第五章 MOS 场效应管的特性.ppt

5.1 MOS场效应管5.1.1 MOS管伏安特性的推导 两个PN结： 1）N型漏极与P型衬底； 2）N型源极与P型衬底。 同双极型晶体管中的PN 结 一样， 在结周围由于载流 子的扩散、漂移达到动态平 衡，而产生了耗尽层。 一个电容器结构： 栅极与栅极下面的区域形成一个电容器，是MOS管的核心。 MOSFET的三个基本几何参数 栅长: L 栅宽: W 氧化层厚度: tox MOSFET的三个基本几何参数 Lmin、 Wmin和 tox 由工艺确定 Lmin： MOS工艺的特征尺寸(feature size) 决定MOSFET的速度和功耗等众多特性 L和W由设计者选定 通常选取L= Lmin，由此，设计者只需选取W W影响MOSFET的速度，决定电路驱动能力和功耗 MOSFET的伏安特性:电容结构 当栅极不加电压或加负电压时，栅极下面的区域保持P型导电类型，漏和源之间等效于一对背靠背的二极管，当漏源电极之间加上电压时，除了PN结的漏电流之外，不会有更多电流形成。 当栅极上的正电压不断升高时，P型区内的空穴被不断地排斥到衬底方向。当栅极上的电压超过阈值电压VT，在栅极下的P型区域内就形成电子分布，建立起反型层，即N型层，把同为N型的源、漏扩散区连成一体，形成从漏极到源极的导电沟道。这时，栅极电压所感应的电荷Q为， Q=CVge 式中Vge是栅极有效控制电压。 非饱和时，在漏源电压Vds作用下，这些电荷Q将在?时间内通过沟道，因此有 MOSFET的伏安特性—方程推导 非饱和情况下，通过MOS管漏源间的电流Ids为： MOSFET特性曲线 在非饱和区 ? 线性工作区 在饱和区 (Ids 与 Vds无关) . MOSFET是平方律器件! 5.1.2 MOSFET电容的组成 MOS电容是一个相当复杂的电容，有多层介质： 首先，在栅极电极下面有一层SiO2介质。SiO2下面是P型衬底，衬底是比较厚的。最后，是一个衬底电极，它同衬底之间必须是欧姆接触。 MOS电容还与外加电压有关。 1）当Vgs0时，栅极上的负电荷吸引了P型衬底中的多数载流子—空穴，使它们聚集在Si表面上。这些正电荷在数量上与栅极上的负电荷相等，于是在Si表面和栅极之间，形成了平板电容器，其容量为， 通常，?ox=3.9?8.854?10-4 F/cm2；A是面积，单位是cm2；tox是厚度，单位是cm。 MOS电容—SiO2和耗尽层介质电容 2）当Vgs0时，栅极上的正电荷排斥了Si中的空穴，在栅极下面的Si表面上，形成了一个耗尽区。 耗尽区中没有可以自由活动的载流子，只有空穴被赶走后剩下的固定的负电荷。这些束缚电荷是分布在厚度为Xp的整个耗尽区内，而栅极上的正电荷则集中在栅极表面。这说明了MOS电容器可以看成两个电容器的串联。 以SiO2为介质的电容器——Cox 以耗尽层为介质的电容器——CSi 总电容C为: 比原来的Cox要小些。 MOS电容—束缚电荷层厚度 耗尽层电容的计算方法同PN结的耗尽层电容的计算方法相同: 利用泊松公式 式中NA是P型衬底中的 掺杂浓度，将上式积分 得耗尽区上的电位差? ： 从而得出束缚电荷层厚度 MOS电容 —耗尽层电容 这时，在耗尽层中束缚电荷的总量为， 它是耗尽层两侧电位差?的函数，因此，耗尽层电容为， 是一个非线性电容，随电位差的增大而减小。 MOS电容—耗尽层电容特性 随着Vgs的增大，排斥掉更多的空穴，耗尽层厚度Xp增大，耗尽层上的电压降?就增大，因而耗尽层电容CSi就减小。耗尽层上的电压降的增大，实际上就意味着Si表面电位势垒的下降，意味着Si表面能级的下降。 一旦Si表面能级下降到P型衬底的费米能级，Si表面的半导体呈中性。这时，在Si表面，电子浓度与空穴浓度相等，成为本征半导体。 MOS电容—耗尽层电容特性(续) 3）若Vgs再增大，排斥掉更多的空穴，吸引了更多的电子，使得Si表面电位下降，能级下降，达到低于P型衬底的费米能级。这时，Si表面的电子浓度超过了空穴的浓度，半导体呈N型，这就是反型层。不过，它只是一种弱反型层。因为这时电子的浓度还低于原来空穴的浓度。 随着反型层的形成，来自栅极正电荷发出的电力线，已部分地落在这些电子上，耗尽层厚度的增加就减慢了，相应的MOS电容CSi的减小也减慢了。 MOS电容—凹谷特性 5）当Vgs继续增大，反型层中电子的浓度增加，来自栅极正