部分： 熱噪聲 閃爍噪聲,.,熱噪聲,熱噪聲由溝道內(nèi)載流子的無規(guī)則熱運(yùn)動造成 其等效電壓值表示為 由于gm與MOS的柵寬和電流成正比關(guān)系，因而增加MOS的柵寬和電流可以減小器件的熱噪聲,.,閃爍噪聲,閃爍噪聲由溝道處二氧化硅與硅界面上電子的充放電引起的 其等效電壓值表示為 增加?xùn)砰L和寬，可以降低閃爍噪聲,.,兩點(diǎn)說明,有源器件的噪聲特性對于小信號放大器、振蕩器等模擬電路至關(guān)重要 所有的FET的1/f噪聲都高出相應(yīng)的BJT的1/f噪聲約10倍。,.,5.

7、4 MOSFET尺寸按比例縮小,為了提高器件集成度和性能，MOS管的尺寸迅速減小 為了在縮小器件尺寸的同時，同時保持大尺寸器件的電流-電壓特性不變，Dennard等人提出了等比例縮小規(guī)律 等比例縮小規(guī)律即器件水平和垂直方向的參數(shù)以及電壓按同一比例因子K等比例縮小，同時摻雜濃度按比例因子增大K倍，這就是經(jīng)典的恒電場等比例縮小規(guī)律 等比例縮小方案： 恒電場 恒電壓 準(zhǔn)恒電壓,.,恒電壓縮減方案,.,MOSFET特征尺寸按縮減的優(yōu)點(diǎn),電路密度增加到2 功耗降低為1/2 器件時延降低倍器件速度提高倍 線路上的延遲不變 優(yōu)值增加2倍,.,未來的MOSFET,25 nm FINFET MOS transi

8、stor,.,5.5 MOSFET的二階效應(yīng),隨著MOS的尺寸縮小，出于精度要求必須考慮二階效應(yīng) 二階效應(yīng)主要有 L和W的變化 遷移率的退化 溝道長度的調(diào)制 短溝道效應(yīng)引起的閾值電壓的變化 狹溝道效應(yīng)引起的閾值電壓的變化,.,L的變化,.,L的變化,柵極長度L不等于原先版圖上所繪制的Ldraw Lfinal=Ldraw-2Lpoly L=Ldraw-2Lpoly-2Ldiff 由于重疊效應(yīng)，Cgs和Cgd也增加,.,W的變化,.,W的變化,柵極寬度W不等于原先版圖上所繪制的Wdraw W=Wdraw-2W， W是“鳥嘴”侵入部分厚度 當(dāng)器件尺寸還不是很小時，這個W影響還小，但是器件縮小時，這個

9、W就影響很大,.,遷移率的退化,MOS管的電流與遷移率成正比，一般假定為常數(shù) 實(shí)際上， 并不是常數(shù)，它至少受到三個因素的影響 溫度 垂直電場 水平電場,.,特征遷移率0,.,電場強(qiáng)度,電場強(qiáng)度增加時，遷移率是減小的 電場有水平分量和垂直分量，因而遷移率隨Ev、Eh而退化,.,電場強(qiáng)度,水平電場對遷移率的影響要比垂直電場要大得多。水平電場將加速載流子運(yùn)動，當(dāng)載流子速度加速到一定值，水平速度飽和 一般N型硅的遷移率遠(yuǎn)大于P型硅的遷移率，但兩種載流子的飽和速度是相同的 電場不強(qiáng)時，N溝道的值比P溝道的要大，約為2.5倍；當(dāng)電場增強(qiáng)時，N管和P管達(dá)到同一飽和速度，得到同一值，與摻雜無關(guān),.,溝道長度的調(diào)制,簡化的MOS原理內(nèi)，飽和后電流不再增加 實(shí)際上，飽和區(qū)中電流Ids隨Vds增加而緩慢增加 這是由于溝道兩端的耗盡區(qū)的寬度增加，導(dǎo)致溝道距離減小，水平電場增加，電流增加,.,溝道長度調(diào)制,.,溝道長度調(diào)制,.,短溝道效應(yīng)引起的閾值電壓的變化,MOS管的分析全是一維的，即所有的電場效應(yīng)都是正交