MOS场效应管的特性.pdf

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1、第五章MOS场效应管的特性第五章MOS场效应管的特性5.1MOS5.1MOS场效应管场效应管5.2MOS管的阈值电压5.3体效应5.3体效应5.5MOSFET5.4MOSFET的噪声的温度特性5.6MOSFET5.5MOSFET尺寸按比例缩小的噪声5.6MOSFET尺寸按比例缩小5.7MOS器件的二阶效应5.7MOS器件的二阶效应115.1MOS场效应管5.1.1MOS管伏安特性的推导图两个PN结：1）1）N型漏极与P型衬底；2）2）N型源极与P型衬底。同双极型晶体管中的PN结一样，在3）结周围由于载流子的

2、扩散、漂移达到动态平衡，而产生了耗尽层。3）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，决定了MOS管的伏安特性。22MOSFET的三个基本几何参数toxp+/n+poly-SiDdiffusionGWLn(p)Sp+/n+栅长:L栅宽:W氧化层厚度:tox3MOSFET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(featuresize)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，设计者只需选

3、取W，W是主要的设计变量。W影响MOSFET的速度，决定电路驱动能力和功耗4MOSFET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

4、压所感应的电荷Q为Q=CVge式中Vge是栅极对衬底的有效控制电压，其值为栅极到衬底表面的电压减去阈值电压。5MOS的伏安特性电荷在沟道中的渡越时间非饱和时，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为载流子速度，为载流子迁移率，Eds=Vds/L为漏到源方向电场强度，Vds为漏到源电压。µn=650cm2/(V·s)电子迁移率(nMOS)µp=240cm2/(V·s)空穴迁移率(pMOS)6MOSFET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：

5、e=e'·e栅极-沟道间0氧化层介电常数,e'=3.9,e=8.8541851·10-14F·cm-10V是栅级对衬底的有效控制电压ge其值为栅级到衬底表面的电压减VT7MOSFET特性曲线在非饱和区I=aVb线性工作区dsVgs=const1ds12I=aVV在饱和区ds2gsTIds与Vds无关。MOSFET是平方律器件!Ids饱和区线性区击穿区0Vds8MOS的伏安特性—漏极饱和电流满足:I达到最大值IdsdsmaxdIεμWdsOXV-V=V=(VVV)=0gsTdsgsTds

6、dVtLdsOX此时Vgs-VT=Vds，意味着近漏端的栅极有效控制电压V=V-V-V=V-V-V=V-V=0gegsTdsgsdsTgdT感应电荷为0，沟道夹断，电流不会再增大，因而，这个I就是饱和电流。dsmax95.1.2MOSFET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Vgs<0时，栅极上的负电荷吸引了P型衬底中的多数

7、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eoxAeoxWLCox==与电压无关toxtox通常，e=3.98.85410-14F/cm；A是面积，单位是cm2；oxtox是厚度，单位是cm。10MOS电容—SiO2和耗尽层介质电容2）当Vgs>0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

8、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C要小些。ox归一化电容为：C1=CCox1oxCSi11MOS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N是P型衬底中的掺杂浓度，积分得耗尽区上的电位差：A从而得出