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MOS 场效应管的特性,5.1 MOS场效应管 5.2 MOS管的阈值电压 5.3 体效应 5.4 MOSFET的温度特性 5.5 MOSFET的噪声 5.6 MOSFET尺寸按比例缩小 5.7 MOS器件的二阶效应,1,5.1 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 栅极与栅极下面区域形成一个电容器,是MOS管的核心。,2,MOSFET的三个基本几何参数,栅长:L 栅宽:W 氧化层厚度: tox,3,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,4,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。,5,非饱和时(沟道未夹断),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,6,为载流子速度,Eds= Vds/L为漏到源方向电场强度,Vds为漏到源电压。 为载流子迁移率: n = 650 cm2/(V.s) 电子迁移率(NMOS) p = 240 cm2/(V.s) 空穴迁移率(PMOS),电荷在沟道中的渡越时间,MOSFET的伏安特性方程,非饱和情况下,通过MOS管漏源间的电流Ids为:,7,= .0 栅极-沟道间氧化层介电常数, = 4.5, 0 = 0.88541851.10-11 C.V-1.m-1,Vge:栅级对衬底的有效控制电压,8,当Vgs-VT=Vds时,满足: Ids达到最大值Idsmax,其值为 Vgs-VT=Vds,意味着近漏端的栅极有效控制电压Vge=Vgs-VT-Vds=Vgs-Vds-VT = Vgd-VT =0 感应电荷为0,沟道夹断,电流不会再增大,因而,这个 Idsmax 就是饱和电流。,MOSFET饱和特性,MOSFET特性曲线,在非饱和区 饱和区 (Ids 与 Vds无关) . MOSFET是平方律器件!,9,5.1.2 MOSFET电容的组成,MOS电容是一个相当复杂的电容,有多层介质: 在栅极电极下面有一层SiO2介质。SiO2下面是P型衬底,最后是衬底电极,同衬底之间是欧姆接触。 MOS电容与外加电压有关。 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=3.98.85410-4 F/cm2;A是面积,单位是cm2;tox是厚度,单位是cm。,10,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。,11,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,12,MOS电容 耗尽层电容,是一个非线性电容,随电位差的增大而减小。,13,在耗尽层中束缚电荷的总量为,是耗尽层两侧电位差的函数,耗尽层电容为,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。,14,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。,15,16,4) 当Vgs增加,达到VT值,Si表面电位的下降,能级下降已达到P型衬底的费米能级与本征半导体能级差的二倍。它不仅抵消了空穴,成为本征半导体,而且在形成的反型层中,电子浓度已达到原先的空穴浓度这样的反型层就是强反型层。显然,耗尽层厚度不再增加,CSi也不再减小。这样, 就达到最小值Cmin。 最小的CSi是由最大的耗尽层厚度Xpmax计算出来的。,MOS电容耗尽层电容特性(续),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,来自栅极正电荷的电力线,部分落在这些电子上,落在耗尽层束缚电子上的电力线数目就有所减少。耗尽层电容将增大。两个电容串联后,C将增加。当Vgs足够大时,反型层中的电子浓度已大到能起到屏蔽作用,全部的电力线落在电子上。这时,反型层中的电子将成为一种镜面反射,感应全部负电荷,于是,C = Cox 。电容曲线出现了凹谷形,如图6.2 。 必须指出,上述讨论未考虑到反型层中的电子是哪里来的。若该MOS电容是一个孤立的电容,这些电子只能依靠共价键的分解来提供,它是一个慢过程,ms级。,17,MOS电容凹谷特性测量,若测量电容的方法是逐点测量法一种慢进程,那么将测量到这种凹谷曲线。,18,MOS电容凹谷特性测量,若测量电容采用高频方法,譬如,扫频方法,电压变化很快。共价键就来不及瓦解,反型层就无法及时形成,于是,电容曲线就回到Cox值。 然而,在大部分场合,MOS电容与n+区接在一起,有大量的电子来源,反型层可以很快形成,故不论测量频率多高,电压变化多快,电容曲线都呈凹谷形。,19,5.1.3 MOS电容的计算,MOS电容C仅仅是栅极对衬底的电容,不是外电路中可以观察的电容Cg, Cs 和Cd。MOS电容C对Cg,Cd有所贡献。在源极和衬底之间有结电容Csb,在漏极和衬底之间也有结电容Cdb。 另外,源极耗尽区、漏极 耗尽区都渗进到栅极下面的 区域。栅极与漏极扩散区,栅极与源极扩散区都存在着某些交迭,故客观上存在着Cgs和Cgd。当然,引出线之间还有杂散电容,可以计入Cgs和Cgd。,20,MOS电容的计算,Cg、Cd的值还与所加的电压有关: 1)若VgsVT,沟道建立,MOS管导通。MOS电容是变化的,呈凹谷状,从Cox下降到最低点,又回到Cox。这时,MOS电容C对Cg,Cd都有贡献,它们的分配取决于MOS管的工作状态。,21,MOS电容的计算,若处于非饱和状态,则按1/3与2/3分配,即 Cg = Cgs + 2/3C Cd = Cdb +1/3C 因为在非饱和状态下,与栅极电荷成比例的沟道电流为 由Vgs和Vds的系数可知栅极电压Vgs对栅极电荷的影响力,与漏极电压Vds对栅极电荷的影响力为2:1的关系,故贡献将分别为 2/3与1/3 。,22,MOS电容的计算(续),23,若处于饱和状态,则,表明沟道电荷已与Vds无关,沟道已夹断。那么,,在饱和状态下,沟道长度受到Vds的调制,有效沟道长度L-L变小,MOS电容的计算(续),当Vds增加时,漏端夹断区耗尽层长度L增大,Ids增加,那是因为载流子速度增加了,它与C的分配无关。然而,L的增大使得漏极耗尽层宽度有所增加,增大了结电容。故, Cg = Cgs + 2/3C Cd = Cdb + 0 + Cdb,24,25,Cap.N+Act.P+Act.PolyM1M2M3Units Area (sub.)5269378325108aF/um2 Area (poly)541811aF/um2 Area (M1)46 17aF/um2 Area (M2)49aF/um2 Area (N+act.)3599aF/um2 Area (P+act.)3415aF/um2 Fringe (sub.)249261aF/um,深亚微米CMOS IC工艺的寄生电容(数据),26,Cross view of parasitic capacitor of TSMC_0.35um CMOS technology,深亚微米CMOS IC工艺的寄生电容,5.2 MOSFET的阈值电压VT,阈值电压是MOS器件的一个重要参数。按MOS沟道随栅压正向和负向增加而形成或消失的机理,存在着两种类型的MOS器件: 耗尽型(Depletion):沟道在Vgs=0时已经存在。当Vgs“负”到一定程度时截止。一般情况,这类器件用作负载。 增强型(Enhancement):在正常情况下它是截止的,只有当Vgs“正”到一定程度,才会导通,故用作开关。,27,28,概念上讲, VT就是将栅极下面的Si表面从P型Si变为N型Si所必要的电压。 它由两个分量组成, 即: VT= Us+ Vox Us : Si表面电位; Vox: SiO2层上的压降。,VT的组成,Us 的计算,将栅极下面的Si表面从P/N型Si变为N/P型Si所必要的电压Us 与衬底浓度Na有关。 在半导体理论中,P型半导体的费米能级是靠近满带的,而N型半导体的费米能级则是靠近导带的。要想把P型变为N型,外加电压必须补偿这两个费米能级之差。,29,Vox的计算,Vox根据从金属到氧化物到Si衬底Xm处的电场分布曲线导出:,30,31,在工艺环境确定后,MOS管的阈值电压VT主要决定 1. 衬底的掺杂浓度Na。 2. Cox,VT的理想计算公式,5.3 MOSFET的体效应,前面的推导都假设源极和衬底都接地,认为Vgs是加在栅极与衬底之间的。实际上,在许多场合,源极与衬底并不连接在一起。通常,衬底是接地的,但源极未必接地, 源极不接地时对VT值的影响称为体效应(Body Effect)。,32,阈值电压随源极-衬底电压的变化,33,某一CMOS工艺条件下,NMOS阈值电压随源极-衬底电压的变化曲线,34,MOSFET的温度特性主要来源于沟道中载流子的迁移率 和阈值电压VT随温度的变化。载流子的迁移率随温度变化的基本特征是: T 由于 所以,T gm 阈值电压VT的绝对值同样是随温度的升高而减小: T VTVT(T) (2 4) mV/C VT的变化还与衬底的杂质浓度Ni和氧化层的厚 度tox有关: (Ni , tox) VT(T) ,5.4 MOSFET的温度特性,35,MOSFET的噪声来源主要由两部分: 热噪声(thermal noise) 闪烁噪声(flicker noise,1/f-noise),5.5 MOSFET的噪声,36,热噪声,是由沟道内载流子的无规则热运动造成 的,通过沟道电阻生成热噪声电压
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