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1、Outline1 1、基本结构与工作原理、基本结构与工作原理2 2、线性区、线性区I-VI-V特性特性3 3、饱和区、饱和区I-VI-V特性特性4 4、截止区、截止区I-VI-V特性特性5 5、亚阈值区、亚阈值区I-VI-V特性特性 第1页/共26页MOSFETMOSFET结构示意图结构示意图一、基本结构和工作原理一、基本结构和工作原理场区场区有源区第2页/共26页是是四四端端器器件件，氧氧化化物物栅栅的的金金属属电电极极是是栅栅极极。通通常常把把源源和和漏漏下下方称为场区，而把栅极下区域称为有源区。方称为场区，而把栅极下区域称为有源区。器器件件的的基基本本参参数数是是沟沟道道长长度度L（两两
2、个个PN+结结之之间间的的距距离离），沟沟道宽度道宽度Z，氧化层厚度氧化层厚度x0，结深结深xj，以及衬底掺杂浓度以及衬底掺杂浓度Na等。等。结构说明：第3页/共26页以以源源极极作作为为电电压压的的参参考考点点。当当漏漏极极加加上上正正电电压压VD，而而栅栅极极未未加加电电压压时时，从从源源极极到到漏漏极极相相当当于于两两个个背背靠靠背背的的PN结结。从从源源到到漏漏的的电电流流只只不不过过是是反反向向漏漏电电流流。当当栅栅极极加加上上足足够够大大的的正正电电压压VG时时，中中间间的的MOS结结构构发发生生反反型型，在在两两个个N+区区之之间间的的P型型半半导导体体形形成成一一个个表表面面反
3、反型型层层（即即导导电电沟沟道道）。于于是是源源和和漏漏之之间间被被能能通通过过大大电电流流的的N型型表表面面沟沟道道连连接接在在一一起起。这这个个沟沟道道的的电电导导可可以以用用改改变变栅栅电电压压来来调调制制。背背面面接接触触(称称为为下下栅栅)，可可以以接接参考电压或负电压，这个电压也会影响沟道电导。参考电压或负电压，这个电压也会影响沟道电导。第4页/共26页线性区：沟道作用相当于一个电阻线性区：沟道作用相当于一个电阻第5页/共26页反型层宽度减小到零，沟道夹断反型层宽度减小到零，沟道夹断反型层宽度减小到零，沟道夹断反型层宽度减小到零，沟道夹断第6页/共26页导电沟道两端电压不变，忽略沟
4、道长度调制效应导电沟道两端电压不变，忽略沟道长度调制效应导电沟道两端电压不变，忽略沟道长度调制效应导电沟道两端电压不变，忽略沟道长度调制效应电流保持不变，进入饱和工作状态电流保持不变，进入饱和工作状态电流保持不变，进入饱和工作状态电流保持不变，进入饱和工作状态第7页/共26页二、二、MOSFETMOSFET的的I-VI-V特性特性 分析I-V特性的主要假设：1.1.忽略源区和漏区体电阻和电极接触电阻。忽略源区和漏区体电阻和电极接触电阻。2.2.沟道内掺杂均匀。沟道内掺杂均匀。3.3.载流子在反型层内的迁移率为常数。载流子在反型层内的迁移率为常数。4.4.长长沟沟道道近近似似和和渐渐近近沟沟道道
5、近近以以，即即假假设设垂垂直直电电场场和和水水平平电场是互相独立的。电场是互相独立的。5.5.长长沟沟道道近近似似（矩矩形形沟沟道道近近似似），即即沿沿沟沟道道长长度度方方向向上上 沟道宽度的变化量与沟道长度相比可以忽略沟道宽度的变化量与沟道长度相比可以忽略第8页/共26页栅栅极极上上加加一一正正电电压压使使半半导导体体表表面面反反型型。若若加加一一小小的的漏漏源源电电压压，电电子子将将通通过过沟沟道道从从源源流流到到漏漏。沟沟道道的的作作用用相相当当于于一一个个电电阻阻，且且漏漏电电流流ID和和漏漏电电压压VD成成正正比比，这这是是线线性性区区。可可用用一一条条恒恒定定电电阻阻的直线来表示。
6、的直线来表示。2.1 2.1 线性区线性区I-VI-V特性特性 yx第9页/共26页支撑感应载流子电荷支撑感应载流子电荷QI在加上源漏之间的电压在加上源漏之间的电压VD之后，在之后，在y处建立电位处建立电位V(y)，感应沟道，感应沟道电荷修正为：电荷修正为：由由于于沟沟道道内内载载流流子子分分布布均均匀匀，不不存存在在浓浓度度梯梯度度，沟沟道道电电流流只只含含电场作用的漂移项，且漂移电流为电子电流：电场作用的漂移项，且漂移电流为电子电流：(6-5-1)(6-5-2)第10页/共26页（y(0,L);V(0,VD)）积分积分，得：得：漏电流方程，称为萨支唐漏电流方程，称为萨支唐(Sah)方程。是
7、描述方程。是描述MOSFET非饱非饱和区直流特性的基本方程。和区直流特性的基本方程。由：由：注意：该方程假设注意：该方程假设VTH与与V无关无关(6-5-3)(6-5-4)第11页/共26页由阈值电压的方程：由阈值电压的方程：由于，由于，QB与沟道电压有关。考虑沟道电压作用：与沟道电压有关。考虑沟道电压作用：QB修正为：修正为：(6-5-6)强反型条件变化强反型条件变化第12页/共26页修正为：修正为：于是，漏电流方程需要修正，即：于是，漏电流方程需要修正，即：(6-(6-5-7)5-7)(6-(6-5-4)5-4)第13页/共26页V VTHTH与与与与V V有关有关有关有关(考虑栅电压对考
8、虑栅电压对考虑栅电压对考虑栅电压对Q QB B影响影响影响影响)V VTHTH与与与与V V无关无关无关无关(不考虑栅电压对不考虑栅电压对不考虑栅电压对不考虑栅电压对Q QB B影响影响影响影响)第14页/共26页由由于于导导电电沟沟道道上上存存在在电电压压降降，使使栅栅绝绝缘缘层层上上的的有有效效电电压压降降从从源源端端到到漏漏端端逐逐渐渐减减小小，当当VDS很很大大时时，沟沟道道压压降降对对有有效效栅栅压压的的影影响响不不可可以以忽忽略略，降降落落在在栅栅下下各各处处绝绝缘缘层层上上的的电电压压不不相相等等，反反型型层层厚厚度度不不相相等等，因因而而导导电电沟沟道道中中各各处处的的电电子子
9、浓浓度度不不相相同同，当当漏漏源源电电压压继继续续增增加加到到漏漏漏漏端端端端栅栅栅栅绝绝绝绝缘缘缘缘层层层层上上上上的的的的有有有有效效效效电电电电压压压压降降降降低低低低于于于于表表表表面面面面强强强强反反反反型型型型所所所所需需需需的的的的阈阈阈阈值值值值电电电电压压压压V VTHTH 时时时时，漏漏端端绝绝缘缘层层中中的的电电力力线线将将由由半半导导体体表表面面耗耗尽尽区区中中的的空空间间电电荷荷所所终终止止，漏漏端端半半导导体体表表面面的的反反型型层层厚厚度度减减小小到到零零，即即在在漏漏端端处处沟沟道道消消失失，而而只只剩剩下下耗耗尽尽区区，这这就就称称为沟道夹断。为沟道夹断。2.
10、2 2.2 饱和区饱和区I-VI-V特性特性 第15页/共26页进进一一步步增增加加漏漏极极电电压压，会会使使夹夹断断点点向向源源端端移移动动，但但漏漏电电流流不不会会显显著著增增加加或或者者说说基基本本不不变变，达达到到饱饱和和；器器件件的的工工作作进进入入饱饱和和区区。使使MOS管管进进入入饱饱和和工工作区所加的漏一源电压为作区所加的漏一源电压为VDsat。由：由：超过这一点，漏极电流可以看成是常数超过这一点，漏极电流可以看成是常数超过这一点，漏极电流可以看成是常数超过这一点，漏极电流可以看成是常数(6-(6-5-9)5-9)(6-(6-5-8)5-8)第16页/共26页饱和区饱和区线性区
11、线性区第17页/共26页沟沟道道被被夹夹断断后后，当当VGS不不变变时时，在在漏漏-源源电电压压VDS VDsat后后，随随着着VDS的的增增加加只只是是漏漏端端空空间间电电荷荷区区展展宽宽，对对沟沟道道厚厚度度增增加加几几乎乎没没有有作作用用。当当漏漏一一源源电电压压继继续续增增加加到到VDS比比VDsat大大得得多多时时，超超过过夹夹断断点点电电压压VDsat的的那那部部分分，即即（VDSVDsat）将将降降落落在在漏漏端端附附近近的的夹夹断断区区上上，因因而而夹夹断断区区将将随随VDS的的增增大大而而展展宽宽，夹夹断断点点将将随随VDS的的增增大大而而逐逐渐渐向向源源端端移移动动，栅栅下
12、下面面半半导导体体表表面面被被分分成成反反型型导导电沟道区和夹断区两部分。电沟道区和夹断区两部分。导导电电沟沟道道中中的的载载流流子子在在漏漏源源电电压压的的作作用用下下，源源源源不不断断地地由由源源端端向向漏漏端端漂漂移移，当当这这些些载载流流子子通通过过漂漂移移到到达达夹夹断断点点时时，立立即即被被夹夹断区的强电场扫入漏区，形成漏极电流。断区的强电场扫入漏区，形成漏极电流。第18页/共26页如果如果MOS管进入饱和工作区后，继续增加管进入饱和工作区后，继续增加VDS，则沟道夹断点向则沟道夹断点向源端方向移动，在漏端将出现耗尽区，耗尽区的宽度源端方向移动，在漏端将出现耗尽区，耗尽区的宽度xd
13、 随着随着VDS的增大而不断变大，通过单边突变结的公式可得的增大而不断变大，通过单边突变结的公式可得:导电沟道上的电压降正导电沟道上的电压降正导电沟道上的电压降正导电沟道上的电压降正好等于夹断点相对于源好等于夹断点相对于源好等于夹断点相对于源好等于夹断点相对于源端的电压端的电压端的电压端的电压V VDsatDsat第19页/共26页漏漏源源饱饱和和电电流流随随着着沟沟道道长长度度的的减减小小(由由于于VDS增增大大，漏漏端端耗耗尽尽区区扩扩展展所所致致)而而增增大大的的效效应应称称为为沟沟道道长长度度调调变变效效应应。这这个个效效应应会会使使MOS场场效效应应晶晶体体管管的的输输出出特特性性曲
14、曲线线明明显显发发生生倾倾斜斜，导导致致它的输出阻抗降低。它的输出阻抗降低。第20页/共26页用沟道调制系数用沟道调制系数来描述沟道长度调制效应：来描述沟道长度调制效应：饱和区的电流饱和区的电流:(6-77)(6-78)(6-79)第21页/共26页2.3 2.3 截止区截止区I-VI-V特性特性 若若栅栅电电压压小小于于阈阈值值电电压压，不不会会形形成成反反型型层层，结结果果是是MOSFETMOSFET像像是是背背对对背背连连接接的的两两个个PNPN结结一一样样，相相互互阻阻挡挡任任何何一一方方的的电电流流流流过。晶体管在这一工作区域与开路相似。过。晶体管在这一工作区域与开路相似。截止截止第
15、22页/共26页3.4 3.4 亚阈值区亚阈值区I-VI-V特性特性 当当栅栅极极电电压压稍稍微微低低于于阈阈值值电电压压时时，沟沟道道处处于于弱弱反反型型状状态态，流流过过漏漏极极的的电电流流并并不不等等于于零零，这这时时MOSFETMOSFET的的工工作作状状态态处处于于亚亚阈阈值区，流过沟道的电流称为亚阈值电流。值区，流过沟道的电流称为亚阈值电流。在在弱弱反反型型时时表表面面势势可可近近似似看看做做常常数数，因因此此可可将将沟沟道道方方向向的的电电场强度视为零，这时漏一源电流主要是扩散电流。场强度视为零，这时漏一源电流主要是扩散电流。第23页/共26页在平衡时，没有产生、复合，根据电流连
16、续性要求，电子浓度是随距离线在平衡时，没有产生、复合，根据电流连续性要求，电子浓度是随距离线性变化的，即：性变化的，即：表面势：表面势：因此当：因此当：漏电流将指数地减小：漏电流将指数地减小：(6-8(6-8-1)-1)(6-8(6-8-2)-2)(6-8(6-8-3)-3)(6-8(6-8-4)-4)第24页/共26页为为为为了了了了将将将将亚亚亚亚阈阈阈阈值值值值区区区区电电电电流流流流减减减减小小小小到到到到忽忽忽忽略略略略不不不不计计计计，必必必必须须须须将将将将MOSFETMOSFET偏偏偏偏置置置置在在在在比比比比V VTHTHV V或更低的电压值下。或更低的电压值下。或更低的电压值下。或更低的电压值下。指数关系指数关系第25页/共26页感谢您的观看！第26页/共26页