复旦大学(微电子)半导体器件第八章MOSFE

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1、第八章MOSFETMOSFET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底pnS/Dn+p+载流子电子空穴VDS+IDSDSSD载流子运动方向SDSDVT++符号GDBSGDBSGDBSGDBSMOSFET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

2、电荷,MOSFET阈值电压控制1.金属功函数Wm的影响金属MgAlNiCuAuAgn+-polyp+-polyWm(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60mV3.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<

3、存在产生-复合电流；沟道电流为漂移电流；沟道内载流子的迁移率为常数n(E)=C；缓变沟道近似为了计算方便作以下简化假设：MOSFET的可调电阻区(线性区)沟道中反型电子电荷面密度y0LV(0)=0V(L)=VDSB反型层薄层电阻可调电阻严格推导（考虑到VDS对沟道中反型电子浓度的影响）：强反型条件下（VGS>VT）VDS较小时跨导参数(1)当VDS=VDSsat时定义VDSsatVGSVTQn(L)=0反型电子消失沟道被夹断MOSFET的饱和区LeffLy(2)当VDS>VDSsat时夹断点左移，有效沟道

4、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gm[S][1]西门子=线性区饱和区提高gm的途径：1onto

5、xoxCoxW/Lgm2oVGS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)x0L扩散势0.7VDMOSF

6、ET的栅击穿SiO2击穿电场Ec=(5~10)106V/cmEg.Cox=1pF，tox=100nm，Q=(5~10)1011Cn+n+p-SiGDn+S栅击穿！齐纳二极管（隧道二极管）MOSFET的电容n+n+……GSDiGiSiDCGSOCGDOCJSCJDCGBBMOSFET的高频等效电路最高振荡频率gmvGS+GSDCGSgD1S+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

7、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-EMOS倒相器E-DMOS倒相器CMOS倒相器MOS倒相器负载线和

8、电压传输特性IDS0VDDIonVDS电阻型负载E-EMOSE-DMOSCMOSCMOS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