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1、第四章场效应晶体管本讲稿第一页，共五十七页第4章 MOS场效应晶体管 教师：余菲 电子邮件： 电话：13510269257本讲稿第二页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：讨论主题：n1.MOSFET的结构类型n2.MOSFET工作原理n3.MOSFET的直流与开关频率特性n4.MOSFET的应用本讲稿第三页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：1.MOSFET的结构类型英文nMOS：metal oxide semiconductor复习：JFET：junction field effect trans
2、istor本讲稿第四页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：P-衬底衬底LWSiO2AlSGDN沟道沟道MOS场效应管结构图场效应管结构图N+N+BS:sourceG:gateD:drainB:body本讲稿第五页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：n分类:N型型P型耗耗尽尽型型增增强强型型GDBSGDBSGDBSGDBS本讲稿第六页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：n增强型：常断n耗尽型：常通问题：JFET？其它的表示符号?通常是耗尽型的本讲稿第七页
3、，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：2.MOSFET工作原理P-衬底衬底SGDN+N+n_channel +BDepletion layer必须加栅压使表面反必须加栅压使表面反型，形成沟道型，形成沟道本讲稿第八页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：nMIS结构反型的原理：SDB +GN+N+P_BODYIDSE本讲稿第九页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：nMOS的阈值电压:VT：是金属栅下面呈现强反型，从而出现导电沟道时：是金属栅下面呈现强反型，从
4、而出现导电沟道时所需要的栅源电压所需要的栅源电压 本讲稿第十页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：ms是金属和半导体的接触电势差是金属和半导体的接触电势差 与金属类型有关（与金属类型有关（Au,Al,掺杂多晶硅）掺杂多晶硅）与半导体掺杂类型和浓度有关与半导体掺杂类型和浓度有关Qox、Cox分别为氧化层中的电荷量和氧化层电容分别为氧化层中的电荷量和氧化层电容NA、xdmax分别为分别为P衬底的掺杂浓度和耗尽区宽度衬底的掺杂浓度和耗尽区宽度本讲稿第十一页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：n氧化层电容的
5、影响:电容增加,控制力加强n浓度的影响n真正设计电路时候的办法本讲稿第十二页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：nMOS导通状态:P衬底衬底 S G DVGSV晶体管出现反型层，导通晶体管出现反型层，导通反型层反型层耗尽层耗尽层 N+N+本讲稿第十三页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：nMOS临界饱和状态:P衬底衬底 S G DVGSVT，VDS=VDSat沟道夹断，晶体管进入饱和沟道夹断，晶体管进入饱和反型层反型层耗尽层耗尽层 N+N+本讲稿第十四页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电
6、话：13510269257 mail：nMOS深度饱和状态:P衬底衬底 S G DVGSVT，VDSVDSat沟道夹断点向源极移动沟道夹断点向源极移动反型层反型层耗尽层耗尽层 N+N+本讲稿第十五页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：1.导通条件：导通条件：VGSVT2.饱和条件：饱和条件：VGSVT，VDSVGS-VT(VTVGSVDS+VT)3.非饱和条件：非饱和条件：VDSVGS-VT本讲稿第十六页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail： MOSFET的特征的特征1双边对称双边对称在电学性质上源和
7、漏是可以相互交换的。与双极型晶体管相比，在电学性质上源和漏是可以相互交换的。与双极型晶体管相比，显然有很大不同，对于双极型晶体管，如果交换发射极与集电极，显然有很大不同，对于双极型晶体管，如果交换发射极与集电极，晶体管的增益将明显下降。晶体管的增益将明显下降。2单极性单极性在在MOS晶体管中参与导电的只是一种类型的载流子，这与双晶体管中参与导电的只是一种类型的载流子，这与双极型晶体管相比也显著不同。在双极型晶体管中，显然一种类极型晶体管相比也显著不同。在双极型晶体管中，显然一种类型的载流子在导电中起着主要作用，但与此同时，另一种载流型的载流子在导电中起着主要作用，但与此同时，另一种载流子在导电
8、中也起着重要作用。子在导电中也起着重要作用。本讲稿第十七页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：3高输入阻抗高输入阻抗由于栅氧化层的影响，在栅和其他端点之间不存在直流通道，因此由于栅氧化层的影响，在栅和其他端点之间不存在直流通道，因此输入阻抗非常高，而且主要是电容性的。通常，输入阻抗非常高，而且主要是电容性的。通常，MOSFET的直流输入的直流输入阻抗可以大于阻抗可以大于1014欧。欧。4电压控制电压控制MOSFET是一种电压控制器件。而且是一种输入功率非常低的器件。是一种电压控制器件。而且是一种输入功率非常低的器件。一个一个MOS晶体管可以驱动许
9、多与它相似的晶体管可以驱动许多与它相似的MOS晶体管；也就是说，它有晶体管；也就是说，它有较高的扇出能力。较高的扇出能力。5自隔离自隔离由由MOS晶体管构成的集成电路可以达到很高的集成密度，因为晶体管构成的集成电路可以达到很高的集成密度，因为MOS晶体晶体管之间能自动隔离。一个管之间能自动隔离。一个MOS晶体管的漏，由于背靠背二极管的作用，晶体管的漏，由于背靠背二极管的作用，自然地与其他晶体管的漏或源隔离。这样就省掉了双极型工艺中的既深自然地与其他晶体管的漏或源隔离。这样就省掉了双极型工艺中的既深又宽的隔离扩散。又宽的隔离扩散。本讲稿第十八页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：1
10、3510269257 mail： 对于MOSFET则可引进输出特性曲线和转移特性曲输出特性曲线和转移特性曲线线来描述其电流电压关系。输出特性曲线输出特性曲线 通过MOSFET的漏源电流IDS与加在漏源极间的电压VDS之间的关系曲线即为输出特性曲线。这时加在栅极上的电压作为参变量。以N沟道增强型MOSFET为例来进行讨论。（共源极接法）3.MOSFET的直流与开关特性本讲稿第十九页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：源极接地，并作为输入与输出的公共端，衬底材料也接地。输入加在栅极G及源极S之间，输出端为漏极D与源极S。本讲稿第二十页，共五十七页微电
11、子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail： 对于对于N沟道增强型管，沟道增强型管，VDS为正电压，为正电压，VGS也是正电压。当也是正电压。当VGS大于开启大于开启电压时，电压时，N沟道形成，电流通过沟道形成，电流通过N沟道流过漏和源之间。沟道流过漏和源之间。定性地可以将它分为三个工作区来进行讨论。定性地可以将它分为三个工作区来进行讨论。可调电阻区可调电阻区/饱和区饱和区/击穿区击穿区 当漏源电压当漏源电压VDS相对于栅极电压较小时，在源和漏之间存在一个相对于栅极电压较小时，在源和漏之间存在一个连续的连续的N型沟道。此沟道的长度型沟道。此沟道的长度L不变，宽度不变，宽
12、度W也不变。从源端到漏端也不变。从源端到漏端沟道的厚度稍有变化。这是因为沟道的厚度稍有变化。这是因为VDS使沟道中各点的电位不同，在近使沟道中各点的电位不同，在近源处（源处（VGS-V沟沟）比近漏处的大，表面电场较大，沟道较厚。但是，总的）比近漏处的大，表面电场较大，沟道较厚。但是，总的来讲，沟道的厚度比氧化层厚度小得多。由此可见，此时的沟道区呈现电来讲，沟道的厚度比氧化层厚度小得多。由此可见，此时的沟道区呈现电阻特性，电流阻特性，电流IDS与与VDS基本上是线性关系。而且，基本上是线性关系。而且，VGS越大，沟道电阻越越大，沟道电阻越小，可调电阻区的名称由此而来。小，可调电阻区的名称由此而来
13、。本讲稿第二十一页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail： 可调电阻区的范围为可调电阻区的范围为VDSVGS-VT时，沟道夹断点从漏时，沟道夹断点从漏端向左面源端移动。这样，沟道的长度略有缩短，夹断点的端向左面源端移动。这样，沟道的长度略有缩短，夹断点的电压仍为电压仍为VGS-VT，增加的电压，增加的电压VDS-(VGS-VT)都降落在夹断区，都降落在夹断区，如图如图8-11中的中的AB段所示。显然，夹断区是耗尽区。由于段所示。显然，夹断区是耗尽区。由于沟道的长度总的来说变化不大，所以漏源电流基本沟道的长度总的来说变化不大，所以漏源电流基本上达到饱和
14、值上达到饱和值IDSS。若若VDS再增大，只是使夹断区增大。增加的电压均再增大，只是使夹断区增大。增加的电压均降落在耗尽区，漏源电流仍基本上维持降落在耗尽区，漏源电流仍基本上维持IDSS值，因此值，因此这个区域称为饱和工作区，如图这个区域称为饱和工作区，如图8-10中区域中区域所示。所示。本讲稿第二十六页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：本讲稿第二十七页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：沟道长度调变效应沟道长度调变效应 两个两个N+区（源区（源-漏）之间形成沟道长度漏）之间形成沟道长度L满足大大
15、于满足大大于夹断区夹断区AB段长度段长度(长沟道长沟道)，其饱和漏源电流基本上，其饱和漏源电流基本上不变。图不变。图8-10中水平直线。中水平直线。但当沟道长度但当沟道长度L不满足大大于夹断区不满足大大于夹断区AB段长度段长度(短沟道短沟道)时，夹断区对沟道长度缩短的影响不能忽略，从而对电流的时，夹断区对沟道长度缩短的影响不能忽略，从而对电流的影响也不可以忽略，可见饱和工作区中，影响也不可以忽略，可见饱和工作区中，IDS会随会随VDS增大而增大而增加，这就是所谓的沟道长度调变效应。它与双极型晶增加，这就是所谓的沟道长度调变效应。它与双极型晶体管中的基区宽度调变效应相当。体管中的基区宽度调变效应
16、相当。本讲稿第二十八页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：雪崩击穿区雪崩击穿区 当当VDS超过漏与衬底间超过漏与衬底间P-N结的击穿电压时，漏和源结的击穿电压时，漏和源之间不必通过沟道形成电流，而是由漏极直接经衬底到达之间不必通过沟道形成电流，而是由漏极直接经衬底到达源极流过大的电流，源极流过大的电流，IDS迅速增大。这就出现输出特性曲迅速增大。这就出现输出特性曲线中的第线中的第个区域个区域雪崩击穿区，如图雪崩击穿区，如图8-12（a）所）所示。示。本讲稿第二十九页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail
17、：本讲稿第三十页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail： 可以用相似的方法讨论可以用相似的方法讨论N沟道耗尽型，沟道耗尽型，P沟道增强型，沟道增强型，P沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET的输出特性曲线，它们分别如图的输出特性曲线，它们分别如图8-12（b）（d）所示。）所示。本讲稿第三十一页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：本讲稿第三十二页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：MOSFET的转移特性曲线的转移特性曲线 MOSFET是一种电压控制器件，它是利用
18、加在栅极和源极之间的电压来控制输出电流的，这和双极型晶体管用基极电流控制集电极电流是不同的。当MOS晶体管工作在饱和区时，工作电流为IDSS。不同的VGS会引起不同的IDSS。我们将IDSS与VGS之间的关系曲线称为转移特性曲线。对于N沟增强型MOS管，VT0，VGS0，其转移特性曲线如图（a）所示。用相似的方法可以得到N沟耗尽型，P沟增强型，P沟耗尽型MOSFET的转移特性曲线，它们分别表示于图（b）（d）。本讲稿第三十三页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：本讲稿第三十四页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：1351026925
19、7 mail：本讲稿第三十五页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：MOS的直流特性公式与分析n非饱和区电流公式：饱和电流公式：器件的工作区域本讲稿第三十六页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：线性工作区的伏安特性线性工作区的伏安特性 增益因子增益因子 当当VDS很小时，很小时，IDS与与VDS成成线性关系。线性关系。VDS稍大时，稍大时，IDS上升变慢，特性曲线弯曲，上升变慢，特性曲线弯曲，如图所示。如图所示。本讲稿第三十七页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257
20、mail：饱和工作区的伏安特性饱和工作区的伏安特性 当漏当漏-源电压增加到使漏端的沟道夹断时，源电压增加到使漏端的沟道夹断时，IDS将趋于不变。其作用像将趋于不变。其作用像一个电流源，管子将进入饱和工作区。使管子进入饱和工作区所加的漏一个电流源，管子将进入饱和工作区。使管子进入饱和工作区所加的漏-源源电压为电压为VDsat，它由下式决定：，它由下式决定：将上式代入式（将上式代入式（8-3），），可得到饱和工作区的漏可得到饱和工作区的漏-源电流（漏源电流（漏-源饱和电流）源饱和电流）本讲稿第三十八页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：本讲稿第三十九
21、页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：跨导跨导gm 表征在漏源电压表征在漏源电压VDS不变的情况下，漏电流不变的情况下，漏电流IDS随随着栅电压着栅电压VGS变化而变化的程度，反映了外加变化而变化的程度，反映了外加VGS控制控制IDS的能力。的能力。单位：电导（单位：电导（1/），常用西门子（），常用西门子（S）表示。）表示。本讲稿第四十页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：跨导标志了跨导标志了MOSFET的电压放大本领，的电压放大本领，因为电压增益可表示为：因为电压增益可表示为：由上式可知，相同负
22、载的情况下，由上式可知，相同负载的情况下，跨导越大，电压增益越大。跨导越大，电压增益越大。本讲稿第四十一页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：nMOS的跨导：本讲稿第四十二页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：饱和工作区饱和工作区 线性工作区线性工作区 跨导与跨导与VDS成正比成正比 在不考虑沟道长度调制效应的情况下，跨导与在不考虑沟道长度调制效应的情况下，跨导与VDS无关。无关。本讲稿第四十三页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：问题：如何提高跨导？
23、1.线性区：提高VDS2.饱和区：提高VGS3.器件参数：本讲稿第四十四页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail： VDS VGS增大增大VGS=VT0 ID 特性曲线数据分析：VGS0 VT ID 问题：从图像上看哪里的饱和跨导最小？本讲稿第四十五页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：MOS频率、开关特性nMOS的截止频率：(电压增益为1，双极的截止频率为电流增益下降为1/1.41)提高截止频率：器件参数：L减小沟道长度可以有效提高减小沟道长度可以有效提高减小沟道长度可以有效提高减小沟道长度可以有效提
24、高最高振荡频率最高振荡频率最高振荡频率最高振荡频率本讲稿第四十六页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：MOSFET最高振荡频率（功率增益为最高振荡频率（功率增益为1）对于对于MOSFET，同双极型晶体管一样，可以引进最高振荡频率来说，同双极型晶体管一样，可以引进最高振荡频率来说明管子的优值。明管子的优值。N沟道沟道MOSFET P沟道沟道MOSFET 本讲稿第四十七页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：tVINVGSttVDSIDS10%90%10%tdtr90%90%10%tstfVINVOUTD
25、SG本讲稿第四十八页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：小尺寸MOS器件n短沟道效应:阈值电压下降n窄沟道效应:阈值电压增加P-衬衬底底LSGDN+N+B本讲稿第四十九页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：4.MOSFET的应用nMOS反相器：MOS开关电路反相器的含义：本讲稿第五十页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：nNMOS反相器VINVOUTVDDDSGDSGTLTIVINVOUTVDDDSGDSGTLTIE/EE/D本讲稿第五十一页，共五十七
26、页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：nCMOS 反相器：本讲稿第五十二页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：本讲稿第五十三页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：本讲稿第五十四页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：0101BLA0011输输 入入1110输出输出“与与非非”真值真值表表本讲稿第五十五页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：0101BLA0011输输 入入1000输出输出“或或非非”真值真值表表本讲稿第五十六页，共五十七页微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：n口诀:NMOS在下串与并或PMOS在上串或并与本讲稿第五十七页，共五十七页