白底 9第9章MOS场效应晶体管PPT课件
合集下载
白底9第9章MOS场效应晶体管
9-2-4 短、窄沟道效应对阈值电压的影响2
窄沟道效应 现象：图1-1-9, W方向，电场的边缘效应使W增加 分析：耗尽层体积增加--使栅压控制的耗尽层电荷增加--使阈值电压增加 公式：1-2-30 其它 场区注入使Vt增加 漏感应势垒降低效应使Vt下降 综合公式：1-2-31
9-3 电流方程
MOS晶体管的瞬态特性
2000-9-20
*
9-1，MOS晶体管工作原理
01
02
03
04
05
2000-9-20
*
9-1-1 MOS晶体管的基本结构 MOS晶体管--- MOSFET,金属-氧化物-半导体场效应晶体管 基本结构：源区，漏区，沟道区,图1-1-2，图1-1-1, 主要结构参数： 沟道长度（1-1-2,栅极图形沟道长度poly,实际沟道长度S-D） 沟道宽度W (1-1-3, W= W1 +W2 +W3) 栅氧化层厚度tox 源漏区结深 Xj （见图1-1-1 ）
2000-9-20
*
9-2-2 体效应对阈值电压的影响
Vbs不是0时，产生体效应。
1
例：对 nmos管 Vbs <0，源和漏PN结反偏-- QBm 增加--阈值电压增加
计算：公式1-2-11和1-2-13（下页）
理论结果： Vbs增加，则阈值电压增加 衬底浓度增加，则阈值电压增加
实验结果：图1-2-1
1，材料： 金属类型фMS ，氧化层中的电荷QOX 半导体沟道区掺杂浓度NA 半导体材料参数 ni ; εi 2，氧化层厚度：越厚则阈值电压越大 衬底参杂高，则阈值电压越大 3，温度：温度上升，阈值电压下降 4，和器件的横向尺寸无关 调整考虑： 降低。以便降低芯片耗电。 控制器件类型 平衡对偶器管子（CMOS）
《MOS场效应晶体管》课件
MOS场效应晶体管的制造工艺
1
制造工艺流程
MOS场效应晶体管的制造过程包括晶圆加工、掺杂、薄膜沉积、光刻和封装等 关键步骤。
2
生产中的注意事项
在MOS场效应晶体管的生产过程中，需要注意材料的纯净度、工艺参数的控制 和设备的精确性，以确保器件的质量和性能。
结束
感谢您的聆听，希望这份课件能够帮助您更好地理解MOS场效应晶体管的重 要性和应用，欢迎进一步探索和学习更多相关知识。
原则和优缺点
两种类型的MOS场效应晶体管在特性、工作模式和应用上存在一些原则和优缺点，需要根 据具体需求选择合适的类型。
MOS场效应晶体管的应用
应用领域
MOS场效应晶体管广泛应用于集成电路、通信、计 算机、消费电子等领域，是现代电子技术的重要组 成部分。
电路中的应用
MOS场效应晶体管在逻辑门、放大器、模拟电路和 功率电子等电路中发挥关键作用，满足不同应用的 要求。
MOS场效应晶体管的特性和工作原理
1 主要特性
2 工作原理
MOS场效应晶体管场效应晶体管通过控制栅极电压来调节 电流，实现信号的放大、开关和调制等功能。
MOS场效应晶体管的分类
分类介绍
MOS场效应晶体管根据栅极与通道之间的结构和电荷输运机制进行分类，主要包括增强型 和耗尽型。
《MOS场效应晶体管》课 件
通过这份课件，您将了解到有关MOS场效应晶体管的重要概念、特性、应用 及制造工艺，欢迎加入我们的学习之旅！
MOS场效应晶体管简介
MOS场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)是一种关键的电子器件，广泛应用于现 代半导体技术中。它由金属、氧化物和半导体材料构成，具有卓越的电子控制能力。
MOS场效应晶体管74026-PPT精选文档
正常 放大 时外 加偏 置电 压的 要求
VGS<0 ，使栅极 PN 结反偏，iG=0。
VDS>0 ， 使 形 成 漏 电流iD。
问题：如果是P沟道，直流偏置应如何加？
栅源电压对沟道的控制作用
（动画2－9）
VGS 继续减小，沟道继续变窄， ID继续减小直至为0。当 当 VV =0时，在漏、源之间加有一定电压时，在漏源 GS 当 GS＜0时，PN结反偏，形成耗尽层，漏源间的 漏极电流为零时所对应的栅源电压 VGS称为夹断电压 VP。 间将形成多子的漂移运动，产生漏极电流。 沟道将变窄，ID将减小。
断”。
特性曲线
vGS 2 iD IDSS (1 ) VP
v v v V G D G SD S P
(a) N沟道结型FET (b) 输出特性曲线
(b) N沟道结型FET 转移特性曲线
各类场效应三极管的特性曲线
N 沟 道 增 强 型 P 沟 道 增 强 型
绝 缘 栅 场 效 应 管
各类场效应三极管的特性曲线
N 沟 道 耗 尽 型 P 沟 道 耗 尽 型
绝 缘 栅 场 效 应 管
各类场效应三极管的特性曲线
结 型 场 效 应 管
N 沟 道
P 沟 道
场效应管参数 开启电压VGS(th) (或VT)
开启电压是 MOS增强型管的参数，栅源电压 小于开启电压的绝对值, 场效应管不能导通。
§2.3 MOS场效应晶体管
分类
Junction type Field Effect Transistor
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
场 效 应 管
结型场效应三极管JFET
N沟道
P沟道
绝缘栅型场效应三极管IGFET Insulated Gate Field Effect Transistor
场效应晶体管基础PPT课件
Q'SD (max) eNa xdT
金属 氧化物 p型半导体 金属 氧化物 p型半导体
VG VOX s ms
s 2 f p
VOX Q'SD (max) Q'ss COX
VTP
Q'SD (max) Q'ss COX
ms 2 f p
VTP
Q'SD (max) COX
OX
tOX
8、理想 C-V特性
C'
C 'OX
堆积
C 'OX
C 'FB
低频
C 'SD
强反型 中反型
耗尽
C 'min 高频 VFB 0
VT
VG
C 'OX
OX
tOX
C 'FB tOX
LD
OX OX LD s
sVth
eN a
C 'min tOX
xdT
OX OX xdT s
Q'ss
Ec EFi EF Ev
金属 氧化物 半导体
VG VOX s ms
s 0
VOX
Q'm Q'ss COX COX
VFB
Q'ss ms COX
Q'm Q'ss 0
5、 阈值电压
eVOX
es
e f p
Ec EFi EF Ev
Q'mT
Q'ss
xdT
tox
1 2
ms
Eg m 2e f p
MOS场效应晶体管课件
形，如图6.2 。
必须指出，上述讨论未考虑到反型层中的电子是哪 里来的。若该MOS电容是一个孤立的电容，这些电子只 能依靠共价键的分解来提供，它是一个慢过程，ms级。
2023/12/22
15
MOS电容—测量
若测量电容的方法是逐点测量法—一种慢进 程，那么将测量到这种凹谷曲线。
① ⑤
②
③
④
图 5.2
区，栅极与源极扩散区都存
在着某些交迭，故客观上存
在着Cgs和Cgd。当然，引出 线之间还有杂散电容，可
以计入Cgs和Cgd。
图 5.3
2023/12/22
18
MOS电容的计算
Cg、Cd的值还与所加的电压有关:
1）若Vgs<VT，沟道未建立，MOS管漏源沟道不通。 MOS电容 C = Cox，但C 对Cd无贡献。
2023/12/22
16
MOS电容凹谷特性测量
若测量电容采用高频方法，譬如，扫频方法， 电压变化很快。共价键就来不及瓦解，反型层就 无法及时形成，于是，电容曲线就回到Cox值。 然而，在大部分场合，MOS电容与n+区接在一 起，有大量的电子来源，反型层可以很快形成， 故不论测量频率多高，电压变化多快，电容曲线 都呈凹谷形。
2023/12/22
6
MOSFET特性曲线
在非饱和区 Ids Vds C a1Vgs b1 线性工作区
在饱和区 Ids a2 Vgs VT 2
(Ids 与 Vds无关) . MOSFET是平方律器件!
Ids
饱和区
线性区
击穿区
0
2023/2 MOSFET电容的组成
的二倍。它不仅抵消了空穴，成为本征半导体，而
且在形成的反型层中，电子浓度已达到原先的空穴 浓度这样的反型层就是强反型层。显然，耗尽层厚 度不再增加，CSi也不再减小。这样，
必须指出，上述讨论未考虑到反型层中的电子是哪 里来的。若该MOS电容是一个孤立的电容，这些电子只 能依靠共价键的分解来提供，它是一个慢过程，ms级。
2023/12/22
15
MOS电容—测量
若测量电容的方法是逐点测量法—一种慢进 程，那么将测量到这种凹谷曲线。
① ⑤
②
③
④
图 5.2
区，栅极与源极扩散区都存
在着某些交迭，故客观上存
在着Cgs和Cgd。当然，引出 线之间还有杂散电容，可
以计入Cgs和Cgd。
图 5.3
2023/12/22
18
MOS电容的计算
Cg、Cd的值还与所加的电压有关:
1）若Vgs<VT，沟道未建立，MOS管漏源沟道不通。 MOS电容 C = Cox，但C 对Cd无贡献。
2023/12/22
16
MOS电容凹谷特性测量
若测量电容采用高频方法，譬如，扫频方法， 电压变化很快。共价键就来不及瓦解，反型层就 无法及时形成，于是，电容曲线就回到Cox值。 然而，在大部分场合，MOS电容与n+区接在一 起，有大量的电子来源，反型层可以很快形成， 故不论测量频率多高，电压变化多快，电容曲线 都呈凹谷形。
2023/12/22
6
MOSFET特性曲线
在非饱和区 Ids Vds C a1Vgs b1 线性工作区
在饱和区 Ids a2 Vgs VT 2
(Ids 与 Vds无关) . MOSFET是平方律器件!
Ids
饱和区
线性区
击穿区
0
2023/2 MOSFET电容的组成
的二倍。它不仅抵消了空穴，成为本征半导体，而
且在形成的反型层中，电子浓度已达到原先的空穴 浓度这样的反型层就是强反型层。显然，耗尽层厚 度不再增加，CSi也不再减小。这样，
场效应晶体管及其放大电路PPT
（3） 在N沟道JFET中，uGS和UGS（off）均为负值。
在P沟道JFET中，uGS和UGS（off）均为正值。
3.1.3
结型场效应管的伏安特性
+ + – –
在正常情况下，iG =0，管子无输入特性。
1．输出特性（漏极特性）
+ +
6
4
2
可 变 电 阻 区
–
–
放大区
特性曲线
0
10
20
截止区
6
（2）当管子工作于恒流区时，转移特性曲线基本重合。
I DSS
当管子工作于恒流区时
uGS 2 iD I DSS (1 ) U GS(off)
I DSS iD uGS 0 V
uDS U GS(off)
称为零偏漏极电流
3.1.4
结型场效应管的主要电参数
1．直流参数
(1) 夹断电压UGS(off)
=0
G D
+ + P P
UGS(off)——
栅源截止电压 或夹断电压
N型导电沟
N
道
P+
当uDS=0时，uGS对沟道的控制作用动画演示
2．当uGS =0时，uDS对沟道的控制作用 – S =0 G + D
P+
N型导电沟
N
道
P+
a．0<uDS<|UGS(off)|
(a) 漏极电流iD≠0 uDS增大，iD增大。 (b) 沿沟道有电位梯度 (c)沿沟道PN结 反偏电压不同
– S =0 G
+ D
P+
N型导电沟
uDS 道
N
场效应晶体管放大电路优秀课件
-15 -10 -5 O
G PN S
场效应晶体管放大电路优秀课件
uDS +
G
N P
_
uGS
_
4
uGS / V
D iD
+
S
uDS
_
• 另：NPN型晶体管与 PNP型晶体管特性曲线 也以纵轴对称
c iB P iC bN
P iE e
iB =80uA
iC / mA 40
i B 40uA
i B 20 uA
不易受静电影响
易受静电影响
不易大规模集成
适宜大规模和超大规模集成
场效应晶体管放大电路优秀课件
场效应管放大电路
c
D
D
b
G
G
e
S
场效应晶体管放大电路优秀课件
B
S
共源组态基本放大电路
VDD
VDD
R g1
R d C2
Rg1
Rd
C2
C1
VT ID
C1
VT
ui
R g2 U G U S
Rs
Cs
uo
ui
i B 5 uA -3 -2 -1
30
20
10 uCE/ V
O
iB / uA 40
30
20
10
场效应晶体管放大电路优秀课件
0.5
O
u BE / V
晶体管类型 项目
结构
BJ双极T型V晶体S管(FBJTE) T
场效应晶体管(FET)
NPN型 PNP型
结
型：N沟道, P沟道
绝缘栅增强型： N沟道 ,P沟道
Cs
R
《场效应晶体管》课件
压力
在制造过程中，压力也是一个重要的参数，它能够影响材 料的物理性质和化学反应速度，从而影响晶体管的性能。
时间
时间是制造过程中的另一个重要参数，不同的工艺步骤需 要不同的时间来完成，时间过长或过短都可能影响晶体管 的性能。
气体流量
在化学气相沉积等工艺中，气体流量是关键的参数之一， 它能够影响材料的生长速度和均匀性，从而影响晶体管的 性能。
掌握搭建场效应晶体管放大电路的基本技 能。
05
06
学会使用示波器和信号发生器测试放大电 路的性能。
特性测量实验
实验三：场效应晶体管的 转移特性与输出特性测量
分析测量结果，理解场效 应晶体管的工作机制。
学习测量场效应晶体管频 率响应和噪声特性的方法。
掌握场效应晶体管转移特 性和输出特性的测量方法。
实验四：场效应晶体管的 频率响应与噪声特性测量
了新的可能。
制程技术优化与突破
制程技术
不断缩小晶体管的尺寸，提高集成度和能效比，同时降低制造成本。
突破
探索新型制程技术，如纳米线、纳米孔等新型器件结构，以提高场效应晶体管的性能和 稳定性。
应用领域的拓展与挑战
要点一
应用领域
场效应晶体管的应用领域不断拓展，包括通信、物联网、 智能制造、医疗电子等领域。
要点二
挑战
随着应用领域的拓展，对场效应晶体管的性能要求也越来 越高，需要不断研究和改进以满足市场需求。
Part
06
实验与习题
基本实验操作
实验一：场效应晶体管的认知与检测
01
02
了解场效应晶体管的基本结构和工作原理。
学习使用万用表检测场效应晶体管的方法 。
03
04
实验二：场效应晶体管放大电路的搭建与 测试
在制造过程中，压力也是一个重要的参数，它能够影响材 料的物理性质和化学反应速度，从而影响晶体管的性能。
时间
时间是制造过程中的另一个重要参数，不同的工艺步骤需 要不同的时间来完成，时间过长或过短都可能影响晶体管 的性能。
气体流量
在化学气相沉积等工艺中，气体流量是关键的参数之一， 它能够影响材料的生长速度和均匀性，从而影响晶体管的 性能。
掌握搭建场效应晶体管放大电路的基本技 能。
05
06
学会使用示波器和信号发生器测试放大电 路的性能。
特性测量实验
实验三：场效应晶体管的 转移特性与输出特性测量
分析测量结果，理解场效 应晶体管的工作机制。
学习测量场效应晶体管频 率响应和噪声特性的方法。
掌握场效应晶体管转移特 性和输出特性的测量方法。
实验四：场效应晶体管的 频率响应与噪声特性测量
了新的可能。
制程技术优化与突破
制程技术
不断缩小晶体管的尺寸，提高集成度和能效比，同时降低制造成本。
突破
探索新型制程技术，如纳米线、纳米孔等新型器件结构，以提高场效应晶体管的性能和 稳定性。
应用领域的拓展与挑战
要点一
应用领域
场效应晶体管的应用领域不断拓展，包括通信、物联网、 智能制造、医疗电子等领域。
要点二
挑战
随着应用领域的拓展，对场效应晶体管的性能要求也越来 越高，需要不断研究和改进以满足市场需求。
Part
06
实验与习题
基本实验操作
实验一：场效应晶体管的认知与检测
01
02
了解场效应晶体管的基本结构和工作原理。
学习使用万用表检测场效应晶体管的方法 。
03
04
实验二：场效应晶体管放大电路的搭建与 测试
场效应晶体管及其应用资料课件
在模拟电路中的应用
信号放大
在模拟电路中，场效应管 可作为放大器使用，具有 低噪声、高输入阻抗等优 点。
混频器和振荡器
场效应管可用于构建混频 器和振荡器，用于信号处 理和通信系统。
电源管理
在电源电路中，场效应管 可用来调节电压和电流， 实现高效的电源管理。
在功率电路中的应用
电源开关
在功率电路中，场效应管可作为 电源开关使用，实现高效、快速
注入的均匀性和准确性。
设备选择
03
根据具体的制造工艺选择相应的设备，如氧化炉、光刻机、刻
蚀机和离子注入机等。
06
实际应用案例分析
场效应晶体管在微处理器中的应用
场效应晶体管在微处理器中作 为开关元件，控制电流的通断 。
由于其高速开关特性和低导通 电阻，场效应晶体管在微处理 器中能够实现高速、低功耗的 数据传输。
可靠性问题
随着使用时间的增长，场效应晶体管可能会出现老化、失效等问题 ，影响电子设备的稳定性和寿命。
能效问题
目前场效应晶体管的能效还有待提高，尤其是在低电压、低功耗的 应用场景下，需要进一步优化设计。
未来的发展趋势与前景
新材料与新工艺
绿色环保
随着新材料和先进工艺的发展，场效 应晶体管将不断优化，实现更高的性 能和更低的功耗。
结构
场效应晶体管由源极、漏极、栅极和基片组成，其中栅极通 过绝缘层与基片隔离，通过改变输入电压来控制输出电流。
02
场效应晶体管的性能参数
直流参数
开启电压
指场效应管正常工作所需的最 小电压，也称阈值电压。
漏源饱和电压
当漏极电流达到最大时，对应 的漏源电压称为漏源饱和电压 。
跨导
表示场效应管放大能力的参数 ，定义为电压变化量与电流变 化量的比值。
MOS场效应晶体管ppt课件
MOS 场效应晶体管基本结构示意图
16
2. MOS管的基本工作原理
MOS 场效应晶体管的工作原理示意图
17
4.2.2 MOS 场效应晶体管的转移特性
MOS 场效应晶体管可分为以下四种类型:N沟增强型、 N沟耗尽型、P沟增强型、P沟耗尽型。 1. N沟增强型MOS管及转移特性
18
2. N沟耗尽型MOS管及转移特性 3.P沟增强型MOS管及转移特性
理想 MOS 二极管不同 偏压下的能带图及 电荷分布
a) 积累现象 b) 耗尽现象 c) 反型现象
3
2.表面势与表面耗尽区 下图给出了P型半导体MOS结构在栅极电压UG>>0情况 下更为详细的能带图。
4
在下面的讨论中，定义与费米能级相对应的费米势为
F
(Ei
EF )体内 q
因此，对于P型半导体， F
如图所示，当漏源电压UDS增高到某一值时，漏源电流 就会突然增大，输出特性曲线向上翘起而进入击穿区。 关于击穿原因，可用两种不同的击穿机理进行解释：漏 区与衬底之间PN结的雪崩击穿和漏-源之间的穿通。
41
1. 漏区-衬底之间的PN结击穿 在MOS晶体管结构中，栅极金属有一部分要覆盖在漏极上。 由于金属栅的电压一般低于漏区的电位，这就在金属栅极 与漏区之间形成附加电场，这个电场使栅极下面PN结的耗 尽区电场增大，如下图，因而使漏源耐压大大降低。
a) N 沟 MOS b) P 沟 MOS
29
3. 衬底杂质浓度的影响
衬底杂质浓度对阀值电压的影响
30
4. 功函数差的影响
功函数差也将随衬底杂质浓度的变化而变化。但实验证明， 该变化的范围并不大。 从阀值电压的表示式可知，功函数越大，阀值电压越高。 为降低阀值电压，应选择功函数差较低的材料，如掺杂多 晶体硅作栅电极。
16
2. MOS管的基本工作原理
MOS 场效应晶体管的工作原理示意图
17
4.2.2 MOS 场效应晶体管的转移特性
MOS 场效应晶体管可分为以下四种类型:N沟增强型、 N沟耗尽型、P沟增强型、P沟耗尽型。 1. N沟增强型MOS管及转移特性
18
2. N沟耗尽型MOS管及转移特性 3.P沟增强型MOS管及转移特性
理想 MOS 二极管不同 偏压下的能带图及 电荷分布
a) 积累现象 b) 耗尽现象 c) 反型现象
3
2.表面势与表面耗尽区 下图给出了P型半导体MOS结构在栅极电压UG>>0情况 下更为详细的能带图。
4
在下面的讨论中，定义与费米能级相对应的费米势为
F
(Ei
EF )体内 q
因此，对于P型半导体， F
如图所示，当漏源电压UDS增高到某一值时，漏源电流 就会突然增大，输出特性曲线向上翘起而进入击穿区。 关于击穿原因，可用两种不同的击穿机理进行解释：漏 区与衬底之间PN结的雪崩击穿和漏-源之间的穿通。
41
1. 漏区-衬底之间的PN结击穿 在MOS晶体管结构中，栅极金属有一部分要覆盖在漏极上。 由于金属栅的电压一般低于漏区的电位，这就在金属栅极 与漏区之间形成附加电场，这个电场使栅极下面PN结的耗 尽区电场增大，如下图，因而使漏源耐压大大降低。
a) N 沟 MOS b) P 沟 MOS
29
3. 衬底杂质浓度的影响
衬底杂质浓度对阀值电压的影响
30
4. 功函数差的影响
功函数差也将随衬底杂质浓度的变化而变化。但实验证明， 该变化的范围并不大。 从阀值电压的表示式可知，功函数越大，阀值电压越高。 为降低阀值电压，应选择功函数差较低的材料，如掺杂多 晶体硅作栅电极。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
• 高的阈值电压用高的衬底掺杂完成，但击穿电压 低、结电容大、体校应系数大。
• 做法：离子注入产生局部高的衬底浓度，注入和 衬底相同类型的杂质。
• 例2 ：耗尽型器件要低或相反的阈值电压
• 做法：离子注入和衬底相反类型的杂质，以便形 成原始沟道。
2000-9-20
15
9-2-4 短、窄沟道效应对阈值电压的影响1
第九章MOS场效应晶体管
• 9-1， MOS 管基本原理 • 9-2， MOS 管的电学参数1阈值电压 • 9-3，电流方程 • 9-4，其他电学参数
2000-9-20
1
第九章Mos场效应晶体管原理
• 参考书：
• 双极型与MOS半导体器件原理
• 黄均鼎 汤庭鳌 编著 • 复旦大学出版社
• 晶体管原理 • 半导体器件电子学（英文版）
• 基本结构：源区，漏区，沟道区,图1-1-2， 图1-1-1,
• 主要结构参数：
– 沟道长度（1-1-2,栅极图形沟道长度poly,实际沟道长度S-D） – 沟道宽度W (1-1-3, W= W1 +W2 +W3) – 栅氧化层厚度tox – 源漏区结深 Xj （见图1-1-1 ）
2000-9-20
11
9-2-1影响V t的基本因素
• 1，材料：
ф – 金属类型 MS ，氧化层中的电荷QOX
– 半导体沟道区掺杂浓度NA
ε – 半导体材料参数 ni ; i
• 2，氧化层厚度：越厚则阈值电压越大 • 衬底参杂高，则阈值电压越大 • 3，温度：温度上升，阈值电压下降 • 4，和器件的横向尺寸无关 • 调整考虑：
• 短沟道效应
• 现象：图1-2-5, L方向，源漏耗尽区横向 扩展使有效的L下降。
• 分析：耗尽层体积减小--使栅压控制的耗 尽层电荷减少--使阈值电压降低
• 公式：1-2-29 • 计算结果：图1-2-6
2000-9-20
16
9-2-4 短、窄沟道效应对阈值电压的影响2
• 窄沟道效应
• 现象：图1-1-9, W方向，电场的边缘效应使W增加 • 分析：耗尽层体积增加--使栅压控制的耗尽层电
荷增加--使阈值电压增加 • 公式：1-2-30
• 其它
– 场区注入使Vt增加
– 漏感应势垒降低效应使Vt下降
• 综合公式：1-2-31
2000-9-20
17
9-3 电流方程
– 四端器件图 （1-3-1） – 2维电场 （1-3-2） – 推导近似 – 方程推导和结果（式1-3-9）
IDβ(VG-SV F-B 2F)VD-S1 2VD2 S
– （图1-1-6，截止区，线性区，饱和区，击穿区）
• 问题：为什么MOS晶体管也叫单极晶体管？
2000-9-20
6
9-1-3 MOS晶体管的分类
• 按导电类型：
– NMOS管： N沟道 MOS晶体管 – PMOS管： P沟道 MOS晶体管
• 按工作机制分：
– 增强型器件：（也叫常截止器件） – 耗尽型器件：（也叫常导通器件） – 图1-1-9
-3 2rB(2FVBS VD)S32(2FVB)S32
• 美国，R.M.Warner, • 电子工业出版社
2000-9-20
2
9-1 MOS晶体管工作原理
• 9-1-1 MOS晶体管的结构特点和基本原理 • 9-1-2 MOS晶体管的阈值电压分析 • 9-1-3 MOS晶体管的电流方程 • 9-1-4 MOS晶体管的瞬态特性
2000-9-20
3
9-1，MOS晶体管工作原理
• 1-1 MOS晶体管的结构特点和基本原理 • 1-2 MOS晶体管的阈值电压分析 • 1-3 MOS晶体管的电流方程 • 1-4 MOS晶体管的瞬态特性
• 补充：1-5 MOS晶体管的其它电学参数1
2000-9-20
4
9-1-1 MOS晶体管的基本结构
• MOS晶体管--- MOSFET,金属-氧化物-半 导体场效应晶体管
• 阈值电压V t：决定MOS管状态的关键。 • Vgs < V t ：截止态； • Vgs > V t：导通态。
2000-9-20
9
9-2-1 影响阈值电压的因素
• 定义：V t= Vgs |表面强反型时
• 表达式： –V t= V FB+2фF-QBm/Cox
• 电压降在平带电压，强反型电压，栅氧化层
2000-9-20
7
9-1-4 MOS晶体管的结构特点
• 结构简单面积小-------便于集成 • 输入阻抗很高-------级间可以直接耦合 • 源漏对称-------------电路设计灵活 • 有效工作区集中在表面，和衬底隔离
2000-9-20
8
9-2 MOS管的阈值电压分析
• 阈值电压定义：使沟道区源端半导体表 面达到强反型所需要的栅压。
• Vbs增加，则阈值电压增加
• 衬底浓度增加，则阈值电压增加
– 实验结果：图1-2-1Βιβλιοθήκη 2000-9-2013
体效应公式
VTVFB2 FQ'Bm
Cox
Q B m '-20S iq N A (2F V B S), V B S0
2000-9-20
14
9-2-3 离子注入调节阈值电压
• 例1：增强型器件要高的阈值电压
– 降低。以便降低芯片耗电。 – 控制器件类型 – 平衡对偶器管子（CMOS）
2000-9-20
12
9-2-2 体效应对阈值电压的影响
– Vbs不是0时，产生体效应。 – 例：对 nmos管 Vbs <0，源和漏PN结反
偏-- QBm 增加--阈值电压增加 – 计算：公式1-2-11和1-2-13（下页） – 理论结果：
5
9-1-2 MOS管基本工作原理
• 工作原理--栅压控制器件 (1-1-4能带图)
– Vgs=0，截止 – 0< Vgs < V t，截止（沟道表面耗尽、弱反型） – Vgs > V t （图1-3-3）开启
• 情况1：Vds=0 • 情况2： Vds>0
• 转移特性曲线（图1-1-5，漏级电流，栅压，漏压，阈值电压） • 输出特性曲线---I-V曲线
• 计算：将公式1-1-3到1-2-8代入上式
2000-9-20
10
VTVFB 2FQ Bm(1.2.1)
Cox
VFB M-SQ CO OX X (1.2.6)
FkqΤlnΝ nΑ i
(1.2.2)
QBm- 2ε0εSiqNA(2F)
C ox εt0o εoxx
(1.2.5)
2000-9-20
• 做法：离子注入产生局部高的衬底浓度，注入和 衬底相同类型的杂质。
• 例2 ：耗尽型器件要低或相反的阈值电压
• 做法：离子注入和衬底相反类型的杂质，以便形 成原始沟道。
2000-9-20
15
9-2-4 短、窄沟道效应对阈值电压的影响1
第九章MOS场效应晶体管
• 9-1， MOS 管基本原理 • 9-2， MOS 管的电学参数1阈值电压 • 9-3，电流方程 • 9-4，其他电学参数
2000-9-20
1
第九章Mos场效应晶体管原理
• 参考书：
• 双极型与MOS半导体器件原理
• 黄均鼎 汤庭鳌 编著 • 复旦大学出版社
• 晶体管原理 • 半导体器件电子学（英文版）
• 基本结构：源区，漏区，沟道区,图1-1-2， 图1-1-1,
• 主要结构参数：
– 沟道长度（1-1-2,栅极图形沟道长度poly,实际沟道长度S-D） – 沟道宽度W (1-1-3, W= W1 +W2 +W3) – 栅氧化层厚度tox – 源漏区结深 Xj （见图1-1-1 ）
2000-9-20
11
9-2-1影响V t的基本因素
• 1，材料：
ф – 金属类型 MS ，氧化层中的电荷QOX
– 半导体沟道区掺杂浓度NA
ε – 半导体材料参数 ni ; i
• 2，氧化层厚度：越厚则阈值电压越大 • 衬底参杂高，则阈值电压越大 • 3，温度：温度上升，阈值电压下降 • 4，和器件的横向尺寸无关 • 调整考虑：
• 短沟道效应
• 现象：图1-2-5, L方向，源漏耗尽区横向 扩展使有效的L下降。
• 分析：耗尽层体积减小--使栅压控制的耗 尽层电荷减少--使阈值电压降低
• 公式：1-2-29 • 计算结果：图1-2-6
2000-9-20
16
9-2-4 短、窄沟道效应对阈值电压的影响2
• 窄沟道效应
• 现象：图1-1-9, W方向，电场的边缘效应使W增加 • 分析：耗尽层体积增加--使栅压控制的耗尽层电
荷增加--使阈值电压增加 • 公式：1-2-30
• 其它
– 场区注入使Vt增加
– 漏感应势垒降低效应使Vt下降
• 综合公式：1-2-31
2000-9-20
17
9-3 电流方程
– 四端器件图 （1-3-1） – 2维电场 （1-3-2） – 推导近似 – 方程推导和结果（式1-3-9）
IDβ(VG-SV F-B 2F)VD-S1 2VD2 S
– （图1-1-6，截止区，线性区，饱和区，击穿区）
• 问题：为什么MOS晶体管也叫单极晶体管？
2000-9-20
6
9-1-3 MOS晶体管的分类
• 按导电类型：
– NMOS管： N沟道 MOS晶体管 – PMOS管： P沟道 MOS晶体管
• 按工作机制分：
– 增强型器件：（也叫常截止器件） – 耗尽型器件：（也叫常导通器件） – 图1-1-9
-3 2rB(2FVBS VD)S32(2FVB)S32
• 美国，R.M.Warner, • 电子工业出版社
2000-9-20
2
9-1 MOS晶体管工作原理
• 9-1-1 MOS晶体管的结构特点和基本原理 • 9-1-2 MOS晶体管的阈值电压分析 • 9-1-3 MOS晶体管的电流方程 • 9-1-4 MOS晶体管的瞬态特性
2000-9-20
3
9-1，MOS晶体管工作原理
• 1-1 MOS晶体管的结构特点和基本原理 • 1-2 MOS晶体管的阈值电压分析 • 1-3 MOS晶体管的电流方程 • 1-4 MOS晶体管的瞬态特性
• 补充：1-5 MOS晶体管的其它电学参数1
2000-9-20
4
9-1-1 MOS晶体管的基本结构
• MOS晶体管--- MOSFET,金属-氧化物-半 导体场效应晶体管
• 阈值电压V t：决定MOS管状态的关键。 • Vgs < V t ：截止态； • Vgs > V t：导通态。
2000-9-20
9
9-2-1 影响阈值电压的因素
• 定义：V t= Vgs |表面强反型时
• 表达式： –V t= V FB+2фF-QBm/Cox
• 电压降在平带电压，强反型电压，栅氧化层
2000-9-20
7
9-1-4 MOS晶体管的结构特点
• 结构简单面积小-------便于集成 • 输入阻抗很高-------级间可以直接耦合 • 源漏对称-------------电路设计灵活 • 有效工作区集中在表面，和衬底隔离
2000-9-20
8
9-2 MOS管的阈值电压分析
• 阈值电压定义：使沟道区源端半导体表 面达到强反型所需要的栅压。
• Vbs增加，则阈值电压增加
• 衬底浓度增加，则阈值电压增加
– 实验结果：图1-2-1Βιβλιοθήκη 2000-9-2013
体效应公式
VTVFB2 FQ'Bm
Cox
Q B m '-20S iq N A (2F V B S), V B S0
2000-9-20
14
9-2-3 离子注入调节阈值电压
• 例1：增强型器件要高的阈值电压
– 降低。以便降低芯片耗电。 – 控制器件类型 – 平衡对偶器管子（CMOS）
2000-9-20
12
9-2-2 体效应对阈值电压的影响
– Vbs不是0时，产生体效应。 – 例：对 nmos管 Vbs <0，源和漏PN结反
偏-- QBm 增加--阈值电压增加 – 计算：公式1-2-11和1-2-13（下页） – 理论结果：
5
9-1-2 MOS管基本工作原理
• 工作原理--栅压控制器件 (1-1-4能带图)
– Vgs=0，截止 – 0< Vgs < V t，截止（沟道表面耗尽、弱反型） – Vgs > V t （图1-3-3）开启
• 情况1：Vds=0 • 情况2： Vds>0
• 转移特性曲线（图1-1-5，漏级电流，栅压，漏压，阈值电压） • 输出特性曲线---I-V曲线
• 计算：将公式1-1-3到1-2-8代入上式
2000-9-20
10
VTVFB 2FQ Bm(1.2.1)
Cox
VFB M-SQ CO OX X (1.2.6)
FkqΤlnΝ nΑ i
(1.2.2)
QBm- 2ε0εSiqNA(2F)
C ox εt0o εoxx
(1.2.5)
2000-9-20