复旦大学(微电子)半导体器件第八章MOSFET-37页PPT精品文档
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区后就会出现速度饱和效应。
体电荷效
• 前面给出MOSFET特性公式：
ID S C ox n W L V G S V T V D S 1 2 V D 2 S
在该公式中认为沟道中耗尽层宽度是不变的，实际上由于漏端和 源端存在电势差，沟道的宽度当然也不一样，考虑到这个因素以 后必须计入沟道体电荷变化部分对阈值电压的贡献。
3o 体电荷效应； 4o 沟道长度调制效应； 5o 源漏串联电阻寄生效应； 6o 亚阈值效应； 7o 衬偏效应； 8o 短沟道效应。 9o CMOS闭锁效应；
亚阈值效应
• 回忆我们前面假设表面呈现强反型时MOSFET沟道开 始形成，源、漏之间开始导通。
• 实际上MOSFET源、漏之间加上电压以后，源端PN结 处于正向，就会有非平衡载流子注入，漏端PN结就会 收集到注入的非平衡载流子，同时还有反向的产生电 流（包括表面态的产生电流），所以在强反型之前源、 漏之间就会有电流，这就称为亚阈值电流。
减小 Overlap，降低寄生电容，可采用自对准多晶硅栅工艺。
MOSFET 的开关特性
+VDD
v (t)
vGS (t)
RD
VT
+
vDS (t)
+ vGS(t)
C vDS(t)
90%
10%
t
0 ton
toff
MOS 倒相器开关特性：
IDS
Ioff 0（亚阈值电流）； Von 0（导通有电阻）；
四种 MOSFET 的输出特性
NMOS（增强型）
NMOS（耗尽型）
PMOS（增强型）
PMOS（耗尽型）
沟道长度调制效应
• 沟道长度调制效应使输出特性的饱和区发生倾 斜。
MOSFET 的转移特性
G 输入 S
D 输出
S
IDSsat ~ VGS（VDS为参量）
注：需保证 VDS VGS VT
n+
n+
p-Si
MOSFET 的电容
S
iS
CGSO
n+
CJS
G iG
… …
CGS
dVGS dt
CGD
dVGD dt
CGB
D
CGDO
iD
n+
CJD
B
MOSFET 的高频等效电路
G
CGD = 0（饱和区） D
最高振荡频率
+
+
fmax2gC mi
gm
2CGS
vGS
CGS gmvGS gD1
反型层薄层电阻
Rshdch1
nQ n dch dch
n1QnnCoxV 1GSVT
ID S V R D ch SR sV h L D W S C ox nW L V G S V T V DS 可调电阻
严格推导（考虑到VDS 对沟道中反型电子浓度的影响）：
gm
2o VGS gms
MOSFET 的击穿特性
漏-衬底pn结雪崩击穿
1. 源漏击穿 沟道雪崩击穿
漏源势垒穿通
饱和区
2. 栅击穿
线性区
1. 源漏击穿
(1) 漏-衬底 pn 结雪崩击穿 ( BVDS )
VGS
n+ p-Si
VDS n+
BVDS
sEc2
2qNA
NA BVDS
VT
QB Cox
qNIm Cox
MOSFET 的输出特性
G 输入 S
D 输出
S
IDS ~ VDS（VGS为参量）
饱和区 线性区
击穿区
NMOS（增强型）
简化的MOSFET
为了计算方便作以下简化假设：
• 源区和漏区的电压降可以忽略不计； • 在沟道区不存在产生-复合电流； • 沟道电流为漂移电流；
亚阈值特性
沟道长度调制效应
• 沟道长度调制效应会导致饱和电流区伏安特性 倾斜。
表面迁移率和漏端速度饱和效应
• 由于二氧化硅和硅的界面有许多杂质缺 陷，而且载流子被束缚在表面非常狭窄 的势阱里，所以表面载流子的迁移率比 体内要低很多。
• 通常硅表面的电子和空穴的迁移率约为： • 垂直np ==表155500面~~ 29的5500 cc电mm22//场VVss越强表n/p面=2~迁4 移率越小。 • 漏端势垒区电场很强，载流子流进势垒
1 2C oxnW LV G SV T21 2V D 2 Ssat
(2) 当 VDS > VDS sat 时 夹断点左移，有效沟道缩短
Leff L
y
IDSL eIfDfSL s at1 2L V D 2LS1 sat L L IDSsat 不饱和，沟道长度调制效应
增强型
Rp << dmax
耗尽型
P-Si
Q B to ( d m t ) a 0 a d m lq x N a A x N A '( x ) d Q B ( x d m ) a Q B ( x d m )ax
其中
Q B (d m)a x0 d mq axA 'N (x )d x qIN m
IDS 电阻型负载 E-E MOS
Io
E-D MOS
n
CMOS
VDS
0
VDD
CMOS的结构
• CMOS是一个N沟MOS和一个P沟MOS组 成的倒相器，它的结构示意图为：
p+
p+
N-Si
N+
N+
P
CMOS 倒相器电传输特性
四种倒相器的比较
• 在数字电路中应用的倒相器和前面讲的开关要 求不完全相同。它的功能是：输入低电压到高 电压的跃变转变为高电压到低电压的跃变。它 的要求是：低功耗、高速度、充分利用电源电 压得到大的输出摆幅。
第八章MOSFET
• MOSFET的类型 • 阈值电压 • 直流输出特性 • 跨导 • 击穿 • 高频特性 • 开关特性 • 倒相器 • 二级效应
MOSFET结构示意图
左图为MOSFET结构示意图。 MOSFET有增强型和耗尽型 两种，在左下图中给出。
p(或 n)
增强型
耗尽型
增强型：栅极不加电压时表面没有沟道， 源和漏之间不导通。栅极加电压使沟道 逐步形成，沟道内载流子逐步增加，导电 能力逐步增强。
E(x)
0
扩散势 0.7 V
L
x
MOSFET 的栅击穿
SiO2 击穿电场 Ec = (5~10)106 V/cm
Eg. Cox = 1 pF，tox = 100 nm，Q = (5~10)1011 C
EoxtoQ xCox5106V/cm 栅击穿！ SGD
n+
齐纳二极管 （隧道二极管）
D
D
G
BG
B
S
S
D
D
G
BG
B
S
S
MOSFET 的阈值电压
V T V F B 2 V B Q B C (d o m x )a V x F B 2 V B qC A o d N m x ax
其中
V FB m sC Q o ssx C 1 ox0 tox tx ox(x)dx
其中（饱和区）
S
S
考虑到实际 MOSFET 的寄生电容
gmnCox W LVG SVT
CGS32CG32CoW x L
（尤其是栅漏交迭电容 CGDO）， CGDO 作为反馈电容耦合进Ci，
f m a 2 g C m x i 2 C G C S G S 1 g m O G V C G C D G D 2 O 1 g G m V C G
耗尽型：栅极不加电压时表面就有沟道， 源和漏之间处于导通状态。栅极加电压 使沟道逐步耗尽，导电能力逐步减弱。
MOSFET 的类型和符号
衬底 S/D 载流子 VDS IDS 载流子运动方向 VT
NMOS
增强型 耗尽型
p
n+ 电子
+
DS
SD
+
PMOS
增强型 耗尽型
n
p+ 空穴
SD
SD
+
符号
ID SC oxnW L V G S V TV D S1 2 V D 2 S 跨导参数
Coxn
W L
MOSFET 的饱和区
定义 VDSsat VGS VT (1) 当 VDS = VDSsat 时
Qn(L) = 0 反型电子消失 沟道被夹断
ID S C ox n W L V G V S T V G V S T 1 2 V G V S T 2
开关速度取决于对电容的 充放电和载流子渡越时间。
A
0 Von
负载线
B VDS
Voff VDD
几种 MOS 倒相器
+VDD
电阻负载型 RD MOS 倒相器
+VDD
E-E MOS
M2
倒相器
C
M1
C
+VDD
M2
E-D MOS
倒相器
M1
C
+VDD M2
CMOS 倒相器
M1
C
MOS 倒相器负载线和电压传输特性
NMOS（增强型）
四种 MOSFET 的转移特性
NMOS（增强型）
NMOS（耗尽型）
PMOS（增强型）
PMOS（耗尽型）
MOSFET 的跨导
定义：跨导 gm
gm
I DS VGS
VDS
[S] [1] 西门子
=
VDS
线性区
V G SV T 饱和区
提高 gm 的途径：
1o n tox ox Cox W/L
• 按照以上的按比例缩小规则制作的器件：器件的工作速度提高倍、密度 增加2倍、功耗降低2倍、阈值电压的减小接近倍；而亚阈值电流基本 不变。与此同时由于寄生电容没有减少和互连电阻增加会使延迟时间增 加。
MOSFET 的二级效应
1o 非常数表面迁移率效应（表面散射、栅电场） ； 2o 漏端速度饱和效应；
• 从这些要求出发，CMOS的突出优点是功耗低、 电压摆幅大；而E-DNMOS占用面积小、速度 比较快、电压摆幅也比较大；EE-NMOS性能 最差，但是最容易制造。
MOSFET按比例缩小规则
• 集成电路技术的发展缩小器件和电路的尺寸，为了降低成本和缩短设计 时间通常对MOSFET采用按比例缩小规则。最简单的办法是：把沟道长 度杂L质、浓宽度度则W乘、以氧该化比层例厚系度数tox、。栅这电时压在和缩漏小电器压件都尺除寸以时某提一高比了例器系件数的，工而作 速度和集成度而沟道内的电场保持不变。
• 沟道内载流子的迁移率为常数 n (E) = C ；
• 缓变沟道近似
Ex(x,y)Ey(x,y)
x
y
MOSFET 的可调电阻区 (线性区)
强反型条件下（VGS > VT） VDS 较小时 沟道中反型电子电荷面密度
V(0) = 0 0
V(L) = VDS
Ly
B
Q n C oV x G S V T
击穿区
MOSFET 的击穿特性
(2) 沟道雪崩击穿
VGS > VT
S
D VDS
. n+
。 n+
p-Si
(3) 漏源势垒穿通
VGS
S
VDS
n+
n+
p-Si
B
VDS Ey
当 Ey Ec 时，沟道击穿 电子：沟道 D 沟道 SiO2 空穴：沟道 B
B
VPT
qNAL2
2s
VD
2. 衬底杂质浓度 NA 的影响
VB
kqTln
NA ni
NA 增加 1 个数量级， VB 增加 60 mV
3. 界面固定电荷 QSS 的影响
4. 离子注入调整阈值电压
离子注入调整阈值电压
V T n m sC Q o ss xqC A N o dm x a2 xk qlT nN n iA
MOSFET 阈值电压控制
V T n m sC Q o ss xqC A N o dm x a2 xk qlT nN n iA
1. 金属功函数 Wm 的影响
金属 Mg Al Ni Cu Au Ag n+-poly p+-poly
Wm (eV) 3.35 4.1 4.55 4.7 5.0 5.1 4.05 5.15
CMOS闭锁效应
• 前面看到CMOS结构有寄生的NPNP结构。 • NPNP结构可以看作由PNP和NPN两个晶体管的复合结构。
P
P
N
N
N
P
P
P
N
N
• 从图中不难看出这是一个触发器，只要两个晶体管共基极电流增益之和 等于1，该结构就处于导通状态。
• 当上端接正时中间的PN结是反向的，而上端接负时上下两个PN结都是反 向的，因此可以认为它们处于截至状态。这时电流很小，电流增益也很 小，不会导通。
功函数差 qm s W mW s , 表面固定电荷 Q S S
在忽略氧化层中 电荷(x)的情况下
n 沟 MOS
（NMOS）
V T n m sC Q o ss xqC A N o dm x a2 xk qlT nN n iA
p 沟 MOS
（PMOS）
V T p m sC Q o ss xqC D N o dm x a2 xk qlT nN n iD
体电荷效
• 前面给出MOSFET特性公式：
ID S C ox n W L V G S V T V D S 1 2 V D 2 S
在该公式中认为沟道中耗尽层宽度是不变的，实际上由于漏端和 源端存在电势差，沟道的宽度当然也不一样，考虑到这个因素以 后必须计入沟道体电荷变化部分对阈值电压的贡献。
3o 体电荷效应； 4o 沟道长度调制效应； 5o 源漏串联电阻寄生效应； 6o 亚阈值效应； 7o 衬偏效应； 8o 短沟道效应。 9o CMOS闭锁效应；
亚阈值效应
• 回忆我们前面假设表面呈现强反型时MOSFET沟道开 始形成，源、漏之间开始导通。
• 实际上MOSFET源、漏之间加上电压以后，源端PN结 处于正向，就会有非平衡载流子注入，漏端PN结就会 收集到注入的非平衡载流子，同时还有反向的产生电 流（包括表面态的产生电流），所以在强反型之前源、 漏之间就会有电流，这就称为亚阈值电流。
减小 Overlap，降低寄生电容，可采用自对准多晶硅栅工艺。
MOSFET 的开关特性
+VDD
v (t)
vGS (t)
RD
VT
+
vDS (t)
+ vGS(t)
C vDS(t)
90%
10%
t
0 ton
toff
MOS 倒相器开关特性：
IDS
Ioff 0（亚阈值电流）； Von 0（导通有电阻）；
四种 MOSFET 的输出特性
NMOS（增强型）
NMOS（耗尽型）
PMOS（增强型）
PMOS（耗尽型）
沟道长度调制效应
• 沟道长度调制效应使输出特性的饱和区发生倾 斜。
MOSFET 的转移特性
G 输入 S
D 输出
S
IDSsat ~ VGS（VDS为参量）
注：需保证 VDS VGS VT
n+
n+
p-Si
MOSFET 的电容
S
iS
CGSO
n+
CJS
G iG
… …
CGS
dVGS dt
CGD
dVGD dt
CGB
D
CGDO
iD
n+
CJD
B
MOSFET 的高频等效电路
G
CGD = 0（饱和区） D
最高振荡频率
+
+
fmax2gC mi
gm
2CGS
vGS
CGS gmvGS gD1
反型层薄层电阻
Rshdch1
nQ n dch dch
n1QnnCoxV 1GSVT
ID S V R D ch SR sV h L D W S C ox nW L V G S V T V DS 可调电阻
严格推导（考虑到VDS 对沟道中反型电子浓度的影响）：
gm
2o VGS gms
MOSFET 的击穿特性
漏-衬底pn结雪崩击穿
1. 源漏击穿 沟道雪崩击穿
漏源势垒穿通
饱和区
2. 栅击穿
线性区
1. 源漏击穿
(1) 漏-衬底 pn 结雪崩击穿 ( BVDS )
VGS
n+ p-Si
VDS n+
BVDS
sEc2
2qNA
NA BVDS
VT
QB Cox
qNIm Cox
MOSFET 的输出特性
G 输入 S
D 输出
S
IDS ~ VDS（VGS为参量）
饱和区 线性区
击穿区
NMOS（增强型）
简化的MOSFET
为了计算方便作以下简化假设：
• 源区和漏区的电压降可以忽略不计； • 在沟道区不存在产生-复合电流； • 沟道电流为漂移电流；
亚阈值特性
沟道长度调制效应
• 沟道长度调制效应会导致饱和电流区伏安特性 倾斜。
表面迁移率和漏端速度饱和效应
• 由于二氧化硅和硅的界面有许多杂质缺 陷，而且载流子被束缚在表面非常狭窄 的势阱里，所以表面载流子的迁移率比 体内要低很多。
• 通常硅表面的电子和空穴的迁移率约为： • 垂直np ==表155500面~~ 29的5500 cc电mm22//场VVss越强表n/p面=2~迁4 移率越小。 • 漏端势垒区电场很强，载流子流进势垒
1 2C oxnW LV G SV T21 2V D 2 Ssat
(2) 当 VDS > VDS sat 时 夹断点左移，有效沟道缩短
Leff L
y
IDSL eIfDfSL s at1 2L V D 2LS1 sat L L IDSsat 不饱和，沟道长度调制效应
增强型
Rp << dmax
耗尽型
P-Si
Q B to ( d m t ) a 0 a d m lq x N a A x N A '( x ) d Q B ( x d m ) a Q B ( x d m )ax
其中
Q B (d m)a x0 d mq axA 'N (x )d x qIN m
IDS 电阻型负载 E-E MOS
Io
E-D MOS
n
CMOS
VDS
0
VDD
CMOS的结构
• CMOS是一个N沟MOS和一个P沟MOS组 成的倒相器，它的结构示意图为：
p+
p+
N-Si
N+
N+
P
CMOS 倒相器电传输特性
四种倒相器的比较
• 在数字电路中应用的倒相器和前面讲的开关要 求不完全相同。它的功能是：输入低电压到高 电压的跃变转变为高电压到低电压的跃变。它 的要求是：低功耗、高速度、充分利用电源电 压得到大的输出摆幅。
第八章MOSFET
• MOSFET的类型 • 阈值电压 • 直流输出特性 • 跨导 • 击穿 • 高频特性 • 开关特性 • 倒相器 • 二级效应
MOSFET结构示意图
左图为MOSFET结构示意图。 MOSFET有增强型和耗尽型 两种，在左下图中给出。
p(或 n)
增强型
耗尽型
增强型：栅极不加电压时表面没有沟道， 源和漏之间不导通。栅极加电压使沟道 逐步形成，沟道内载流子逐步增加，导电 能力逐步增强。
E(x)
0
扩散势 0.7 V
L
x
MOSFET 的栅击穿
SiO2 击穿电场 Ec = (5~10)106 V/cm
Eg. Cox = 1 pF，tox = 100 nm，Q = (5~10)1011 C
EoxtoQ xCox5106V/cm 栅击穿！ SGD
n+
齐纳二极管 （隧道二极管）
D
D
G
BG
B
S
S
D
D
G
BG
B
S
S
MOSFET 的阈值电压
V T V F B 2 V B Q B C (d o m x )a V x F B 2 V B qC A o d N m x ax
其中
V FB m sC Q o ssx C 1 ox0 tox tx ox(x)dx
其中（饱和区）
S
S
考虑到实际 MOSFET 的寄生电容
gmnCox W LVG SVT
CGS32CG32CoW x L
（尤其是栅漏交迭电容 CGDO）， CGDO 作为反馈电容耦合进Ci，
f m a 2 g C m x i 2 C G C S G S 1 g m O G V C G C D G D 2 O 1 g G m V C G
耗尽型：栅极不加电压时表面就有沟道， 源和漏之间处于导通状态。栅极加电压 使沟道逐步耗尽，导电能力逐步减弱。
MOSFET 的类型和符号
衬底 S/D 载流子 VDS IDS 载流子运动方向 VT
NMOS
增强型 耗尽型
p
n+ 电子
+
DS
SD
+
PMOS
增强型 耗尽型
n
p+ 空穴
SD
SD
+
符号
ID SC oxnW L V G S V TV D S1 2 V D 2 S 跨导参数
Coxn
W L
MOSFET 的饱和区
定义 VDSsat VGS VT (1) 当 VDS = VDSsat 时
Qn(L) = 0 反型电子消失 沟道被夹断
ID S C ox n W L V G V S T V G V S T 1 2 V G V S T 2
开关速度取决于对电容的 充放电和载流子渡越时间。
A
0 Von
负载线
B VDS
Voff VDD
几种 MOS 倒相器
+VDD
电阻负载型 RD MOS 倒相器
+VDD
E-E MOS
M2
倒相器
C
M1
C
+VDD
M2
E-D MOS
倒相器
M1
C
+VDD M2
CMOS 倒相器
M1
C
MOS 倒相器负载线和电压传输特性
NMOS（增强型）
四种 MOSFET 的转移特性
NMOS（增强型）
NMOS（耗尽型）
PMOS（增强型）
PMOS（耗尽型）
MOSFET 的跨导
定义：跨导 gm
gm
I DS VGS
VDS
[S] [1] 西门子
=
VDS
线性区
V G SV T 饱和区
提高 gm 的途径：
1o n tox ox Cox W/L
• 按照以上的按比例缩小规则制作的器件：器件的工作速度提高倍、密度 增加2倍、功耗降低2倍、阈值电压的减小接近倍；而亚阈值电流基本 不变。与此同时由于寄生电容没有减少和互连电阻增加会使延迟时间增 加。
MOSFET 的二级效应
1o 非常数表面迁移率效应（表面散射、栅电场） ； 2o 漏端速度饱和效应；
• 从这些要求出发，CMOS的突出优点是功耗低、 电压摆幅大；而E-DNMOS占用面积小、速度 比较快、电压摆幅也比较大；EE-NMOS性能 最差，但是最容易制造。
MOSFET按比例缩小规则
• 集成电路技术的发展缩小器件和电路的尺寸，为了降低成本和缩短设计 时间通常对MOSFET采用按比例缩小规则。最简单的办法是：把沟道长 度杂L质、浓宽度度则W乘、以氧该化比层例厚系度数tox、。栅这电时压在和缩漏小电器压件都尺除寸以时某提一高比了例器系件数的，工而作 速度和集成度而沟道内的电场保持不变。
• 沟道内载流子的迁移率为常数 n (E) = C ；
• 缓变沟道近似
Ex(x,y)Ey(x,y)
x
y
MOSFET 的可调电阻区 (线性区)
强反型条件下（VGS > VT） VDS 较小时 沟道中反型电子电荷面密度
V(0) = 0 0
V(L) = VDS
Ly
B
Q n C oV x G S V T
击穿区
MOSFET 的击穿特性
(2) 沟道雪崩击穿
VGS > VT
S
D VDS
. n+
。 n+
p-Si
(3) 漏源势垒穿通
VGS
S
VDS
n+
n+
p-Si
B
VDS Ey
当 Ey Ec 时，沟道击穿 电子：沟道 D 沟道 SiO2 空穴：沟道 B
B
VPT
qNAL2
2s
VD
2. 衬底杂质浓度 NA 的影响
VB
kqTln
NA ni
NA 增加 1 个数量级， VB 增加 60 mV
3. 界面固定电荷 QSS 的影响
4. 离子注入调整阈值电压
离子注入调整阈值电压
V T n m sC Q o ss xqC A N o dm x a2 xk qlT nN n iA
MOSFET 阈值电压控制
V T n m sC Q o ss xqC A N o dm x a2 xk qlT nN n iA
1. 金属功函数 Wm 的影响
金属 Mg Al Ni Cu Au Ag n+-poly p+-poly
Wm (eV) 3.35 4.1 4.55 4.7 5.0 5.1 4.05 5.15
CMOS闭锁效应
• 前面看到CMOS结构有寄生的NPNP结构。 • NPNP结构可以看作由PNP和NPN两个晶体管的复合结构。
P
P
N
N
N
P
P
P
N
N
• 从图中不难看出这是一个触发器，只要两个晶体管共基极电流增益之和 等于1，该结构就处于导通状态。
• 当上端接正时中间的PN结是反向的，而上端接负时上下两个PN结都是反 向的，因此可以认为它们处于截至状态。这时电流很小，电流增益也很 小，不会导通。
功函数差 qm s W mW s , 表面固定电荷 Q S S
在忽略氧化层中 电荷(x)的情况下
n 沟 MOS
（NMOS）
V T n m sC Q o ss xqC A N o dm x a2 xk qlT nN n iA
p 沟 MOS
（PMOS）
V T p m sC Q o ss xqC D N o dm x a2 xk qlT nN n iD