复旦大学(微电子)半导体器件第八章MOSFE.ppt

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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 的类型和符号的类型和符号NMOSPMOS增强型增强型 耗尽型耗尽型增强型增强型 耗尽型耗尽型衬底衬底pnS/Dn+p+载流子载流子电子电子空穴空穴VDS+IDSD SS D载流子运动方向载流子运动方向S DS DVT+符号符号GDBSGDBSGDBSGDBSMOSFET 的阈值电压的阈值电压其中其中功函数差功函数差n 沟沟 MOS（NMOS）p 沟沟 MOS（PMOS）在忽略氧

2、化层中在忽略氧化层中 电荷电荷(x)的情况的情况下下表面固定电荷表面固定电荷,MOSFET 阈值电压控制阈值电压控制1.金属功函数金属功函数 Wm 的影响的影响金属金属MgAlNiCuAuAgn+-polyp+-polyWm(eV)3.354.14.554.75.05.14.055.152.衬底杂质浓度衬底杂质浓度 NA 的影响的影响NA 增加增加 1 个数量级，个数量级，VB 增加增加 60 mV3.界面固定电荷界面固定电荷 QSS 的影响的影响4.离子注入调整阈值电压离子注入调整阈值电压离子注入调整离子注入调整阈值电压阈值电压增强型增强型耗尽型耗尽型其中其中Rp VT）VDS 较小时较小时

3、跨导参数跨导参数(1)当当 VDS=VDSsat 时时定义定义 VDSsat VGS VT Qn(L)=0反型电子消失反型电子消失沟道被沟道被夹断夹断MOSFET 的饱和区的饱和区Leff Ly(2)当当 VDS VDS sat 时时夹断点左移，有效沟道缩短夹断点左移，有效沟道缩短IDSsat 不饱和，不饱和，沟道长度调制效应沟道长度调制效应NMOS（增强型）增强型）NMOS（耗尽型）耗尽型）PMOS（增强型）增强型）PMOS（耗尽型）耗尽型）四四种种 MOSFET 的输出特性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 的转移特性的转移特性IDSsat

4、VGS（VDS为参量）为参量）NMOS（增强型）增强型）输入输入G输出输出SSD注：需保证注：需保证 VDS VGS VT 四种四种 MOSFET 的转移特性的转移特性NMOS（增强型）增强型）NMOS（耗尽型）耗尽型）PMOS（增强型）增强型）PMOS（耗尽型）耗尽型）MOSFET 的跨导的跨导定义：跨导定义：跨导 gmS 1 西门西门子子=线性区线性区饱和区饱和区提高提高 gm 的途径：的途径：1o n tox ox Cox W/L gm 2o VGS gms MOSFET 的击穿特性的击穿特性1.源漏击穿源漏击穿1.源漏击穿源漏击穿2.栅击穿栅击穿漏漏-衬底衬底pn结雪崩击穿结雪崩击穿沟

5、道雪崩击穿沟道雪崩击穿漏源势垒穿通漏源势垒穿通(1)漏漏-衬底衬底 pn 结雪崩击穿结雪崩击穿(BVDS)n+n+p-SiVGSVDSNA BVDS 线性区线性区饱和区饱和区击穿区击穿区MOSFET 的击穿特性的击穿特性(2)沟道雪崩击沟道雪崩击穿穿n+n+p-SiVGS VTVDSSB.。VDS Ey 当当 Ey Ec 时时，沟道击穿，沟道击穿电子：沟道电子：沟道 D 沟道沟道 SiO2空穴：沟道空穴：沟道 B(3)漏源势垒穿漏源势垒穿通通n+n+p-SiVGSVDSSBE(x)x0L扩散势扩散势 0.7 VDMOSFET 的栅击穿的栅击穿SiO2 击穿电场击穿电场 Ec=(510)106

6、V/cm Eg.Cox=1 pF，tox=100 nm，Q=(510)10 11 C n+n+p-SiGDn+S栅击穿！栅击穿！齐纳二极管齐纳二极管（隧道二极管）（隧道二极管）MOSFET 的电容的电容n+n+GSDiGiSiDCGSOCGDOCJSCJDCGBBMOSFET 的高频等效电路的高频等效电路最高振荡频率最高振荡频率gmvGS+GSDCGSgD 1S+CGD=0（饱和区）饱和区）vGS其中（饱和区）其中（饱和区）考虑到实际考虑到实际 MOSFET 的寄生电容的寄生电容（尤其是栅漏交迭电容（尤其是栅漏交迭电容 CGDO），），CGDO 作为反馈电容耦合进作为反馈电容耦合进Ci，减小减

7、小 Overlap，降低寄生电容，可采用自对准多晶硅栅工艺。降低寄生电容，可采用自对准多晶硅栅工艺。MOSFET 的开关特性的开关特性v(t)VTvGS(t)10%90%0tontofftvDS(t)IDSVDSABMOS 倒倒相器开关特性：相器开关特性：Von 0（导通有电阻）导通有电阻）；开关速度取决于对电容的开关速度取决于对电容的充放电和载流子渡越时间。充放电和载流子渡越时间。Ioff 0（亚阈值电流）亚阈值电流）；VonVoff0VDD负载线负载线+VDDvDS(t)vGS(t)+RDC+几种几种 MOS 倒相器倒相器+VDDRDC+VDDCM2M1+VDDCM2M1+VDDCM2M1

8、电阻负载型电阻负载型 MOS 倒相器倒相器E-E MOS 倒相器倒相器E-D MOS 倒相器倒相器CMOS 倒相器倒相器MOS 倒相器负载线和电压传输特性倒相器负载线和电压传输特性IDS0VDDIonVDS电阻型负载电阻型负载E-E MOSE-D MOSCMOSCMOS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、高速度、充分利用电源电压得到大

9、的输出摆幅。从这些要求出发，CMOS的突出优点是功耗低、电压摆幅大；而E-DNMOS占用面积小、速度比较快、电压摆幅也比较大；EE-NMOS性能最差，但是最容易制造。MOSFET按比例缩小规则集成电路技术的发展缩小器件和电路的尺寸，为了降低成本和缩短设计时间通常对MOSFET采用按比例缩小规则。最简单的办法是：把沟道长度L、宽度W、氧化层厚度tox、栅电压和漏电压都除以某一比例系数，而杂质浓度则乘以该比例系数。这时在缩小器件尺寸时提高了器件的工作速度和集成度而沟道内的电场保持不变。按照以上的按比例缩小规则制作的器件：器件的工作速度提高倍、密度增加2倍、功耗降低2倍、阈值电压的减小接近倍；而亚阈

10、值电流基本不变。与此同时由于寄生电容没有减少和互连电阻增加会使延迟时间增加。MOSFET 的二级效应的二级效应1o 非常数表面迁移率效应（表面散射、栅电场）非常数表面迁移率效应（表面散射、栅电场）；3o 体电荷效应；体电荷效应；4o 沟道长度调制效应；沟道长度调制效应；5o 源漏串联电阻寄生效应；源漏串联电阻寄生效应；6o 亚阈值效应；亚阈值效应；7o 衬偏效应；衬偏效应；8o 短沟道效应。短沟道效应。2o 漏端速度饱和效应；漏端速度饱和效应；9o CMOS闭锁效应；闭锁效应；亚阈值效应回忆我们前面假设表面呈现强反型时MOSFET沟道开始形成，源、漏之间开始导通。实际上MOSFET源、漏之间加

11、上电压以后，源端PN结处于正向，就会有非平衡载流子注入，漏端PN结就会收集到注入的非平衡载流子，同时还有反向的产生电流（包括表面态的产生电流），所以在强反型之前源、漏之间就会有电流，这就称为亚阈值电流。亚阈值特性亚阈值特性沟道长度调制效应沟道长度调制效应会导致饱和电流区伏安特性倾斜。表面迁移率和漏端速度饱和效应由于二氧化硅和硅的界面有许多杂质缺陷，而且载流子被束缚在表面非常狭窄的势阱里，所以表面载流子的迁移率比体内要低很多。通常硅表面的电子和空穴的迁移率约为：垂直表面的电场越强表面迁移率越小。漏端势垒区电场很强，载流子流进势垒区后就会出现速度饱和效应。n=550 950 cm2/V s p=1

12、50 250 cm2/V s n/p=24体电荷效前面给出MOSFET特性公式：在该公式中认为沟道中耗尽层宽度是不变的，实际上由于漏端和源端存在电势差，沟道的宽度当然也不一样，考虑到这个因素以后必须计入沟道体电荷变化部分对阈值电压的贡献。CMOS闭锁效应前面看到CMOS结构有寄生的NPNP结构。NPNP结构可以看作由PNP和NPN两个晶体管的复合结构。P NP NP P N N N P 从图中不难看出这是一个触发器，只要两个晶体管共基极电流增益之和等于1，该结构就处于导通状态。当上端接正时中间的PN结是反向的，而上端接负时上下两个PN结都是反向的，因此可以认为它们处于截至状态。这时电流很小，电

13、流增益也很小，不会导通。如果由于电压波动或辐射效应使两端电压瞬时超过击穿电压，那么该结构将被触发导通，这时电流很大。如果电压恢复正常，由于电流比较大，电流增益比较大，所以该结构会在比较低的电压下保持导通状态，使CMOS的电压锁定在低电压情况下而不能正常工作。解决的办法是：在设计结构上尽量减少寄生晶体管电流增益或采用SOI工艺消除寄生晶体管。小尺寸效应随着晶体管尺寸的逐步缩小，前面的简单一维模型不再适用，这时需要把晶体管结构分割成小单元，用二维甚至三维模型求解。重点内容阈值电压的控制的主要途径跨导的表达式高频的表达式及提高频率特性的途径决定开关特性的因素几种倒相器的比较习题写出增强型NMOSFET的阈值电压公式。写出增强型NMOSFET的伏安特性公式。画CMOS结构的示意图。