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2017/4/9 1 1第五章 MOS 场效应晶体管 MOS 场效应管 MOS 管的阈值电压 体效应 MOSFET 的温度特性 MOSFET 的噪声 MOSFET 尺寸按比例缩小 MOS 器件的二阶效应 2017/4/9 2 2 MOS 场效应管 MOS 管伏安特性的推导两个 PN 结: 1)N型漏极与 P型衬底; 2)N型源极与 P型衬底。同双极型晶体管中的 PN 结一样, 在结周围由于载流子的扩散、漂移达到动态平衡,而产生了耗尽层。一个电容器结构: 栅极与栅极下面的区域形成一个电容器,是 MOS 管的核心。图 2017/4/9 3 3 MOSFET 的三个基本几何参数 n栅长:Ln栅宽:W n氧化层厚度:t ox t ox S Dn (p) poly-Si diffusion p + / n +p + / n + W GLnL min、 W min和t ox由工艺确定 nL min: MOS 工艺的特征尺寸( feature size) 决定 MOSFET 的速度和功耗等众多特性 nL和W由设计者选定 n通常选取 L= L min,由此, 设计者只需选取 W nW影响 MOSFET 的速度,决定电路驱动能力和功耗 2017/4/9 4 4 MOSFET 的伏安特性: 电容结构 n 当栅极不加电压或加负电压时,栅极下面的区域保持 P 型导电类型,漏和源之间等效于一对背靠背的二极管,当漏源电极之间加上电压时,除了 PN 结的漏电流之外,不会有更多电流形成。 n 当栅极上的正电压不断升高时, P 型区内的空穴被不断地排斥到衬底方向。当栅极上的电压超过阈值电压 V T, 在栅极下的 P 型区域内就形成电子分布,建立起反型层,即 N 型层,把同为 N 型的源、漏扩散区连成一体,形成从漏极到源极的导电沟道。这时,栅极电压所感应的电荷 Q为, Q= CV ge 式中 V ge是栅极有效控制电压。 2017/4/9 5 5 非饱和时,在漏源电压 V ds作用下,这些电荷 Q将在?时间内通过沟道,因此有 ds dsV LE LL 2??????? MOS 的伏安特性??电荷在沟道中的渡越时间?为载流子速度, E ds = V ds/L为漏到源方向电场强度, V ds为漏到源电压。?为载流子迁移率: nμ n = 650 cm 2 /(V . s) ?电子迁移率( nMOS) nμ p = 240 cm 2 /(V . s) ?空穴迁移率( pMOS) 2017/4/9 6 6 MOSFET 的伏安特性—方程推导非饱和情况下,通过 MOS 管漏源间的电流 I ds为: ?? ds Tgs ge ds ds Tgs ox ox ds ds Tgs ox ox ds ge ox ox ds ge dsVVVV VVVVL Wt VVVVL Wt VVLt WL V L CV QI2 1 with 2 1 )2 1( 2 2 2??????????????????????????????= ?' .? 0?栅极-沟道间氧化层介电常数, ?' = , ? 0 = .10 -11C .V - -1 V ge是栅级对衬底的有效控制电压其值为栅级到衬底表面的电压减 V T 2017/4/9 7 7 当V gs-V T=V ds时,满足:I ds达到最大值 I dsmax , 其值为 V gs-V T=V ds, 意味着近漏端的栅极有效控制电压 V ge=V gs-V T-V ds=V gs-V ds-V T =V gd-V T =0 感应电荷为 0, 沟道夹断,电流不会再增大,因而, 这个 I dsmax 就是饱和电流。 0? ds ds dV dI?? 2Tgs ox ox dsmax 2 1VVL Wt I????? MOS 的伏安特性—漏极饱和电流 2017/4/9 8 8 MOSFET 特性曲线 n在非饱和区?线性工作区 n在饱和区 ( I ds与V ds无关) . MOSFET 是平方律器件! Ids Vds 0 线性区饱和区击穿区 11bVaI gs CV ds ds????? 22Tgs dsVVaI?? 2017/4/9 9 9 MOSFET 电容的组成 MOS 电容是一个相当复杂的电容,有多层介质: ?首先,在栅极电极下面有一层 SiO 2 介质。 SiO 2 下面是 P型衬底,衬底是比较厚的。最后,是一个衬底电极,它同衬底之间必须是欧姆接触。?MOS 电容还与外加电压有关。 1)当V gs<0时,栅极上的负电荷吸引了 P型衬底中的多数载流子—空穴,使它