第八章MOSFET MOSFET的类型 阈值电压 直流输出特性 跨导 击穿 高频特性 开关特性 倒相器 二级效应MOSFET结构示意图左图为MOSFET结构示意图 。MOSFET有增强型和耗尽 型两种，在左下图中给出。MOSFET 的类型和符号NMOSPMOS 增强型 耗尽型增强型 耗尽型 衬衬底pnS/Dn+p+载载流子电电子空穴VDS+IDSD SS D载载流子运动动方向S DS DVT+ +符号GDBSGDB SGDBSGDB SMOSFET 的阈值电压其中功函数差n 沟 MOS （NMOS）p 沟 MOS （PMOS）在忽略氧化层中 电荷(x)的情况下表面固定电荷,MOSFET 阈值电压控制1. 金属功函数 Wm 的影响金属MgAlNiCuAuAgn+-poly p+-poly Wm (eV)3.354.14.554.75.05.14.055.152. 衬底杂质浓度 NA 的影响NA 增加 1 个数量级， VB 增加 60 mV3. 界面固定电荷 QSS 的影响4. 离子注入调整阈值电压离子注入调整阈值电压增强型耗尽型其中Rp VT）VDS 较小时跨导参数(1) 当 VDS = VDSsat 时定义 VDSsat VGS VT Qn(L) = 0 反型电子消失沟道被夹断MOSFET 的饱和区LeffLy(2) 当 VDS VDS sat 时 夹断点左移，有效沟道缩短IDSsat 不饱和，沟道长度调制效应NMOS（增强型 ）NMOS（耗尽型 ）PMOS（增强型）PMOS（耗尽型）四种 MOSFET 的输出特性沟道长度调制效应 沟道长度调制效应使输出特性的饱和区发生倾 斜。MOSFET 的转移特性IDSsat VGS（VDS为参量 ）NMOS（增强型 ）输入G输出SSD注：需保证 VDS VGS VT 四种 MOSFET 的转移特性NMOS（增强型 ）NMOS（耗尽型 ）PMOS（增强型）PMOS（耗尽型）MOSFET 的跨导定义：跨导 gmS 1 西门子=线性区 饱和区提高 gm 的途径 ：1o n tox ox Cox W/L gm 2o VGS gms MOSFET 的击穿特性1. 源漏击穿1. 源漏击穿2. 栅击穿漏-衬底pn结雪崩击穿沟道雪崩击穿漏源势垒穿通(1) 漏-衬底 pn 结雪崩击穿 ( BVDS )n+n+p-SiVGSVDSNA BVDS 线性区饱和区 击穿区MOSFET 的击穿特性(2) 沟道雪崩击穿n+n+p-SiVGS VTVDSSB.。VDS Ey 当 Ey Ec 时，沟道击穿电子：沟道 D沟道 SiO2 空穴：沟道 B(3) 漏源势垒穿通n+n+ p-SiVGSVDSSBE(x) x 0L扩散势 0.7 VDMOSFET 的栅击穿SiO2 击穿电场 Ec = (510)106 V/cm Eg. Cox = 1 pF，tox = 100 nm，Q = (510)1011 Cn+n+p-SiGDn+S栅击穿 ！齐纳二极管 （隧道二极管 ）MOSFET 的电容n+n+GSD iGiSiDCGSOCGDOCJSCJDCGBBMOSFET 的高频等效电路最高振荡频率gmvGS+GSDCGSgD1S+CGD = 0（饱和区 ）vGS其中（饱和区 ）考虑到实际 MOSFET 的寄生电容 （尤其是栅漏交迭电容 CGDO）， CGDO 作为反馈电容耦合进Ci，减小 Overlap，降低寄生电容，可采用自对准多晶硅栅工艺 。MOSFET 的开关特性 v (t)VTvGS (t)10%90%0tontofftvDS (t)IDSVDSABMOS 倒相器开关特性 ： Von 0（导通有电阻）； 开关速度取决于对电容的 充放电和载流子渡越时间 。 Ioff 0（亚阈值电流）；VonVoff0VDD负载线+VDDvDS(t )vGS(t )+RDC+几种 MOS 倒相器+VDDRDC+VDDCM2M1+VDDCM2M1+VDDCM2M1电阻负载型 MOS 倒相器E-E MOS 倒相器E-D MOS 倒相器CMOS 倒相器MOS 倒相器负载线和电压传输特性IDS0VDDIonVDS电阻型负载 E-E MOS E-D MOSCMOSCMOS的结构 CMOS是一个N沟MOS和一个P沟MOS组 成的倒相器，它的结构示意图为：N-SiPN+N+p+p+CMOS 倒相器电传输特性四种倒相器的比较 在数字电路中应用的倒相器和前面讲的开关要 求不完全相同。它的功能是：输入低电压到高 电压的跃变转变为高电压到低电压的跃变。它 的要求是：低功耗、高速度、充分利用电源电 压得到大的输出摆幅。 从这些要求出发，CMOS的突出优点是功耗低 、电压摆幅大；而E-DNMOS占用面积小、速 度比较快、电压摆幅也比较大；EE-NMOS性 能最差，但是最容易制造。MOSFET按比例缩小规则集成电路技术的发展缩小器件和电路的尺寸，为了降低成本和缩短设计 时间通常对MOSFET采用按比例缩小规则。最简单的办法是：把沟道长 度L、宽度W、氧化层厚度tox、栅电压和漏电压都除以某一比例系数，而 杂质浓度则乘以该比例系数。这时在缩小器件尺寸时提高了器件的工作 速度和集成度而沟道内的电场保持不变。 按照以上的按比例缩小规则制作的器件：器件的工作速度提高倍、密度 增加2倍、功耗降低2倍、阈值电压的减小接近倍；而亚阈值电流基本 不变。与此同时由于寄生电容没有减少和互连电阻增加会使延迟时间增 加。MOSFET 的二级效应1o 非常数表面迁移率效应（表面散射、栅电场） ；3o 体电荷效应；4o 沟道长度调制效应；5o 源漏串联电阻寄生效应；6o 亚阈值效应；7o 衬偏效应；8o 短沟道效应。2o 漏端速度饱和效应；9o CMOS闭锁效应；亚阈值效应 回忆我们前面假设表面呈现强反型时MOSFET沟道开 始形成，源、漏之间开始导通。 实际上MOSFET源、漏之间加上电压以后，源端PN结 处于正向，就会有非平衡载流子注入，漏端PN结就会 收集到注入的非平衡载流子，同时还有反向的产生电 流（包括表面态的产生电流），所以在强反型之前源 、漏之间就会有电流，这就称为亚阈值电流。亚阈值特性沟道长度调制效应 沟道长度调制效应会导致饱和电流区伏安特性 倾斜。表面迁移率和漏端速度饱和效应 由于二氧化硅和硅的界面有许多杂质缺 陷，而且载流子被束缚在表面非常狭窄 的势阱里，所以表面载流子的迁移率比 体内要低很多。 通常硅表面的电子和空穴的迁移率约为 ： 垂直表面的电场越强表面迁移率越小。 漏端势垒区电场很强，载流子流进势垒 区后就会出现速度饱和效应。n = 550 950 cm2/Vs p = 150 250 cm2/Vsn/p=24体电荷效前面给出MOSFET特性公式：在该公式中认为沟道中耗尽层宽度是不变的，实际上由于漏端和 源端存在电势差，沟道的宽度当然也不一样，考虑到这个因素以 后必须计入沟道体电荷变化部分对阈值电压的贡献。CMOS闭锁效应前面看到CMOS结构有寄生的NPNP结构。 NPNP结构可以看作由PNP和NPN两个晶体管的复合结构。P N P NP P N N N P 从图中不难看出这是一个触发器，只要两个晶体管共基极电流增益之和 等于1，该结构就处于导通状态。 当上端接正时中间的PN结是反向的，而上端接负时上下两个PN结都是反 向的，因此可以认为它们处于截至状态。这时电流很小，电流增益也很 小，不会导通。 如果由于电压波动或辐射效应使两端电压瞬时超过击穿电压，那么该结 构将被触发导通，这时电流很大。如果电压恢复正常，由于电流比较大 ，电流增益比较大，所以该结构会在比较低的电压下保持导通状态，使 CMOS的电压锁定在低电压情况下而不能正常工作。 解决的办法是：在设计结构上尽量减少寄生晶体管电流增益或采用SOI工 艺消除寄生晶体管。小尺寸效应 随着晶体管尺寸的逐步缩小，前面的简 单一维模型不再适用，这时需要把晶体 管结构分割成小单元，用二维甚至三维 模型求解。重点内容 阈值电压的控制的主要途径 跨导的表达式 高频的表达式及提高频率特性的途径 决定开关特性的因素 几种倒相器的比较习题 写出增强型NMOSFET的阈值电压公式。 写出增强型NMOSFET的伏安特性公式。 画CMOS结构的示意图。