24 第六章 6.5 MOS场效应晶体管

PhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevicesMOSFET的结构与直流电流-电压特性§6.5、6.7PhysicsofSemiconductorDevices1、MOSFET的结构与工作过程2、线性区电流-电压特性3、饱和区电流-电压特性4、截止区电流-电压特性5、亚阈值区电流-电压特性OutlinePhysicsofSemiconductorDevicesMOSFET结构示意图一MOSFET的结构场区场区有源区1、基本结构PhysicsofSemiconductorDevices是四端器件，氧化物栅的金属电极是栅极。通常把源和漏下方称为场区，而把栅极下区域称为有源区。器件的基本参数是沟道长度L（两个PN+结之间的距离），沟道宽度Z，氧化层厚度x0，结深xj，以及衬底掺杂浓度Na等。结构说明：PhysicsofSemiconductorDevicesMOSFET结构3、其它结构图形PhysicsofSemiconductorDevices双栅MOSFETPhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevices以源极作为电压的参考点。当漏极加上正电压VD，而栅极未加电压时，从源极到漏极相当于两个背靠背的PN结。从源到漏的电流只不过是反向漏电流。当栅极加上足够大的正电压VG时，中间的MOS结构发生反型，在两个N+区之间的P型半导体形成一个表面反型层（即导电沟道）。于是源和漏之间被能通过大电流的N型表面沟道连接在一起。这个沟道的电导可以用改变栅电压来调制，背面接触(称为下栅)，可以接参考电压或负电压，这个电压也会影响沟道电导。4、工作过程PhysicsofSemiconductorDevices二线性区I-V特性栅极上加一正电压使半导体表面反型。若加一小的漏电压，电子将通过沟道从源流到漏。沟道的作用相当于一个电阻，且漏电流ID和漏电压VD成正比，这是线性区。可用一条恒定电阻的直线来表示。PhysicsofSemiconductorDevices①忽略源区和漏区体电阻和电极接触电阻。②沟道内掺杂均匀。③载流子在反型层内的迁移率为常数。④长沟道近似和渐近沟道近以，即假设垂直电场和水平电场是互相独立的。分析I-V特性的主要假设：PhysicsofSemiconductorDevicesN沟道MOSFETxyPhysicsofSemiconductorDevices支撑感生载流子电荷QI在加上源漏之间的电压VD之后，在y处建立电位V(y)，感应沟道电荷修正为：由于沟道内载流子分布均匀，不存在浓度梯度，沟道电流只含电场作用的漂移项，且漂移电流为电子电流：PhysicsofSemiconductorDevices积分（y→(0,L);V→(0,VD)），得：漏电流方程，称为萨支唐(Sah)方程由：注意：该方程假设VTH与V无关PhysicsofSemiconductorDevices由阈值电压的方程：可见，QB与沟道电压有关。因此：修正为：PhysicsofSemiconductorDevices修正为：漏电流方程PhysicsofSemiconductorDevicesVTH与V有关(考虑栅电压对QB影响)VTH与V无关(不考虑栅电压对QB影响)I-V特性比较PhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevices由于导电沟道上存在电压降，使栅绝缘层上的有效电压降从源端到漏端逐渐减小，当VDS很大时，沟道压降对有效栅压的影响不可以忽略，降落在栅下各处绝缘层上的电压不相等，反型层厚度不相等，因而导电沟道中各处的电子浓度不相同，当漏源电压继续增加到漏端栅绝缘层上的有效电压降低于表面强反型所需的阈值电压VTH时，漏端绝缘层中的电力线将由半导体表面耗尽区中的空间电荷所终止，漏端半导体表面的反型层厚度减小到零，即在漏端处沟道消失，而只剩下耗尽区，这就称为沟道夹断。三饱和区I-V特性PhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevices进一步增加漏极电压，会使夹断点向源端移动，但漏电流不会显著增加或者说基本不变，达到饱和；器件的工作进入饱和区。使MOS管进入饱和工作区所加的漏一源电压为VDsat。=0由：超过这一点，漏极电流可以看成是常数PhysicsofSemiconductorDevicesN沟道MOSFET的电流-电压特性饱和区线性区PhysicsofSemiconductorDevices沟道被夹断后，当VGS不变时，在漏-源电压VDSVDsat后，随着VDS的增加只是漏端空间电荷区展宽，对沟道厚度增加几乎没有作用。当漏一源电压继续增加到VDS比VDsat大得多时，超过夹断点电压VDsat的那部分，即（VDS－VDsat）将降落在漏端附近的夹断区上，因而夹断区将随VDS的增大而展宽，夹断点将随VDS的增大而逐渐向源端移动，栅下面半导体表面被分成反型导电沟道区和夹断区两部分。导电沟道中的载流子在漏源电压的作用下，源源不断地由源端向漏端漂移，当这些载流子通过漂移到达夹断点时，立即被夹断区的强电场扫入漏区，形成漏极电流。PhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevices如果MOS管进入饱和工作区后，继续增加VDS，则沟道夹断点向源端方向移动，在漏端将出现耗尽区，耗尽区的宽度Xd随着VDS的增大而不断变大，通过单边突变结的公式可得:导电沟道上的电压降正好等于夹断点相对于源端的电压VDsatPhysicsofSemiconductorDevices漏－源饱和电流随着沟道长度的减小(由于VDS增大，漏端耗尽区扩展所致)而增大的效应称为沟道长度调变效应。这个效应会使MOS场效应晶体管的输出特性曲线明显发生倾斜，导致它的输出阻抗降低。Xd夹断点饱和工作区PhysicsofSemiconductorDevices截止线性区饱和区击穿MOS场效应晶体管的漏输出特性曲线PhysicsofSemiconductorDevices用沟道调制系数λ来描述沟道长度调制效应：饱和区的电流:PhysicsofSemiconductorDevices四截止区I-V特性若栅电压小于阈值电压，不会形成反型层，结果是MOSFET像是背对背连接的两个PN结一样，相互阻挡任何一方的电流流过。晶体管在这一工作区域与开路相似。截止PhysicsofSemiconductorDevices五亚阈值区I-V特性当栅极电压稍微低于阈值电压时，沟道处于弱反型状态，流过漏极的电流并不等于零，这时MOSFET的工作状态处于亚阈值区，流过沟道的电流称为亚阈值电流。在弱反型时表面势可近似看做常数，因此可将沟道方向的电场强度视为零，这时漏一源电流主要是扩散电流。PhysicsofSemiconductorDevices在平衡时，没有产生、复合，根据电流连续性要求，电子浓度是随距离线性变化的，即：PhysicsofSemiconductorDevices为了将亚阈值区电流减小到忽略不计，必须将MOSFET偏置在比VTH低0.5V或更低的电压值下。MOSFET亚阈值区特性指数关系PhysicsofSemiconductorDevices补充1:耗尽层电容对I-V特性的影响PhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevices补充2:高场迁移率对漏特性的影响PhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevices补充3:饱和区的漏电导PhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevices