MOS场效应晶体管基础[001]

2、 耗尽区宽度
耗尽
表面导电性降低，外加电场进 一步深入，空间电荷区增大。
1
xd
2 ss
eN a
2
es
xd
反型
表面导电性增加，屏蔽外加电 场，空间电荷区不能再增大。
es 2efp
1
xdT
4 s f
eNa
p
2
xdT
Ec
e f p
E Fi EEvFs
Ec
e f p
E Fi
E E
Fs v
3、 平衡能带结构
Q'SD(m ax eN )axdT
1
xdT
4 s f
eNa
p
2
f
p
Vth ln
Na ni
msmE 2eg fp
C ox
ox tox
V T Pto ox x4sea V N th ln N a/(n i) Q 'ss m E 2 e g V th ln N a/(n i)
F (Q 's,sN a )
5、 阈值电压
3
2
VTP 01011 Na VTP 11011 Na
0
VTP 51011 Na
VTP 11012 Na
2
3 1 1013 1013
1 1014
tox 50nm
1 1015
1 1016
Na
1 1017
1 1018 1018
V T Pto ox x4sea V N th ln N a/(n i) Q 'ss m E 2 e g V th ln N a/(n i)
（1）低漏源电压近似：
（VDS0）
（2）饱和电流-电压关系：
（VDS= VDS(sat) ）
ID
ID B
A
斜率WnCox
L
VT
V GS
IDWL nCox(VGSVT)VDS
斜率 WnCox
L
VTB
VTA
V GS
ID(sa) t W 2nL Cox(VGSVT)
3、电流-电压关系（定量）
电流-电压关系的应用（2） ——MOSFET的跨导
0V FB
C'F B
tOX
OX OX
s
LD
LD
sVth
eN d
VG
C'min
tOX
OX OX
s
xdT
xdT
4 s f n
eNd
dQ ' Q'
9、非理想效应
dQ '
xdT
Q'
xdT
dx
dQ '
Q'
C'
堆积
Q' dQ '
反型
低频
高频
0
VG
9、非理想效应
a. 固定栅氧化层电荷
C' C 'OX
Q'
dQ '
Q' dQ '
dQ '
Q'
C'accC'OX
C 'acc
OX
tOX
1 11
C'depl C'OX C'SD
C'depl
tOX
OX OX
s
xd
C'T pC'OX
C 'Tp
OX
tOX
8、理想 C-V特性
C 'OX
堆积
C'
C 'FB
C 'SD
耗尽
C 'OX
强反型 中反型
低频
C'min 高频
真空能级
功金函属数e m E Fm
金属
真空能级
e i E c e 电子
亲合能
Ec
Eg
E Fi
E Fs
Ev
Ev
氧化物 p型半导体
eVOX 0
e i
em
Ec
e
es0
E 1
2
E
g
c
E e f p Fi
EF
Ev
金属 氧化物 p型半导体
能带平衡关系：
emeO V 0 X ees0E 2 gefp
总的能带弯曲等于金 属半导体功函数差：
Q 'ss
Ec
E Fi EEvF
金属 氧化物 半导体
VGVOX sms
s 0
VOXCQO'mX
Q'ss COX
Q'mQ'ss0
金属 氧化物 半导体
VFB
ms
Q'ss COX
5、 阈值电压
eVOX
es
e f p
金属 氧化物 p型半导体
VGVOX sms
s 2f p
VOXQ'SD(C mOaXxQ ) 'ss
Q 'ss
Ec
Q 'mT
E Fi
xdT
EEvF
Q'SD(m ax eN )axdT
金属 氧化物 p型半导体
V TP Q 'SD (C m OX aQ x 'ss)m s2fp VTPQ'SC D(Om X axVF)B2fp
Q'mTQ'SD (maQ x's)s
5、 阈值电压
V TP Q 'SD (C m OX aQ x 'ss)m s2fp
体(B)
B S
（3）P沟增强型
（4）P沟耗尽型
1、MOSFET的结构及工作原理
VGS VT
G S
VDS
D
n
n
p
空间电荷区
VGS VT
G S
VDS
D
n
n
p
电子反型层
(a) 栅压低于阈值电压： 沟道中无反型层电荷
(b) 栅压高于阈值电压： 沟道中产生反型层电荷
2、电流-电压关系（定性） （小的漏源电压作用）
E Fi E Fs
Ev
金属 氧化物 半导体
V G SV xV ox 2fpms
e ( V G V S x ) e'm eo V x es e's
ms'm's s 2fp
3、电流-电压关系（定量）
电流 公式
IxW'nQ nExW'nQ nddxV x
电荷 关系
电压
关系
Q 'nC oV xox [Q 'ss Q 'SD (max)Ix ] WnC ox d dxV [xV (G SV x)V T]
IDW 2p L C o[x2(V SG V T)V SD V S 2]D
饱和:
VSD (sa)tVSG VT
饱和电流-电压关系： ID (s) a W t2 p L C oV x S 2(D s) a W t2 p L C o( V xS G V T )2
3、电流-电压关系（定量）
电流-电压关系的应用（1） ——确定阈值电压和迁移率
1、MOSFET的结构及工作原理
源(S) 栅(G) 漏(D)
D
源(S) 栅(G) 漏(D)
D
n
n
p
G
体(B)
B S
n
n
p n沟 G
体(B)
B S
（1）N沟增强型
（2）N沟耗尽型
1、MOSFET的结构及工作原理
源(S) 栅(G) 漏(D)
D
源(S) 栅(G) 漏(D)
D
p
p
n
G
体(B)
B S
p
p
n p沟 G
V DS
D n
ID
VSB 0 1V 3V
9V
V SB es 2efp
Ec
e fp
E Fi EF
Ev
00.64 1 .3 2.19 3.9
es (2ef pVS B )
E Fn
V GS
Ec
e
fp
E Fi EF
Ev
4、小信号等效电路
G
V ' gs
V gs
C gdT C gsT g mV 'gs
VGS VT
G
ID
S
W
VDS
D
n L
n
p
电子反型层
VGS2 VGS1
VGS1 VT VGS VT
V DS
jDnevnenEnenVL DS
ID jD S jD W W H (H )n n V L D e S W Ln Q 'n V DS
ID gdVDS
gD WLn Q'n
2、电流-电压关系（定性）
Id
D
RL V d
栅极：
Ii jC gV sg T sjC g( d V g T sV d )
漏极：
V Rd Lgm Vgsj Cgd(V TdVg)s0
Ii jCgs TCgdT 1 1 jgR m LR C LgdTVgs
CM CgdT11jgRmLRCLgdT
5、频率限制因素与截止频率
3、电流-电压关系（定量）
ID(sat)
ID
V GS 3
V GS 2
V GS 1
电流-电压关系：
（VGS>VT，VDS<VDS(sat)）
V DS
IDW 2 n L C o[x2(V G SV T)V D SV D 2]S
饱和: （电流达到最大）
ID 0 V DS
VD(Ssa)tVG SVT
表面势
s
-V
+V
c. p反型 电子堆积
++V
空穴堆积
+V+V-V+
2、 半导体耗尽及反型
电子堆积
+++++++ _______
n型
电子耗尽 _______ +++++++ n型
空穴堆积 _______ +++++++ n型
a. n增强型
b. n耗尽型
电子堆积
+V
-V
c. n反型
表面势
--V
s
空穴堆积
Ii G
V gs
C gsT
S
CM g mVgs
Id
D
RL V d
输入电流： Ii j (Cgs TC M)Vgs
输出电流： Id gmVgs
电压增益：
电流增益：
V o x(V G S V x) (2fp m )s
阈值
电压
V TP Q 'SD (C m OX aQ x 'ss)m s2fp
0 LIxd x W n C o0 x V D[S V ( G S V T) V x]dxV
电流-电压关系： IDW 2 n L C o[x2(V G SV T)V D SV D 2]S
MOSFET跨导的定义:
gm
I D VGS
IDW 2 n L C o[x2(V G SV T)V D SV D 2]S
非饱和区跨导:
gm
WnCo
L
xVDS
线性很好！
VD(Ssa)tVG SVT
饱和区跨导:
gmsWL nCox(VGSVT)
3、电流-电压关系（定量） 衬底偏置效应
V GS
S
G
n p
F (Q 's,sN a )
6、 电荷分布
堆积
Qs
~
exp
e s kT
fp
平带
耗尽
强反型
~
exp
e s kT
fp
弱反型
注： 堆积 和强 反型 载流 子增 长很 快。
s
p
p0
exp
es
kT
n
n0
exp
es
kT
7、 MOS电容模型
dQ '
Q'
dQ ' Q'
dQ ' Q'
x d dx
xdT
3、电流-电压关系（定量）
（a）电荷关系
金属 氧化层 P型半导体
Q 'm
Q 'ss
xdT
（b）高斯关系 W
E ox
yx
4 1 dx
Q 'n
Q'S D (max)
2
p型
3
Q 'ss Q 'n Q'S D (max)
Q 'm Q 's sQ 'nQ 'SD (m a0x) C oV xoxQ 's sQ 'nQ 'SD (max)
饱和电流-电压关系： ID (s)a W 2 tn L C oV x D 2(s S)a W 2 tn L C o( V xG V S T )2
VDS
3、电流-电压关系（定量）
VSG
G S
p n
ID
D p
P沟道增强型 MOSFET：
P沟道耗尽型 MOSFET：
VT 0 VT 0
电流-电压关系：
sEndSQT sEndSoxEoW x dx
Q T Q 's sQ 'n Q 'S( Dm W ad x
oE xoxQ 'ssQ 'nQ 'SD (max
3、电流-电压关系（定量）
（c）电势关系
（d）能量关系
V GS
S
Vx
V ox
x
eVOX
E
Fm
e
'm
e(VGSVx)
e
s
e 's
Ec
e fp
MOS场效应晶体管基础[001]
1、 双端MOS结构及其场效应
a. MOS结构 M O S
b. 电场效应
-V+
+V+V-V+
2、 半导体的耗尽及反型
空穴堆积 _______ +++++++ p型
空穴耗尽
+++++++ _______
p型
电子堆积
+++++++ _______
p型
a. p增强型
b. p耗尽型
C 'min
b. 界面态效应
C 'OX
阈值
C' 平带 禁带中央 C 'min
V FB 4V FB 3V FB 2V FB 1 0
VG
0
VG
3.2 MOS场效应晶体管
1、MOSFET的结构及工作原理 2、电流-电压关系（定性分析） 3、电流-电压关系（定量分析） 4、MOSFET的等效电路 5、MOSFET的频率限制特性
VGS VT
氧化层 耗尽区
P
ID V DS
反型层
V GS 1
P
反型层
ID V DS
V GS 2
P