微电子器件与电路(电子工程版)-第三章场效应晶体管

华侨大学电子工程系厦门专用集成电路与系统重点实验室MicroelectronicDevicesAndCircuits微电子器件与电路第三章场效应晶体管主讲：黄炜炜电子信息工程专业CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学电子工程系Fall2013Fall20132微电子器件与电路第三章场效应晶体管参考文献[1]DonaldA.Neamen著王宏宝于红云刘俊岭译.电子电路分析与设计-半导体器件及其基本应用.清华大学出版社.第三版.2009年[2]RichardC.Jaeger著张为等译.微电子电路设计.北京：电子工业出版社.第四版.2013年[3]李宁主编.模拟电路.北京：清华大学出版社.第一版.2011年[4]AdelS.Sedra著.周玲玲等译.微电子电路(上册).北京电子工业出版社.第五版.2006CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学电子工程系Fall2013Fall20133微电子器件与电路第三章场效应晶体管3.1MOS场效应晶体管3.1.1二端口MOS结构MOS结构的物理特性可以借助平行板电容器来解释CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学电子工程系Fall2013Fall20134微电子器件与电路第三章场效应晶体管3.1MOS场效应晶体管3.1.1二端口MOS结构当栅极相对衬底接负偏压的情况CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学电子工程系Fall2013Fall20135微电子器件与电路第三章场效应晶体管3.1MOS场效应晶体管3.1.1二端口MOS结构当栅极相对衬底接正偏压的情况CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学电子工程系Fall2013Fall20136微电子器件与电路第三章场效应晶体管3.1MOS场效应晶体管3.1.1二端口MOS结构CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学电子工程系Fall2013Fall20137微电子器件与电路第三章场效应晶体管3.1MOS场效应晶体管3.1.1二端口MOS结构CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学电子工程系Fall2013Fall20138微电子器件与电路第三章场效应晶体管3.1MOS场效应晶体管3.1.1二端口MOS结构CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学电子工程系Fall2013Fall20139微电子器件与电路第三章场效应晶体管3.1MOS场效应晶体管3.1.2N沟道增强型MOSFETN沟道增强型MOSFET原理图CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学电子工程系Fall2013Fall201310微电子器件与电路第三章场效应晶体管3.1MOS场效应晶体管3.1.2N沟道增强型MOSFETN沟道增强型MOSFET场氧化物和多晶硅栅极CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学电子工程系Fall2013Fall201311微电子器件与电路第三章场效应晶体管3.1MOS场效应晶体管3.1.2N沟道增强型MOSFETCopyrightbyHuangWeiwei华侨大学电子工程系Fall2013Fall201312微电子器件与电路第三章场效应晶体管3.1MOS场效应晶体管3.1.3NMOS理想IV特性在N沟道MOSFET中，用VTN表示阈值电压，用来定义产生反型层电荷密度和半导体衬底中多子浓度相等时的外界电压。为了简单起见，可以认为阈值电压是令MOS晶体管开启的栅极电压。因为N沟道增强型MOSFET需要一个正的栅压来产生反型电荷，所以它的阈值电压为正。如果栅压比阈值电压小，则器件电流基本为零；如果栅压比阈值电压大，当施加源-漏电压时会产生从漏极到源极的电流.CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学电子工程系Fall2013Fall201313微电子器件与电路第三章场效应晶体管3.1MOS场效应晶体管3.1.3NMOS理想IV特性CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学电子工程系Fall2013Fall201314微电子器件与电路第三章场效应晶体管3.1MOS场效应晶体管3.1.3NMOS理想IV特性CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学电子工程系Fall2013Fall201315微电子器件与电路第三章场效应晶体管3.1MOS场效应晶体管3.1.3NMOS理想IV特性当VDS比较小，Id相对于Vds的特性曲线如图所示栅压越大，在栅氧化层下面感应出的反型层电荷越多，在相同VDS电压下电流越大。栅压一样，随着漏端电压增加，漏端电压的反型层电荷减少，电导变小，导致Id随着VDS变化曲线的斜率减小。CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学电子工程系Fall2013Fall201316微电子器件与电路第三章场效应晶体管3.1MOS场效应晶体管3.1.3NMOS理想IV特性随着VDS的增加，当漏端氧化物的压差VGS-VDS=Vth时，在漏极感应的反型层电荷密度为零。在这种情况下，靠近漏极的沟道增量电导为零，Id相对于VDS变化曲线的斜率为零，可以写成()DSGSTNvsatvV=−等式中为在漏极产生反型电荷密度为零时的漏-源电压。()DSvsat当VDS电压高于VDS(sat)时，沟道中反型层电荷密度刚好为零的点向源极移动。此区域称为饱和区。CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学电子工程系Fall2013Fall201317微电子器件与电路第三章场效应晶体管3.1MOS场效应晶体管3.1.3NMOS理想IV特性深度线性区线性区CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学电子工程系Fall2013Fall201318微电子器件与电路第三章场效应晶体管3.1MOS场效应晶体管3.1.3NMOS理想IV特性临界饱和区饱和区CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学电子工程系Fall2013Fall201319微电子器件与电路第三章场效应晶体管3.1MOS场效应晶体管3.1.3NMOS理想IV特性N沟道增强型MOSFET的I-V特性CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学电子工程系Fall2013Fall201320微电子器件与电路第三章场效应晶体管3.1MOS场效应晶体管3.1.3NMOS理想IV特性在“非饱和区”或者“线性区”，理想的I-V特性为2[2()]DnGSTNDSDSikvVvv=−−在“饱和区”的理想I-V特性表达式为：2()DnGSTNiKvV=−其中传导参数2noxnWCKLμ=oxoxoxCtε=μn为反型层中电子迁移率，W为沟道宽度，L为沟道长度。CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学电子工程系Fall2013Fall201321微电子器件与电路第三章场效应晶体管3.1MOS场效应晶体管3.1.3NMOS理想IV特性对于给定工艺来说，氧化层电容和载流子迁移率是固定的，在MOSFET的设计中几何结构即宽与长的比W/L是一个变量。也可以用下面的形式写出传导参数：'2nnkWKL=CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学电子工程系Fall2013Fall201322微电子器件与电路第三章场效应晶体管3.1MOS场效应晶体管3.1.4P沟道增强型MOSFETP沟道增强型MOSFET横截面CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学电子工程系Fall2013Fall201323微电子器件与电路第三章场效应晶体管3.1MOS场效应晶体管3.1.4P沟道增强型MOSFET除了载流子为空穴而不是电子以外，P沟道器件的工作原理和N沟道器件的相同。需要在栅极施加一个负电压使得氧化物下面的沟道区产生空穴反型层。P沟道器件的阈值电压表示为VTP。因为阈值电压定义为产生反型层所需要的栅极电压，所以对P沟道增强型器件有VTP0。一旦产生了反型层，空穴就从PMOS管的源区流向漏区,这也是PMOS电流的流动方向。注意PMOSFET管的源区电压比漏区电压高，这一点与NMOS相反。CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学电子工程系Fall2013Fall201324微电子器件与电路第三章场效应晶体管3.1MOS场效应晶体管3.1.5PMOS理想IV特性P沟道增强型器件的电流电压特性和NMOS的基本相同，注意漏极电流是从漏极流出的电流，电压由VDS变为VSD。临界饱和点用()SDSGTPvsatvV=+当PMOS工作于非饱和区时，器件电流表示为：2[2()]DpSGTPSDSDiKvVvV=+−饱和区电流为2()DPSGTPiKvV=+CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学电子工程系Fall2013Fall201325微电子器件与电路第三章场效应晶体管3.1MOS场效应晶体管3.1.5PMOS理想IV特性同样的在表达式里面，参数KP为P沟道的传导参数，且2poxPWCKLμ=也可以利用工艺传导参数将KP写成下面的形式：'2PPkWKL=当P沟道MOSFET偏置于饱和区时，可得()SDSDSGTPvvsatvV=+CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学电子工程系Fall2013Fall201326微电子器件与电路第三章场效应晶体管3.1MOS场效应晶体管3.1.6电路符号和规则N沟道增强型MOSFET的规定电路符号如图所示常规电路符号本书使用符号其它教材可能使用的电路符号CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学电子工程系Fall2013Fall201327微电子器件与电路第三章场效应晶体管3.1MOS场效应晶体管3.1.6电路符号和规则P沟道增强型MOSFET的规定电路符号如图所示常规电路符号本书使用符号其它教材可能使用的电路符号CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学电子工程系Fall2013Fall201328微电子器件与电路第三章场效应晶体管3.1MOS场效应晶体管3.1.7其它MOS结构和符号N沟道耗尽型MOSFETN沟道耗尽型MOSFET的横截面如上图所示，当栅电压为0时，氧化物下方存在一个N型沟道区域即反型层，这是在器件制造过程中掺入了某种杂质，将源极和漏极连接起来。耗尽型意味着栅极电压为零时沟道也存在。CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学电子工程系Fall2013Fall201329微电子器件与电路第三章场效应晶体管3.1MOS场效应晶体管3.1.7其它MOS结构和符号要使N沟道耗尽型MOSFET截止，必须在栅极施加负压使其导电沟道耗尽。CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学电子工程系Fall2013Fall201330微电子器件与电路第三章场效应晶体管3.1MOS场效应晶体管3.1.7其它MOS结构和符号同增强型NMOS一样，栅压加得越大，NMOS通过的电流越大。CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学电子工程系Fall2013Fall201331微电子器件与电路第三章场效应晶体管3.1MOS场效应晶体管3.1.7其它MOS结构和符号耗尽型NMOS的IV特性曲线CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学电子工程系Fall2013Fall201332微电子器件与电路第三章场效应晶体管3.1MOS场效应晶体管3.1.7其它MOS结构和符号N沟耗尽型MOSFET的常规电路符号和简化电路符号CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学电子工程系Fall2013Fall201333微电子器件与电路第三章场效应晶体管3.1MOS场效应晶体管3.1.7其它MOS结构和符号P沟道耗尽型MOSFET的阈值电压VTP大于0，即栅压必须高于衬底电压才能使沟道耗尽。P沟道耗尽型MOSFETCopyrightbyHuangWeiwei华侨大学电子工程系Fall2013Fall201334微电子器件与电路第三章场效应晶体管3.1MOS场效应晶体管3.1.7其它MOS结构和符号P沟耗尽型MOSFET的常规电路符号和简化电路符