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1、第 7 章MOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 7.1 MOSFET7.1 MOSFET的结构和分类的结构和分类的结构和分类的结构和分类7.2 MOSFET7.2 MOSFET的特性曲线的特性曲线的特性曲线的特性曲线7.3 MOSFET7.3 MOSFET的阈值电压的阈值电压的阈值电压的阈值电压7.4 MOSFET7.4 MOSFET的伏安特性的伏安特性的伏安特性的伏安特性7.5 MOSFET7.5 MOSFET的频率特性的频率特性的频率特性的频率特性7.6 MOSFET7.6 MOSFET的开关特性的开关特性的开关特性的开关特性7.7 7.7 阈值电压的控制和调整阈值电压的控制
2、和调整阈值电压的控制和调整阈值电压的控制和调整 本章重点本章重点本章重点本章重点 MOSFET的结构、种类和特点的结构、种类和特点 MOSFET的直流特性和阈值电压调整的直流特性和阈值电压调整 MOSFET的交流响应的交流响应双极型晶体管和场效应晶体管的区别双极型晶体管和场效应晶体管的区别双极型晶体管和场效应晶体管的区别双极型晶体管和场效应晶体管的区别双极型晶体管双极型晶体管：由一个：由一个P-N结注入非平衡少数载流子，结注入非平衡少数载流子，并由另一个并由另一个P-N结收集而工作的。在这类晶体管中，结收集而工作的。在这类晶体管中，参加导电的不仅有少数载流子，也有多数载流子，参加导电的不仅有少
3、数载流子，也有多数载流子，故称为双极型晶体管。故称为双极型晶体管。场效应晶体管（场效应晶体管（FET）：）：利用改变垂直于导电沟道利用改变垂直于导电沟道的电场强度来控制沟道的导电能力而工作的。在场的电场强度来控制沟道的导电能力而工作的。在场效应晶体管中，工作电流是由半导体中的多数载流效应晶体管中，工作电流是由半导体中的多数载流子所输运的，因此也称为子所输运的，因此也称为单极型晶体管单极型晶体管。场效应晶体管的分类场效应晶体管的分类场效应晶体管的分类场效应晶体管的分类第一类第一类：表面场效应管，通常采取绝缘栅的形式，称为：表面场效应管，通常采取绝缘栅的形式，称为绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管（IG
4、FET）。若用二氧化硅作为半导体）。若用二氧化硅作为半导体衬底与金属栅之间的绝缘层，即构成衬底与金属栅之间的绝缘层，即构成“金属氧化物金属氧化物半导体半导体”（MOS）场效应晶体管，它是绝缘栅场效应）场效应晶体管，它是绝缘栅场效应管中最重要的一种管中最重要的一种；第二类第二类：结型场效应管（：结型场效应管（JFET），它就是用），它就是用P-N结势垒结势垒电场来控制导电能力的一种体内场效应晶体管；电场来控制导电能力的一种体内场效应晶体管；第三类第三类：薄膜场效应晶体管（：薄膜场效应晶体管（TFT），它的结构与原理），它的结构与原理和绝缘栅场效应晶体管相似，其差别是所用的材料及工和绝缘栅场效应晶
5、体管相似，其差别是所用的材料及工艺不同，艺不同，TFT采用真空蒸发工艺先后将半导体采用真空蒸发工艺先后将半导体-绝缘体绝缘体-金属蒸发在绝缘衬底上而构成。金属蒸发在绝缘衬底上而构成。MOSFETMOSFET相比双极型晶体管的优点相比双极型晶体管的优点相比双极型晶体管的优点相比双极型晶体管的优点（1）输入阻抗高：双极型晶体管输入阻抗约为几千欧，而）输入阻抗高：双极型晶体管输入阻抗约为几千欧，而场效应晶体管的输入阻抗可以达到场效应晶体管的输入阻抗可以达到1091015欧；欧；（2）噪声系数小：因为）噪声系数小：因为MOSFET是依靠多数载流子输运电是依靠多数载流子输运电流的，所以不存在双极型晶体管
6、中的散粒噪声和配分噪声；流的，所以不存在双极型晶体管中的散粒噪声和配分噪声；（3）功耗小：可用于制造高集成密度的半导体集成电路；）功耗小：可用于制造高集成密度的半导体集成电路；（4）温度稳定性好：因为它是多子器件，其电学参数不易）温度稳定性好：因为它是多子器件，其电学参数不易随温度而变化。随温度而变化。（5）抗辐射能力强：双极型晶体管受辐射后）抗辐射能力强：双极型晶体管受辐射后下降，这是下降，这是由于非平衡少子寿命降低，而场效应晶体管的特性与载流子寿由于非平衡少子寿命降低，而场效应晶体管的特性与载流子寿命关系不大，因此抗辐射性能较好。命关系不大，因此抗辐射性能较好。MOSFETMOSFET相比
7、双极型晶体管的缺点相比双极型晶体管的缺点相比双极型晶体管的缺点相比双极型晶体管的缺点工艺洁净要求较高；工艺洁净要求较高；场效应管的速度比双极型晶体管的速度来得低。场效应管的速度比双极型晶体管的速度来得低。7.1 MOSFET的结构和分类的结构和分类漏源区，栅氧化层，金属栅电极等组成漏源区，栅氧化层，金属栅电极等组成 用用N型半导体材料做衬底型半导体材料做衬底 用用P型半导体材料做衬底型半导体材料做衬底 由由N型衬底制成的管子，其漏源区是型衬底制成的管子，其漏源区是P型的，型的，称为称为P沟沟MOS场效应管场效应管；由由P型材料制成的管子，其漏源区是型材料制成的管子，其漏源区是N型的，型的，称为
8、称为N沟沟MOS场效应管场效应管。P沟沟MOS管的工作原理管的工作原理 在工作时，在工作时，源与漏之间接电源电压源与漏之间接电源电压。通常源极接地，漏极接。通常源极接地，漏极接负电源。在负电源。在栅极和源之间加一个负电压栅极和源之间加一个负电压，它将使，它将使MOS结构中半导结构中半导体表面形成负电的表面势，从而使由于硅二氧化硅界面正电荷体表面形成负电的表面势，从而使由于硅二氧化硅界面正电荷引起的半导体能带下弯的程度减小。当栅极负电压加到一定大小引起的半导体能带下弯的程度减小。当栅极负电压加到一定大小时，表面能带会变成向上弯曲，半导体表面耗尽并逐步变成反型。时，表面能带会变成向上弯曲，半导体表
9、面耗尽并逐步变成反型。当栅极电压达到当栅极电压达到VT时，半导体表面发生强反型，这时时，半导体表面发生强反型，这时P型沟道就型沟道就形成了。空穴能在漏源电压形成了。空穴能在漏源电压VDS的作用下，在沟道中输运。的作用下，在沟道中输运。VT称为场效应管的开启电压。显然，称为场效应管的开启电压。显然，P沟沟MOS管的管的VT是负值。由前是负值。由前面的讨论可知，形成沟道的条件为面的讨论可知，形成沟道的条件为 表面强反型即沟道形成时，在表面处空穴表面强反型即沟道形成时，在表面处空穴的浓度与体内电子的浓度相等。开启电压是表的浓度与体内电子的浓度相等。开启电压是表征征MOS场效应管性能的一个重要参数，以
10、后内场效应管性能的一个重要参数，以后内容中还将做详细介绍。容中还将做详细介绍。另外，还可以指出，当栅极电压变化时，另外，还可以指出，当栅极电压变化时，沟道的导电能力会发生变化，从而引起通过漏沟道的导电能力会发生变化，从而引起通过漏和源之间电流的变化，在负载电阻和源之间电流的变化，在负载电阻RL上产生电上产生电压变化，这样就可以实现电压放大作用。压变化，这样就可以实现电压放大作用。MOSFET的四种类型的四种类型P P沟耗尽型沟耗尽型沟耗尽型沟耗尽型：栅压为零时，沟道已存在，加上一个：栅压为零时，沟道已存在，加上一个：栅压为零时，沟道已存在，加上一个：栅压为零时，沟道已存在，加上一个正的栅压可以
11、使正的栅压可以使正的栅压可以使正的栅压可以使P P型沟道消失。型沟道消失。型沟道消失。型沟道消失。P沟增强型沟增强型：栅压为零时，沟道不存在，加上一个：栅压为零时，沟道不存在，加上一个负的栅压才能形成负的栅压才能形成P型沟道。型沟道。N沟增强型沟增强型：栅压为零时，沟道不存在，加上一个：栅压为零时，沟道不存在，加上一个正的栅压才能形成正的栅压才能形成N型沟道。型沟道。N沟耗尽型沟耗尽型：栅压为零时，沟道已存在，加上一个：栅压为零时，沟道已存在，加上一个负的栅压才能使负的栅压才能使N型沟道消失。型沟道消失。如果在同一如果在同一N型衬底上同时制造型衬底上同时制造P沟沟MOS管和管和N沟沟MOS管，
12、管，（N沟沟MOS管制作在管制作在P阱内），这就构成阱内），这就构成CMOS 。MOSFET的特征的特征1双边对称双边对称在电学性质上源和漏是可以相互交换的。与双极型晶体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，晶体管的增益将明显下降。发射极与集电极，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，显与双极型晶体管相比也显著不同。在双极型晶体管
13、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，然一种类型的载流子在导电中起着主要作用，但与此同时，另一种载流子在导电中也起着重要作用。另一种载流子在导电中也起着重要作用。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，此输入阻抗非常高，而且主要是电容性的。通常，MOSFET的直的直流输入阻抗可以大于流输入阻抗可以大于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是一种电压控制器件。而且是一种输入功率非常低的
14、器件。一个件。一个MOS晶体管可以驱动许多与它相似的晶体管可以驱动许多与它相似的MOS晶体管；也晶体管；也就是说，它有较高的扇出能力。就是说，它有较高的扇出能力。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晶体管之间能自动隔离。一个晶体管之间能自动隔离。一个MOS晶体管的漏，由于背靠晶体管的漏，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又宽的隔离扩散。掉了双极型工艺中的既深又宽的隔离扩散。7.2 MOSFET的特性
15、曲线的特性曲线 对于对于MOSFET则可引进则可引进输出特性曲线输出特性曲线和和转移特转移特性曲线性曲线来描述其电流电压关系。来描述其电流电压关系。输出特性曲线输出特性曲线 通过通过MOSFET的的漏源电流漏源电流IDS与加在与加在漏源极间漏源极间的电压的电压VDS之间的关系曲线即为输出特性曲线。之间的关系曲线即为输出特性曲线。这时这时加在栅极上的电压作为参变量加在栅极上的电压作为参变量。以以N沟道增强型沟道增强型MOSFET为例来进行讨论。为例来进行讨论。（共源极接法（共源极接法）源极接地，并作源极接地，并作为输入与输出的为输入与输出的公共端，衬底材公共端，衬底材料也接地。料也接地。输入加在
16、栅极输入加在栅极G及源极及源极S之间，之间，输出端为漏极输出端为漏极D与源极与源极S。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大于开启电压时，大于开启电压时，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/线性工作区线性工作区/三极管工作区三极管工作区 当漏源电压当漏源电压VDS相对于栅极电压较小时，在源和漏之间存在相对于栅极电压较小时，在源和漏之间存在一个连续的一个连续的N型沟道。此沟道的长度型沟
17、道。此沟道的长度L不变，宽度不变，宽度W也不变。从也不变。从源端到漏端沟道的厚度稍有变化。这是因为源端到漏端沟道的厚度稍有变化。这是因为VDS使沟道中各点的使沟道中各点的电位不同，在近源处（电位不同，在近源处（VGS-V沟沟）比近漏处的大，表面电场较大，）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。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阻特性，电流由此可见，此时的沟道区呈现电阻特性，电流IDS与与VDS基本上是基本上是线性关系。而且，线性关系。而且，VGS越大，沟道电阻越小，可调电阻区的名称越大，沟道电阻越小
18、，可调电阻区的名称由此而来。由此而来。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，夹断点的电压仍为缩短，夹断点的电压仍为VGS-VT，增加的电压，增加的电压VDS-(VGS-VT)都降落在夹断区，如图都降落在夹断区，如图8-11中的中的AB段所示。段所示。显然，夹断区是耗尽区。由于沟道的长度总的来说显然，夹断区是耗尽区。由于沟道的长度总的来说变化不大，所以漏源电流基本上达到饱和值变化不大，所以漏源电流基本上达到饱和值IDSS。若若VDS再增大，只是使夹断区增大。增加的
19、电压再增大，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均降落在耗尽区，漏源电流仍基本上维持IDSS值，值，因此这个区域称为饱和工作区，如图因此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。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满足大满足大大于夹断区大于夹断区AB段长度段长度(长沟道长沟道)，其饱和漏源电流，其饱和漏源电流基本上不变。图基本上不变。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
20、的影响不能忽时，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，可见饱和工略，从而对电流的影响也不可以忽略，可见饱和工作区中，作区中，IDS会随会随VDS增大而增加，这就是所谓的增大而增加，这就是所谓的沟沟道长度调变效应道长度调变效应。它与双极型晶体管中的基区宽度。它与双极型晶体管中的基区宽度调变效应相当。调变效应相当。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，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源极流过大的电流，直接经衬底到达源极流过大的电流，IDS迅速增大
21、。迅速增大。这就出现输出特性曲线中的第这就出现输出特性曲线中的第个区域个区域雪崩雪崩击穿区，如图击穿区，如图8-12（a）所示。）所示。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沟道沟道耗尽型耗尽型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。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，它是利用加在栅是一种电压控制器件，它是利用加在栅极和源极之间的电压来控制输出电流的，这和双极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
22、的。当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，工作电流为晶体管工作在饱和区时，工作电流为IDSS。不。不同的同的VGS会引起不同的会引起不同的IDSS。我们将。我们将IDSS与与VGS之间之间的关系曲线称为转移特性曲线。的关系曲线称为转移特性曲线。对于对于N沟增强型沟增强型MOS管，管，VT0，VGS0，其转移，其转移特性曲线如图特性曲线如图8-13（a）所示。）所示。用相似的方法可以得到用相似的方法可以得到N沟耗尽型，沟耗尽型，P沟增强型，沟增强型，P沟耗尽型沟耗尽型MOSFET的转移特性曲线，它们分别表的转移特性曲线，它们分别表示于图示于图8-13（b）（d
23、）。）。7.3 MOSFET的阈值电压的阈值电压N沟道增强型沟道增强型MOSFET的开启电压的开启电压VT 对于增强型管，对于增强型管，VT0 式（式（式（式（7-17-1）N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET的夹断电压的夹断电压Vp （8-1）也适合于）也适合于N沟耗尽型管沟耗尽型管 这时这时VT显然小于零。这说明在栅极电压为零即未加显然小于零。这说明在栅极电压为零即未加电压时，表面沟道已经存在。因此，这时的开启电压实电压时，表面沟道已经存在。因此，这时的开启电压实际上就是夹断电压，通常用际上就是夹断电压，通常用Vp表示。对于表示。对于N沟耗尽型沟耗尽型MOSFET，Vp0，即当栅极电压，即当
24、栅极电压VGS-|Vp|时即能开启。时即能开启。栅极电压再负得多些时，沟道截止。栅极电压再负得多些时，沟道截止。P沟道增强型沟道增强型MOSFET的开启电压的开启电压VT 显然，显然，P沟道增强型沟道增强型MOSFET的的VT0。也就是说，在栅极电压为零时，也就是说，在栅极电压为零时，P型沟道早已形成。这时的开启型沟道早已形成。这时的开启电压实质上就是夹断电压电压实质上就是夹断电压Vp。当栅极加的正电压大于。当栅极加的正电压大于Vp时，沟道时，沟道全部截止。全部截止。公式（公式（7-1）、（）、（7-2）只适用于长沟道）只适用于长沟道MOSFET。当沟道长度较短时，必须考虑短沟道效应，管子的阈
25、当沟道长度较短时，必须考虑短沟道效应，管子的阈值电压值电压VT会随沟道长度会随沟道长度L的减小而减小。这个问题将的减小而减小。这个问题将在以后讨论。在以后讨论。说说说说 明明明明7.4 MOSFET的伏安特性的伏安特性 为了方便起见，先作以下几个假定：为了方便起见，先作以下几个假定：（1）漏区和源区的电压降可以忽略不计；）漏区和源区的电压降可以忽略不计；（2）在沟道区不存在复合产生电流；）在沟道区不存在复合产生电流；（3）沿沟道的扩散电流比由电场产生的漂移电流小得多；）沿沟道的扩散电流比由电场产生的漂移电流小得多；（4）在沟道内载流子的迁移率为常数；）在沟道内载流子的迁移率为常数；（5）沟道与
26、衬底间的反向饱和电流为零；）沟道与衬底间的反向饱和电流为零；（6）缓变沟道近似成立，即跨过氧化层的垂直于沟道方）缓变沟道近似成立，即跨过氧化层的垂直于沟道方向的电场分量与沟道中沿载流子运动方向的电场分量无关。向的电场分量与沟道中沿载流子运动方向的电场分量无关。线性工作区的伏安特性线性工作区的伏安特性 以以N沟道增强型为例：设沟道长度为沟道增强型为例：设沟道长度为L，宽度为，宽度为W，厚度为，厚度为d，厚度从源到漏略有变化。则线性工作区的直流特性方程可，厚度从源到漏略有变化。则线性工作区的直流特性方程可表示为表示为 增益因子增益因子 当当VDS很小时，很小时，IDS与与VDS成线性关系。成线性关
27、系。VDS稍大时，稍大时，IDS上升变慢，特性曲线弯上升变慢，特性曲线弯曲，如图所示。曲，如图所示。式（式（式（式（7-37-3）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。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和工作区所加的漏-源电压为源电压为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（7-3），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
28、电流）严格来讲，饱和工作区的电流不是一成不变的。严格来讲，饱和工作区的电流不是一成不变的。因为这时实际的有效沟道长度减小了。当因为这时实际的有效沟道长度减小了。当VDS增大增大时，由于沟道长度减小，时，由于沟道长度减小，IDSS将随之增加。将随之增加。漏源饱和电流随沟道长度的减小而增大的效漏源饱和电流随沟道长度的减小而增大的效应称为沟道长度调变效应。应称为沟道长度调变效应。这个效应会使这个效应会使MOS管的输出特性明显发生倾管的输出特性明显发生倾斜，导致它的输出阻抗降低。斜，导致它的输出阻抗降低。沟道长度调变效应沟道长度调变效应击穿区击穿区 当漏源电压当漏源电压VDS继续增大时，会出现漏源电继
29、续增大时，会出现漏源电流突然增大的情况，这时器件进入击穿区。漏源击流突然增大的情况，这时器件进入击穿区。漏源击穿电压穿电压BVDS可由两种不同的击穿机理决定：可由两种不同的击穿机理决定：漏区与衬漏区与衬底之间底之间P-N结的雪崩击穿结的雪崩击穿；漏和源之间的穿通漏和源之间的穿通。漏结雪崩击穿漏结雪崩击穿 漏源穿通漏源穿通 在正常工作时，漏结处于反向偏置状态，当反偏电压达到其雪崩在正常工作时，漏结处于反向偏置状态，当反偏电压达到其雪崩击穿电压时会产生击穿，且击穿电压随击穿电压时会产生击穿，且击穿电压随VGS的增大而增大。的增大而增大。漏极电压漏极电压VDS增大时，漏结耗尽区增大，使沟道有效长度缩
30、增大时，漏结耗尽区增大，使沟道有效长度缩短。当沟道表面漏结耗尽区的宽度短。当沟道表面漏结耗尽区的宽度LS扩展到等于沟道长度扩展到等于沟道长度L时，时，漏结耗尽区增大到源极，就发生漏源之间的直接穿通。漏结耗尽区增大到源极，就发生漏源之间的直接穿通。7.5 MOSFET的频率特性的频率特性 如果将如果将MOSFET的衬底和源短接，通过合理的简化，可以的衬底和源短接，通过合理的简化，可以得到如图简化的得到如图简化的MOS晶体管等效电路图。晶体管等效电路图。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随着栅电压随着栅电压VGS变化而变化的程度，反映了外
31、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。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。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。提高跨导的方法提高跨导的方法 （1）通过改进管子的结构来提高增益因
32、子：增）通过改进管子的结构来提高增益因子：增大沟道的宽长比；减薄氧化层厚度从而增大单位大沟道的宽长比；减薄氧化层厚度从而增大单位面积二氧化硅的电容；减小沟道载流子的浓度以面积二氧化硅的电容；减小沟道载流子的浓度以提高沟道内载流子的迁移率。提高沟道内载流子的迁移率。（2）当晶体管工作在饱和区时，还可以通过适）当晶体管工作在饱和区时，还可以通过适当增加当增加VGS来提高跨导。来提高跨导。MOSFET最高振荡频率最高振荡频率 对于对于MOSFET，同双极型晶体管一样，可以引进最高振荡，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。频率来说明管子的优值。N沟道沟道MOSFET P沟道沟道M
33、OSFET 减小沟道长度可以有效减小沟道长度可以有效减小沟道长度可以有效减小沟道长度可以有效提高最高振荡频率提高最高振荡频率提高最高振荡频率提高最高振荡频率7.6 MOSFET的开关特性的开关特性 在在MOS数字集成电路中，数字集成电路中，MOSFET主要工作在两个状态，主要工作在两个状态，即导通态和截止态。即导通态和截止态。MOS数字集成电路的特性就由数字集成电路的特性就由MOS管在这管在这两个状态的特性以及这两个状态相互转换的特性所决定，这就两个状态的特性以及这两个状态相互转换的特性所决定，这就是所谓的晶体管的开关特性。是所谓的晶体管的开关特性。倒相器也称为反相器，由反相管（倒相管）和负载
34、两部分组倒相器也称为反相器，由反相管（倒相管）和负载两部分组成。通常用成。通常用N沟增强管作反相管沟增强管作反相管，负载可由不同的形式。负载通，负载可由不同的形式。负载通常分有源器件和无源器件两种。无源负载即电阻负载，组成电常分有源器件和无源器件两种。无源负载即电阻负载，组成电阻负载反相器（阻负载反相器（E/R反相器反相器）；有源负载又可分为多种不同的）；有源负载又可分为多种不同的MOSFET，常见有，常见有E/E反相器反相器（用（用N沟增强管作负载）、沟增强管作负载）、CMOS反相器反相器（用（用P沟增强管作负载）和沟增强管作负载）和E/D反相器反相器（用（用N沟耗尽管作沟耗尽管作负载）等。
35、负载）等。CMOS倒相器倒相器 倒相管为倒相管为N沟道增强管，沟道增强管，其开启电压大于零。其开启电压大于零。两个管子的源与各自的两个管子的源与各自的衬底短接后倒相管共接地，衬底短接后倒相管共接地，负载管共接正向负载管共接正向VDD。两个栅极相并联作为输两个栅极相并联作为输入端。入端。两个漏极连在一起作为两个漏极连在一起作为输出端。输出端。两个衬底之间因反偏而两个衬底之间因反偏而自动隔离自动隔离。当输入脉冲为零时，倒相器处于截止态。这时当输入脉冲为零时，倒相器处于截止态。这时VGS=0，倒相管处于截止状态。由于负载管是倒相管处于截止状态。由于负载管是P沟道增强型管，沟道增强型管，VDD为正，为
36、正，相当于在负载管的栅源之间加一个负的电压，使负载管开启，相当于在负载管的栅源之间加一个负的电压，使负载管开启，处于导通状态。处于导通状态。当输入正脉冲时，倒相器处于导通状态。假定输入正脉当输入正脉冲时，倒相器处于导通状态。假定输入正脉冲电压冲电压VGSVDD，这时倒相管的栅极电压远大于源极零电位。，这时倒相管的栅极电压远大于源极零电位。倒相器可处于充分导通的状态。负载管的栅极电位倒相器可处于充分导通的状态。负载管的栅极电位VDD与源极与源极电位电位VDD相同，故处于截止状态。相同，故处于截止状态。特点特点：CMOS倒相器在导通和截止两种状态时，始终只倒相器在导通和截止两种状态时，始终只有一个
37、管子导通，只有很小的漏电流通过，所以有一个管子导通，只有很小的漏电流通过，所以CMOS倒相器倒相器的的功耗很小功耗很小，且，且开关时间短开关时间短。反相原理反相原理反相原理反相原理MOSFET的开关特性类似于双极型晶体管的开关特性的开关特性类似于双极型晶体管的开关特性（略）（略）7.7 阈值电压阈值电压VT的控制和调整的控制和调整 在在MOS集成电路的制造中，控制好阈值电压集成电路的制造中，控制好阈值电压VT的的值是很重要的。例如，要制造值是很重要的。例如，要制造N沟道增强型沟道增强型MOS管，管，它的它的VT应为正值，并要求达到一定的值。应为正值，并要求达到一定的值。由于由于由于由于QQss
38、及及及及MS的影响，如果控制不当，的影响，如果控制不当，的影响，如果控制不当，的影响，如果控制不当，V VT可能出可能出可能出可能出现负值，变成耗尽型了。通常要求现负值，变成耗尽型了。通常要求现负值，变成耗尽型了。通常要求现负值，变成耗尽型了。通常要求衬底受主杂质浓度衬底受主杂质浓度衬底受主杂质浓度衬底受主杂质浓度大于大于大于大于10101515cmcm-3-3。如果由于太大，或硼的分凝作用使受。如果由于太大，或硼的分凝作用使受。如果由于太大，或硼的分凝作用使受。如果由于太大，或硼的分凝作用使受主杂质浓度不能达到产生正的主杂质浓度不能达到产生正的主杂质浓度不能达到产生正的主杂质浓度不能达到产生
39、正的V VT值的要求，值的要求，值的要求，值的要求，MOSMOS管将管将管将管将变变变变“耗耗耗耗”。为了避免使。为了避免使。为了避免使。为了避免使N N沟道增强型沟道增强型沟道增强型沟道增强型MOSMOS管变管变管变管变“耗耗耗耗”，必须，必须，必须，必须控制氧化层中正电荷密度控制氧化层中正电荷密度控制氧化层中正电荷密度控制氧化层中正电荷密度QQss不能太大不能太大不能太大不能太大，或采用，或采用，或采用，或采用衬底反偏电压来提高衬底反偏电压来提高衬底反偏电压来提高衬底反偏电压来提高V VT值（背偏置效应），后者利用值（背偏置效应），后者利用值（背偏置效应），后者利用值（背偏置效应），后者利
40、用电学调整方法将增加麻烦。电学调整方法将增加麻烦。电学调整方法将增加麻烦。电学调整方法将增加麻烦。为了调整阈值电压，在为了调整阈值电压，在半导体近表面处注入半导体近表面处注入精确控制的相精确控制的相对较少的硼或磷离子，硼注入会导致阈值电压正漂移，磷注入会对较少的硼或磷离子，硼注入会导致阈值电压正漂移，磷注入会导致阈值电压负漂移，其作用类同于引入了附加的固定电荷，从导致阈值电压负漂移，其作用类同于引入了附加的固定电荷，从而改变而改变VT。N沟道增强型沟道增强型MOS管中注入硼，更是为得到管中注入硼，更是为得到VT值处值处于所需的正值的一种常用方法。于所需的正值的一种常用方法。也可以也可以通过改变
41、氧化层厚度来控制通过改变氧化层厚度来控制VT，随着氧化层厚度，随着氧化层厚度的增加，的增加，N沟道沟道MOS FET的阈值电压变得更大些，而的阈值电压变得更大些，而P沟道沟道MOS FET的阈值电压将变得更小些。的阈值电压将变得更小些。相当厚的场氧化层相当厚的场氧化层被用来被用来制造集成电路中，防止由于氧化层上布线而造成下面形成导电沟制造集成电路中，防止由于氧化层上布线而造成下面形成导电沟道的一种道的一种隔离方法隔离方法。选择适当的栅极材料来调整功函数差是另一种控制选择适当的栅极材料来调整功函数差是另一种控制VT的的方法方法，前面提到用多晶硅之外，一些如钨（，前面提到用多晶硅之外，一些如钨（W）,氮化钛氮化钛(TiN)等等材料被推荐采用。材料被推荐采用。调整和控制阈值电压的方法调整和控制阈值电压的方法调整和控制阈值电压的方法调整和控制阈值电压的方法