MOS场效应晶体管 (2).ppt
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1、微电子元器件与项目训练 授课教师：余菲第4章 MOS场效应晶体管 教师：余菲 电子邮件： 电话：13510269257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 transistor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
2、道MOS场效应管结构图场效应管结构图N+N+BS:sourceG:gateD:drainB:body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必须加栅压使表面必须加栅压使表面
3、反型，形成沟道反型，形成沟道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，从而出现导电沟道是金属栅下面呈现强反型，从而出现导电沟道时所需要的栅源电压时所需要的栅源电压 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
4、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微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：n氧化层电容的影响: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+微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257
5、 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+微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：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+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：
6、VDSVGS-VT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
7、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，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。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
8、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
9、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。微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail： 对于MOSFET则可引进输出特性曲线和转移特性输出特性曲线和转移特性曲线曲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
10、极G及源极S之间，输出端为漏极D与源极S。微电子专业核心课程 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/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
11、的长度型沟道。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
12、道电阻越小，可调电阻区的名称由此而来。由此而来。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
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