第五章 MOS场效应管的特性

MOS场效应管的特性上次课：第4章集成电路器件工艺§1.引言§2.双极型集成电路的基本制造工艺§3.MESFET工艺与HEMT工艺§4.CMOS集成电路的基本制造工艺§5.BiCMOS集成电路的基本制造工艺第五章MOS场效应管的特性§1.MOSFET的结构和工作原理§2.MOSFET的寄生电容§3.MOSFET的其它特性3.1噪声3.2温度3.3体效应§4.MOSFET尺寸按比例缩小§5.MOSFET的二阶效应5.1MOSFET的结构和工作原理集成电路中，有源元件有BJT、HBT、PMOS、NMOS、MESFET和HEMT鉴于当前大多数集成电路采用CMOS工艺制造，掌握NMOS和PMOS两种元件特性对设计集成电路具有重要意义MOS管结构MOS管－符号和标志DSGDSGGSDDSGNMOSEnhancementNMOSPMOSDepletionEnhancementBNMOSwithBulkContactMOS管工作状态n+n+p-substrateDSGBVGS+-DepletionRegionn-channelMOS管特性推导栅极电压所感应的电荷Q为geQCV这些电荷在源漏电压VDS作用下，在t时间内通过长度为L的沟道，即通过MOS管源漏间的电流为2dsdsLLLvEVMOS管特性推导当Vgs－VT＝Vds时，近漏端的栅极有效控制电压Vge＝Vgs－VT－Vds＝0，感应电荷为0，沟道夹断，电流不会增加，此时Ids为饱和电流。2221()21()2geoxDSgedsoxdsoxgsTdsdsoxoxgsTdsdsoxCVWLQIVVLtLVWVVVVtLWVVVVtLMOS管饱和时n+n+SGVGSDVDSVGS-VTVGS-VT+-MOS管的IV特性曲线00.511.522.50123456x10-4VDS(V)ID(A)VGS=2.5VVGS=2.0VVGS=1.5VVGS=1.0VResistiveSaturationVDS=VGS-VT阈值电压VT阈值电压是MOS器件的一个重要参数阈值电压VT是将栅极下面的Si表面反型所必要的电压，这个电压与衬底浓度有关按MOS沟道随栅压变化形成或消失的机理，存在两种类型的MOS器件耗尽型：沟道在VGS＝0时已经存在，VT≦0增加型：沟道在VGS＝0时截止，当VGS“正”到一定程度时才导通。VT0阈值电压VT表达式经过深入研究，影响VT的因素主要有四个：材料的功函数之差SiO2层中可移动的正离子的影响氧化层中固定电荷的影响界面势阱的影响2()bpdmsmmitsFToxoxoxoxQQQUQVqCqCCC阈值电压VT在工艺确定之后，阈值电压VT主要决定于衬底的掺杂浓度：P型衬底制造NMOS，杂质浓度越大，需要赶走更多的空穴，才能形成反型层，VT值增大，因而需要精确控制掺杂浓度如果栅氧化层厚度越薄，Cox越大，电荷的影响就会降低。故现在的工艺尺寸和栅氧化层厚度越来越小5.2MOSFET的电容MOS电容结构复杂，最上面是栅极电极，中间是SiO2和P型衬底，最下面是衬底电极（欧姆接触）MOS电容大小与外加电压有关Vgs0Vgs0Vgs增加达到VT值Vgs继续增大Vgs0oxoxoxoxoxAWLCtt111()oxSioxoxoxoxoxCCCAWLCttVgs增加达到VT值111()oxSiCCC达到最小值Vgs继续增加oxCCMOS管电容变化曲线MOS电容计算VGSVT沟道未建立，MOS管源漏沟道不通Cg＝Cgs＋CoxCd＝CdbVGSVTMOS电容是变化的MOS电容对Cg和Cd都有贡献，贡献大小取决于MOS管的工作状态非饱和状态Cg＝Cgs＋2C/3Cd＝Cdb＋C/3饱和状态Cg＝Cgs＋2C/3Cd＝Cdb5.3MOSFET的其它特性体效应温度特性噪声体效应很多情况下，源极和衬底都接地实际上，许多场合源极和衬底并不连接在一起源极不接地会影响VT值，这称为体效应体效应某一CMOS工艺条件下阈值电压随源极-衬底电压变化曲线温度MOS的温度特性来源于沟道中载流子的迁移率μ和阈值电压VT随温度的变化载流子的迁移率μ随温度的变化的基本特征：T上升μ下降阈值电压VT的绝对值随温度变化的基本特征：T升高VT减小VT变化与衬底杂质浓度和氧化层厚度有关噪声噪声来源于两个部分：热噪声闪烁噪声热噪声热噪声由沟道内载流子的无规则热运动造成其等效电压值表示为由于gm与MOS的栅宽和电流成正比关系，因而增加MOS的栅宽和电流可以减小器件的热噪声223egmVTfg闪烁噪声闪烁噪声由沟道处二氧化硅与硅界面上电子的充放电引起的其等效电压值表示为增加栅长和宽，可以降低闪烁噪声221/1oxfKtVfWLf两点说明有源器件的噪声特性对于小信号放大器、振荡器等模拟电路至关重要所有的FET的1/f噪声都高出相应的BJT的1/f噪声约10倍。5.4MOSFET尺寸按比例缩小为了提高器件集成度和性能，MOS管的尺寸迅速减小为了在缩小器件尺寸的同时，同时保持大尺寸器件的电流-电压特性不变，Dennard等人提出了等比例缩小规律等比例缩小规律即器件水平和垂直方向的参数以及电压按同一比例因子K等比例缩小，同时掺杂浓度按比例因子增大K倍，这就是经典的恒电场等比例缩小规律等比例缩小方案：恒电场恒电压准恒电压恒电压缩减方案参数变化因子备注电压1/α电路密度α2L↓和W↓器件电流1/α功率1/α2Ids↓和Vds↓电容1/α沟道延迟1/α连线电阻α连线电容1/α连线响应时间1R↑且C↓优值α2∝1/L2MOSFET特征尺寸按α缩减的优点电路密度增加到α2功耗降低为1/α2器件时延降低α倍器件速度提高α倍线路上的延迟不变优值增加α2倍未来的MOSFET25nmFINFETMOStransistor5.5MOSFET的二阶效应随着MOS的尺寸缩小，出于精度要求必须考虑二阶效应二阶效应主要有L和W的变化迁移率的退化沟道长度的调制短沟道效应引起的阈值电压的变化狭沟道效应引起的阈值电压的变化L的变化N+多晶硅N+LLdrawnLfinalL的变化栅极长度L不等于原先版图上所绘制的LdrawLfinal=Ldraw-2ΔLpolyL=Ldraw-2ΔLpoly-2ΔLdiff由于重叠效应，Cgs和Cgd也增加W的变化WeffWΔWΔWW的变化栅极宽度W不等于原先版图上所绘制的WdrawW=Wdraw-2ΔW，ΔW是“鸟嘴”侵入部分厚度当器件尺寸还不是很小时，这个ΔW影响还小，但是器件缩小时，这个ΔW就影响很大迁移率的退化MOS管的电流与迁移率成正比，一般假定μ为常数实际上，μ并不是常数，它至少受到三个因素的影响温度垂直电场水平电场特征迁移率μ0电场强度电场强度增加时，迁移率是减小的电场有水平分量和垂直分量，因而迁移率随Ev、Eh而退化电场强度水平电场对迁移率的影响要比垂直电场要大得多。水平电场将加速载流子运动，当载流子速度加速到一定值，水平速度饱和一般N型硅的迁移率远大于P型硅的迁移率，但两种载流子的饱和速度是相同的电场不强时，N沟道的μ值比P沟道的要大，约为2.5倍；当电场增强时，N管和P管达到同一饱和速度，得到同一μ值，与掺杂无关沟道长度的调制简化的MOS原理内，饱和后电流不再增加实际上，饱和区中电流Ids随Vds增加而缓慢增加这是由于沟道两端的耗尽区的宽度增加，导致沟道距离减小，水平电场增加，电流增加沟道长度调制2()SidsDsatLLLVVqN沟道长度调制短沟道效应引起的阈值电压的变化MOS管的分析全是一维的，即所有的电场效应都是正交的，但是这种假定在沟道区的边沿是不成立的沟道很短、很窄，边沿效应对器件特性产生很大的影响，最主要的是阈值电压减小短沟道效应短沟道效应狭沟道效应引起的阈值电压的变化沟道太窄，W太小，那么栅极的边缘电场也引起Si衬底中的电离化，产生附加的耗尽层，因而增加阈值电压狭沟道效应