半导体器件MOSFET介绍
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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。
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。
D B S G S B G S
n
p+ 空穴 SD SD
D B G S
+
D B
符号
G
MOSFET 的阈值电压
VT VFB 2VB
其中
功函数差
QB (d max ) qN Ad max VFB 2VB Cox Cox
VFB
Qss 1 tox x ms ( x )dx Cox Cox 0 tox
E y ( x, y ) E x ( 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 Qn Cox VGS VT
V(0) = 0
0
V(L) = VDS
L
y
B
反型层薄层电阻 1 n Qn d ch Rsh d ch d ch 1 1 nQn nCox VGS VT
VDS VDS W I DS Cox n VGS VT VDS Rch Rsh L W L 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）： W 1 2 W I DS Cox n VGS VT VDS VDS 跨导参数 Cox n L 2 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
I DS Cox n
W 1 2 V V V V V V GS T GS T GS T L 2 1 W 1 2 2 Cox n VGS VT VDSsat 2 L 2
NMOS（增强型）
NMOS（耗尽型）
PMOS（增强型）
பைடு நூலகம்
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
D G 输入 S 输出 S
IDSsat ~ VGS（VDS为参量） 注：需保证 VDS VGS VT 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
I DS gm VGS VDS
[S] [1] 西门子
=
VDS 线性区 VGS VT 饱和区
提高 gm 的途径： 1o n tox ox Cox W/ L
MOSFET 阈值电压控制
Qss qN Ad max 2kT N A VTn ms ln Cox Cox q ni
1. 金属功函数 Wm 的影响 Mg 金属 Wm (eV) 3.35 Al Ni Cu Au Ag n+-poly p+-poly
4.1
4.55
gm
2o VGS
gms
QB qN Im VT Cox Cox
MOSFET 的输出特性
D G 输入 S 输出 S
线性区 饱和区 击穿区
IDS ~ VDS（VGS为参量）
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； 沟道内载流子的迁移率为常数 n (E) = C ； 缓变沟道近似
(2) 当 VDS > VDS sat 时 y L L 夹断点左移，有效沟道缩短 eff 1 2 I DS I DSsat VDSsat 2 L Leff L L L 1 IDSsat 不饱和，沟道长度调制效应 L
四种 MOSFET 的输出特性
Rp << dmax
增强型 耗尽型
P-Si
Q
total B
( d max )
d max
0
' qN A N A ( x )dx QB ( d max ) QB ( d max ) d max
其中 QB ( d max )
0
qN ( x )dx qN Im
' A
4.7
5.0
5.1
4.05
5.15
2. 衬底杂质浓度 NA 的影响
kT N A VB ln q 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
Qss qN Ad max 2kT N A VTn ms ln Cox Cox q ni
, 表面固定电荷 QSS
q ms Wm Ws
在忽略氧化层中 电荷(x)的情况下
n 沟 MOS Qss qN Ad max 2kT N A V ms ln （NMOS） Tn Cox Cox q ni
ND p 沟 MOS V Qss qN D d max 2kT ln Tp ms Cox Cox q （PMOS） ni
耗尽型：栅极不加电压时表面就有沟道，
p(或n)
增强型 耗尽型
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
NMOS
增强型 耗尽型
PMOS
增强型 耗尽型
衬底
S/D 载流子 VDS IDS 载流子运动方向 VT +
D
p
n+ 电子 + DS SD
• • • • • • • • • 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。
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。
D B S G S B G S
n
p+ 空穴 SD SD
D B G S
+
D B
符号
G
MOSFET 的阈值电压
VT VFB 2VB
其中
功函数差
QB (d max ) qN Ad max VFB 2VB Cox Cox
VFB
Qss 1 tox x ms ( x )dx Cox Cox 0 tox
E y ( x, y ) E x ( 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 Qn Cox VGS VT
V(0) = 0
0
V(L) = VDS
L
y
B
反型层薄层电阻 1 n Qn d ch Rsh d ch d ch 1 1 nQn nCox VGS VT
VDS VDS W I DS Cox n VGS VT VDS Rch Rsh L W L 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）： W 1 2 W I DS Cox n VGS VT VDS VDS 跨导参数 Cox n L 2 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
I DS Cox n
W 1 2 V V V V V V GS T GS T GS T L 2 1 W 1 2 2 Cox n VGS VT VDSsat 2 L 2
NMOS（增强型）
NMOS（耗尽型）
PMOS（增强型）
பைடு நூலகம்
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
D G 输入 S 输出 S
IDSsat ~ VGS（VDS为参量） 注：需保证 VDS VGS VT 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
I DS gm VGS VDS
[S] [1] 西门子
=
VDS 线性区 VGS VT 饱和区
提高 gm 的途径： 1o n tox ox Cox W/ L
MOSFET 阈值电压控制
Qss qN Ad max 2kT N A VTn ms ln Cox Cox q ni
1. 金属功函数 Wm 的影响 Mg 金属 Wm (eV) 3.35 Al Ni Cu Au Ag n+-poly p+-poly
4.1
4.55
gm
2o VGS
gms
QB qN Im VT Cox Cox
MOSFET 的输出特性
D G 输入 S 输出 S
线性区 饱和区 击穿区
IDS ~ VDS（VGS为参量）
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； 沟道内载流子的迁移率为常数 n (E) = C ； 缓变沟道近似
(2) 当 VDS > VDS sat 时 y L L 夹断点左移，有效沟道缩短 eff 1 2 I DS I DSsat VDSsat 2 L Leff L L L 1 IDSsat 不饱和，沟道长度调制效应 L
四种 MOSFET 的输出特性
Rp << dmax
增强型 耗尽型
P-Si
Q
total B
( d max )
d max
0
' qN A N A ( x )dx QB ( d max ) QB ( d max ) d max
其中 QB ( d max )
0
qN ( x )dx qN Im
' A
4.7
5.0
5.1
4.05
5.15
2. 衬底杂质浓度 NA 的影响
kT N A VB ln q 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
Qss qN Ad max 2kT N A VTn ms ln Cox Cox q ni
, 表面固定电荷 QSS
q ms Wm Ws
在忽略氧化层中 电荷(x)的情况下
n 沟 MOS Qss qN Ad max 2kT N A V ms ln （NMOS） Tn Cox Cox q ni
ND p 沟 MOS V Qss qN D d max 2kT ln Tp ms Cox Cox q （PMOS） ni
耗尽型：栅极不加电压时表面就有沟道，
p(或n)
增强型 耗尽型
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
NMOS
增强型 耗尽型
PMOS
增强型 耗尽型
衬底
S/D 载流子 VDS IDS 载流子运动方向 VT +
D
p
n+ 电子 + DS SD