复旦大学半导体器件第八章MOSFET
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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。
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。
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
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
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；
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
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）：
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
• 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
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
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
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
Biblioteka Baidu
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
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
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
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
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
• 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。
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
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
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；
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
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）：
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
• 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
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
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
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
Biblioteka Baidu
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
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
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
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
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