第五章MOS场效应管的特性.优秀PPT.ppt

《第五章MOS场效应管的特性.优秀PPT.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第五章MOS场效应管的特性.优秀PPT.ppt（52页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、集成电路设计基础集成电路设计基础集成电路设计基础集成电路设计基础Basic of Integrated Circuit DesignBasic of Integrated Circuit Design电子信息工程系电子信息工程系电子信息工程系电子信息工程系 武武武武 斌斌斌斌Science and Technology of Electronic Information MOS管特性管特性第五章第五章 MOS MOS 场效应管的特性场效应管的特性Science and Technology of Electronic Information 5.1 MOS场效应管场效应管5.2 MOS管的阈值

2、电压管的阈值电压5.3 体效应体效应 5.4 MOSFET的温度特性的温度特性 5.5 MOSFET的噪声的噪声5.6 MOSFET尺寸按比例缩小尺寸按比例缩小5.7 MOS器件的二阶效应器件的二阶效应MOS管特性管特性5.1.1 MOS管伏安特性的推导管伏安特性的推导两个两个PN结：结：1）N型漏极与型漏极与P型衬底；型衬底；2）N型源极与型源极与P型衬底。型衬底。同双极型晶体管中的同双极型晶体管中的PN 结结 一样，在结四周产生了耗尽层。一样，在结四周产生了耗尽层。一个电容器结构一个电容器结构 栅极与栅极下面区域形成一个电容器，栅极与栅极下面区域形成一个电容器，是是MOS管的核心。管的核心

3、。MOS管特性管特性MOSFETMOSFET的三个基本几何参数的三个基本几何参数u栅长栅长:L;栅宽栅宽:W;氧化层厚度氧化层厚度:toxuLmin：MOS工艺的特征尺寸工艺的特征尺寸(feature size)uL影响影响MOSFET的速度，的速度，W确定电路驱动实力和功耗确定电路驱动实力和功耗uL和和W由设计者选定由设计者选定,通常选取通常选取L=Lmin，u 由此，设计者只需选取由此，设计者只需选取WMOS管特性管特性MOSFET的伏安特性的伏安特性:电容结构电容结构u当当VGS0时时 u P型型区区内内的的空空穴穴被被不不断断地地排排斥斥到到衬衬底底方方向向，少少子子电电子子在在栅栅极

4、极下下的的P型型区区域域内内就就形形成成电电子子分分布布，建建立立起起反反型型层层，即即N型型层，当层，当VGS=VT时形成从漏极到源极的导电沟道。时形成从漏极到源极的导电沟道。u这时，栅极电压所感应的电荷这时，栅极电压所感应的电荷Q为，为，u Q=CVgeu 式中式中Vge是栅极有效限制电压。是栅极有效限制电压。MOS管特性管特性非饱和时非饱和时（沟道未夹断），（沟道未夹断），在漏源电压在漏源电压Vds作用作用下，这些电荷下，这些电荷Q将在将在 时间内通过沟道，因此有时间内通过沟道，因此有 为载流子速度，为载流子速度，Eds=Vds/L为漏到源方向电场强度，为漏到源方向电场强度，Vds为漏为

5、漏到源电压。到源电压。为为载流子迁移率：载流子迁移率：n n=650 cm2/(V.s)电子迁移率电子迁移率(NMOS)n p=240 cm2/(V.s)空穴迁移率空穴迁移率(PMOS)电荷在沟道中的渡越时间电荷在沟道中的渡越时间MOS管特性管特性MOSFET的伏安特性方程的伏安特性方程非饱和状况下，通过MOS管漏源间的电流Ids为：e=.0 栅极栅极-沟道间氧化层介电常数沟道间氧化层介电常数,=4.5,0=0.88541851.10-11 C.V-1.m-1Vge：栅级对衬底的有效限制电压：栅级对衬底的有效限制电压MOS管特性管特性当当Vgs-VT=Vds时，满足时，满足:Ids达到最大值达

6、到最大值Idsmax，其值为，其值为 Vgs-VT=Vds，意味着：，意味着：Vge=Vgs-VT-Vds=Vgs-Vds-VT=0沟道夹断，电流不会再增大，沟道夹断，电流不会再增大，因而，这个因而，这个 Idsmax 就是饱和电流。就是饱和电流。MOSFET饱和特性饱和特性MOS管特性管特性MOSFET特性曲线特性曲线在非饱和区在非饱和区 呈线性电阻呈线性电阻 饱和区饱和区 (I Idsds与与V Vdsds无无关关,与与V Vgsgs有关有关)MOS管特性管特性5.1.2 MOSFET电容的组成电容的组成 MOSMOS电电容容是是一一个个相相当当困困难难的的电电容容，具具有有多多层层介介质

7、质，在在栅栅极极电电极极下下面面有有一一层层SiO2SiO2介介质质，SiO2SiO2下下面面是是P P型型衬衬底，最终是衬底电极，同衬底之间是欧姆接触。底，最终是衬底电极，同衬底之间是欧姆接触。MOS管的电容管的电容MOS电容电容1）当当Vgs0时时，MOS电电容容器器可可以以看看成成两两个个电电容容器器的的串串联联。栅栅极极上上的的正正电电荷荷排排斥斥了了Si Si中中的的空空穴穴，在在栅栅极极下下面面的的Si Si表表面面上上，形形成成了了一一个个耗耗尽尽区区。耗耗尽尽区区中中空空穴穴被被赶赶走走后后剩剩下下的的固固定定的的负负电电荷荷，分分布布在在厚厚度度为为X Xp p的的整整个个耗

8、耗尽尽区区内内；而栅极上的正电荷则集中在栅极表面，基底接负极。而栅极上的正电荷则集中在栅极表面，基底接负极。N+N+N+N+N+G+以以SiO2为介质的电容器为介质的电容器Cox以耗尽层为介质的电容器以耗尽层为介质的电容器CSiMOS管的电容管的电容MOS电容电容束缚电荷层厚度束缚电荷层厚度耗耗尽尽层层电电容容的的计计算算方方法法同同PNPN结结的的耗耗尽尽层层电电容容的的计计算算方法相同，利用泊松方程方法相同，利用泊松方程将上式积分得耗尽区上的电位差将上式积分得耗尽区上的电位差 ：从而得出束缚电荷层厚度从而得出束缚电荷层厚度式中式中NA是是P型衬底中的掺杂浓度，型衬底中的掺杂浓度，为空间电荷

9、密度，为空间电荷密度，为电势，为电势，MOS管的电容管的电容MOS电容电容 耗尽层电容耗尽层电容是一个非线性电容，随电位差的增大而减小。是一个非线性电容，随电位差的增大而减小。在耗尽层中束缚电荷的总量为在耗尽层中束缚电荷的总量为是耗尽层两侧电位差是耗尽层两侧电位差 的函数，耗尽层电容为的函数，耗尽层电容为MOS管的电容管的电容MOS电容电容耗尽层电容特性耗尽层电容特性u3 3）随随着着V Vgsgs的的增增大大，耗耗尽尽层层厚厚度度X Xp p增增大大，耗耗尽尽层层上上的的电电压压降降 就就增增大大，因因而而耗耗尽尽层层电电容容C CSiSi就就减减小小。耗耗尽尽层层上上的的电电压压降降的的增

10、增大大，意意味味着着SiSi表表面面能能级级的的下下降降。一一旦旦SiSi表表面面能能级级下下降降到到P P型型衬衬底底的的费费米米能能级级，这这时时在在SiSi表表面面，电电子子浓浓度度与与空空穴穴浓浓度度相相等等，成为本征半导体，半导体呈中性。，成为本征半导体，半导体呈中性。若若V Vgsgs再再增增大大，排排斥斥掉掉更更多多的的空空穴穴，吸吸引引了了更更多多的的电电子子，这这时时，SiSi表表面面的的电电子子浓浓度度超超过过了了空空穴穴的的浓浓度度，形形成成N N反反型型层层，耗尽层厚度的增加就减慢了耗尽层厚度的增加就减慢了，C CSiSi的减小也减慢了。的减小也减慢了。MOS管的电容管

11、的电容MOS电容电容耗尽层电容特性耗尽层电容特性(续续)u4 当当Vgs增加，达到增加，达到VT值，值，Si表面电位的下降，能级下降已达表面电位的下降，能级下降已达到到P型衬底的费米能级与本征半导体能级差的二倍。在形成的型衬底的费米能级与本征半导体能级差的二倍。在形成的反型层中，电子浓度已达到原先的空穴浓度。明显，耗尽层反型层中，电子浓度已达到原先的空穴浓度。明显，耗尽层厚度达最大厚度达最大Xpmax，CSi也不再减小。这样就达到最小值也不再减小。这样就达到最小值Cmin。u5 当当Vgs接着增大，反型层中电子的浓度增加，来自栅极正电接着增大，反型层中电子的浓度增加，来自栅极正电荷的电力线，部

12、分落在这些电子上，落在耗尽层束缚电子上荷的电力线，部分落在这些电子上，落在耗尽层束缚电子上的电力线数目就有所削减。耗尽层电容将增大。两个电容串的电力线数目就有所削减。耗尽层电容将增大。两个电容串联后，联后，C将增加。将增加。u6 当当Vgs足够大时，反型层中的电子浓度已大到能起到屏蔽作足够大时，反型层中的电子浓度已大到能起到屏蔽作用，全部的电力线落在电子上。这时，反型层中的电子将成用，全部的电力线落在电子上。这时，反型层中的电子将成为一种镜面反射，感应全部负电荷，于是，为一种镜面反射，感应全部负电荷，于是，C=Cox。电容。电容曲线出现了凹谷形，曲线出现了凹谷形，MOS管的电容管的电容MOS电

13、容凹谷特性若若测测量量电电容容的的方方法法是是逐逐点点测测量量法法一一种种慢慢进进程程，那那么么将将测测量量到这种凹谷曲线。到这种凹谷曲线。MOS管的电容管的电容5.1.3 MOS电容电容的计算的计算 MOS电容电容C 源极和衬底之间结电容源极和衬底之间结电容Csb 漏极和衬底之间结电容漏极和衬底之间结电容Cdb 栅极与漏极、源极扩散区间栅极与漏极、源极扩散区间都存在着交迭，引出线之间杂都存在着交迭，引出线之间杂散电容，都计入散电容，都计入Cgs和和Cgd。MOS管的电容管的电容MOS电容电容CG、CD的探讨计算的探讨计算MOS电容电容CMOS=CG+CD(二极管接法）二极管接法）1）若）若V

14、gsVT，若处于非饱和状态，则按若处于非饱和状态，则按1/3与与2/3安排，即安排，即CMOSMOS电容的计算电容的计算u若处于饱和状态，则若处于饱和状态，则表明沟道电荷已与表明沟道电荷已与Vds无关，那么：无关，那么：CG=Cgs+C2/3,CD=Cdb+0 事实上在饱和状态下，沟道长度受到事实上在饱和状态下，沟道长度受到VdsVds的调制，当的调制，当VdsVds增加时，漏端夹断区耗尽层长度增加时，漏端夹断区耗尽层长度L L 增大，有效沟道长度增大，有效沟道长度L-L-LL变小变小,Ids,Ids增加。然而，增加。然而，L L 的增大使得漏极耗尽层宽度的增大使得漏极耗尽层宽度有所增加，增大

15、了结电容。故，有所增加，增大了结电容。故，CD=Cdb+0+CD=Cdb+0+CdbCdbMOS管的电容管的电容Cross view of parasitic capacitor of TSMC_0.35um CMOS technology深亚微米深亚微米CMOS IC工艺的寄生电容工艺的寄生电容MOS管的电容管的电容Cap.N+Act.P+Act.PolyM1M2M3UnitsArea(sub.)5269378325108aF/um2Area(poly)541811aF/um2Area(M1)46 17aF/um2Area(M2)49aF/um2Area(N+act.)3599aF/um2A

16、rea(P+act.)3415aF/um2Fringe(sub.)249261aF/um深亚微米深亚微米CMOS IC工艺的寄生电容工艺的寄生电容af=10-18 F MOS管的电容管的电容5.2 MOSFET的阈值电压的阈值电压VT=VT就就是是将将栅栅极极下下面面的的Si表表面面从从P型型Si变变为为N型型Si所必要的电压。所必要的电压。它由两个重量组成它由两个重量组成,=即即:VT=Us+Vox=Us:Si表面电位表面电位;=Vox:SiO2层上的压降。层上的压降。阈值电压阈值电压VTUs 的计算的计算u电压电压Us Us 与衬底浓度与衬底浓度NaNa有关。有关。u在在半半导导体体理理论

17、论中中，P P型型半半导导体体的的费费米米能能级级是是靠靠近近满满带带的的，而而N N型型半半导导体体的的费费米米能能级级则则是是靠靠近近导导带带的的。要要想想把把P P型型变变为为N N型型，外加电压必需补偿这两个费米能级之差。外加电压必需补偿这两个费米能级之差。25阈值电压阈值电压VT掺杂浓度掺杂浓度NaNa越大，越大，V VT T就越大就越大已知已知p型半导体型半导体Vox的计算的计算Vox依依据据从从金金属属到到氧氧化化物物到到Si衬衬底底Xm处处的的电电场场分分布布曲曲线导出线导出:Q/C阈值电压阈值电压VTC Coxox越小，越小，V VT T就越大就越大即即t tOXOX越厚，越

18、厚，V VT T越大越大已知已知Qox=Qsi，且且=2KT ln(Na/ni)在工艺环境确定后，在工艺环境确定后，MOS管的阈值电压管的阈值电压VT主要确定主要确定 1.衬底的掺杂浓度衬底的掺杂浓度Na。浓度大则。浓度大则VT小。小。2.Cox，C大大则则电电荷荷影影响响小小，所所以以tOX很很小小100 nmVT的志向计算公式的志向计算公式阈值电压阈值电压VT5.3 MOSFET的体效应的体效应一一般般认认为为Vgs是是加加在在栅栅极极与与衬衬底底之之间间的的。通通常常，衬衬底底是是接接地地的的，但但源源极极未未必必接接地地,事事实实上上，在在很很多多场场合源极与衬底并不连接在一起。合源极

19、与衬底并不连接在一起。源源极极不不接接地地时时对对VT值值的的影影响响称称为体效应为体效应(Body Effect)。导致；导致；VB，VTMOSFET体效应体效应阈值电压随源极阈值电压随源极-衬底电压的变更衬底电压的变更某一某一CMOS工艺条件下，工艺条件下，NMOS阈值阈值电压随源极电压随源极-衬底电压的变更曲线衬底电压的变更曲线MOSFET体效应体效应 MOSFET的温度特性主要来源于沟道中载流子的迁移率的温度特性主要来源于沟道中载流子的迁移率 和阈值电压和阈值电压VT随温度的变更。随温度的变更。T gm T ni VT ；VT(T)-(2 4)mV/C5.4 MOSFET的温度特性的温

20、度特性MOS管特性管特性MOSFET的噪声来源主要由两部分：的噪声来源主要由两部分：热噪声热噪声(thermal noise)闪烁噪声闪烁噪声(flicker noise，1/f-noise)5.5 MOSFET的噪声的噪声MOS管特性管特性 有源器件的噪声特性对于小信号放大器和振荡器等模拟电路的设计是有源器件的噪声特性对于小信号放大器和振荡器等模拟电路的设计是至关重要的；至关重要的；全部全部FET(MOSFET,MESFETFET(MOSFET,MESFET等等)的的1/f 1/f 噪声都高出相应的噪声都高出相应的BJTBJT的的1/f 1/f 噪声噪声约约1010倍。这一特征在考虑振荡器电

21、路方案时必须要赐予重视。倍。这一特征在考虑振荡器电路方案时必须要赐予重视。热噪声热噪声n是由沟道内载流子的无规则热运动造成是由沟道内载流子的无规则热运动造成 的，通过沟道电阻的，通过沟道电阻生成热噪声电压生成热噪声电压 veg(T，t)，其等效电压值可近似表达为其等效电压值可近似表达为DfDf为所探讨的频带宽度为所探讨的频带宽度,T,T是确定温度是确定温度.设设MOS模拟电路工作在饱和区模拟电路工作在饱和区,gm可写为可写为结论：结论：增加增加MOS的栅宽和偏置电流，可减小器件的热噪声的栅宽和偏置电流，可减小器件的热噪声MOS管特性管特性闪烁噪声闪烁噪声(flicker noise，1/f-n

22、oise)u形成机理：形成机理：沟沟道处道处SiO2与与Si界面上电子的充放电界面上电子的充放电u闪烁噪声的等效电压值闪烁噪声的等效电压值系数系数K2典型值为典型值为3 1024V2F/Hz。因为因为 1，所以闪烁噪声被称之为，所以闪烁噪声被称之为1/f 噪声。噪声。u电路设计时，增加栅宽电路设计时，增加栅宽W，可降低闪烁噪声。，可降低闪烁噪声。MOS管特性管特性5.6 MOSFET尺寸按比例缩小尺寸按比例缩小(Scaling-down)lMOSFET尺寸缩小对器件性能的影响尺寸缩小对器件性能的影响饱和区饱和区结论结论1 1：L L Ids Ids tox tox Ids Ids L L+to

23、x+tox IdsIds减小减小L L和和toxtox引起引起MOSFETMOSFET的电流限制实的电流限制实力提高力提高结论结论2 2：W W IdsIds P P减小减小W W 引起引起MOSFETMOSFET的电流限制实力和的电流限制实力和输出功率减小输出功率减小结论结论3 3：(L L +t toxox+W+W)I Ids=C ds=C A AMOSMOS 同时减小同时减小L L，t toxox和和W W，可保持可保持I Idsds不变，但导致不变，但导致器件占用面积减小，集器件占用面积减小，集成度提高。成度提高。总结论：总结论：缩小缩小MOSFETMOSFET尺寸是尺寸是VLSIVL

24、SI发展的总趋势发展的总趋势！Scaling-downMOSFET尺寸缩小对器件性能的影响尺寸缩小对器件性能的影响1 1减小减小L L引起的问题引起的问题:2 2 L LVds=C Vds=C Ech Ech，VdsmaxVdsmax,即在即在VdsVdsmaxVdsVdsmax不变的状况下，减小不变的状况下，减小L L将导致击穿电压降低将导致击穿电压降低.解决方案：解决方案：减小减小L L的同时降低电源电压的同时降低电源电压VDDVDD。降低电源电压的关键：降低电源电压的关键：降低开降低开启电压启电压VTVT Scaling-downScaling-downL(m)1020.50.350.1

25、8VT(V)7-9410.60.4VDD(V)201253.31.8缩小尺寸后：栅长、阈值电压、与电源电压对比缩小尺寸后：栅长、阈值电压、与电源电压对比缩小尺寸后：栅长、阈值电压、与电源电压对比缩小尺寸后：栅长、阈值电压、与电源电压对比降低降低VT VT 的方法的方法 ：1)1)降低衬底中的杂质浓度，接受高电阻率的衬降低衬底中的杂质浓度，接受高电阻率的衬底底;2)2)减小减小SiO2SiO2介质的厚度介质的厚度 tox tox。2 MOSFET2 MOSFET的动态特性影响的动态特性影响Ids：Ids(Vgs)R：Rmetal,Rpoly-Si,RdiffC：Cgs,Cgd,Cds,Cgb,C

26、sb,Cdb,Cmm,CmbCg=Cgs+Cgd+Cgb;关键电容值关键电容值其其等效于一个含有受控源等效于一个含有受控源Ids的的RC网络。网络。MOSFETMOSFET的动态特性的动态特性(即速度即速度)，取决于，取决于RCRC网络的充放电的快慢，进而取决于网络的充放电的快慢，进而取决于电流源电流源IdsIds的驱动实力，即跨导的大小；的驱动实力，即跨导的大小；RCRC时间常数的大小，时间常数的大小，充放电的电压范围，即电源电压的凹凸充放电的电压范围，即电源电压的凹凸.Scaling-downMOSFET 的速度可以用单级非门的速度可以用单级非门(反相器反相器)的时延的时延 D来表征。来表

27、征。Scaling-down：(L，W，tox)Ids R VDD 速度的影响速度的影响R基本不变基本不变,但是但是C减小，减小，D 减小减小结论：结论：器件尺寸连同器件尺寸连同VDD同步缩小，器件的速度提高。同步缩小，器件的速度提高。Scaling-down3 MOSFET3 MOSFET的跨导的跨导g gm mL0MOSFET的跨导的跨导 gm的定义为的定义为：MOSFET I-V特性求得特性求得MOSFET的优值的优值:Scaling-down5.7 MOS器件的二阶效应器件的二阶效应 随着随着MOSMOS工艺向着亚微米、深亚微米的方向发展，必需考虑。工艺向着亚微米、深亚微米的方向发展，

28、必需考虑。二阶效应出于两种缘由：二阶效应出于两种缘由：1)1)当当器器件件尺尺寸寸缩缩小小时时，电电源源电电压压还还得得保保持持为为5V5V，于于是是，平平均均电电场场强强度度增加了，引起了很多二次效应。增加了，引起了很多二次效应。2)2)当当管管子子尺尺寸寸很很小小时时，这这些些小小管管子子的的边边缘缘相相互互靠靠在在一一起起，产产生生了了非非志志向电场，也严峻地影响了它们的特性。向电场，也严峻地影响了它们的特性。MOS管二阶效应管二阶效应4 L和和W的变更（的变更（MOS器件模型二阶器件模型二阶效应）效应）另另外外，在在氧氧化化区区的的下下面面称称为为场场注注入入区区（field fiel

29、d implantimplant）的的P+P+区区，其其 NaNa值值 较较大大，其其连连接接P P基基底底，目目的的是是提提高高了了寄寄生生 MOS MOS 管的开启电压，利用反向用来限制表面的漏电流。管的开启电压，利用反向用来限制表面的漏电流。MOS管二阶效应管二阶效应场区是由一层很厚的场区是由一层很厚的SiO2SiO2形成的形成的,多晶硅或铝多晶硅或铝线在场氧化区上面穿过，线在场氧化区上面穿过，其其CoxCox很小，开启电压很小，开启电压V VT T VVDDDD不会产生寄生不会产生寄生MOSMOS管。管。场注入场注入结论结论:一个很厚的氧化区和一个注入区，给工艺制造带来了新的问题。一个

30、很厚的氧化区和一个注入区，给工艺制造带来了新的问题。L和和W的变更的变更由由于于制制造造误误差差真真正正器器件件中中的的L、W W并并不不是是原原先先版版图图上上所所定定义义的的L L、W W，如图所示，氧化区具有鸟嘴形（，如图所示，氧化区具有鸟嘴形（bird beakbird beak）。）。W=WW=Wdrawndrawn 2 2 W W；影响了；影响了V VT T。MOS管二阶效应管二阶效应集成电路制造过程中：集成电路制造过程中：先用有源区的先用有源区的maskmask，在场区外生成一个氮在场区外生成一个氮化硅的斑区。然后，化硅的斑区。然后，再以这个斑区作为再以这个斑区作为implant

31、 maskimplant mask，注入，注入P+P+区。最终，以这个区。最终，以这个斑区为掩膜生成氧化斑区为掩膜生成氧化区。然而，在氧化过区。然而，在氧化过程中，氧气会从斑区程中，氧气会从斑区的边沿处渗入，造成的边沿处渗入，造成了了Bird beakBird beak 注注入入区区P+是是先先做做好好的的，在在高高温温氧氧化化时时，这这个个P+区区中中的的杂杂质质也也扩扩散散了了，侵侵入入到到管管子子区区域域，变变更更了了衬衬底底的的浓浓度度Na，影影响响了了开开启启电电压压。同同时时，扩扩散散电电容容也也增增大大了，了，N+区与区与P+区的击穿电压降低。区的击穿电压降低。L的变更的变更栅极

32、长度栅极长度L L不等于原先版图上所绘制的不等于原先版图上所绘制的LdrawnLdrawn，减小，减小了了是在蚀刻（是在蚀刻（etchingetching）过程中，多晶硅（）过程中，多晶硅（PloyPloy）被腐）被腐蚀掉了。蚀掉了。扩散区延长进去，两边合起来延长了扩散区延长进去，两边合起来延长了2 2LdiffLdiff，故故L=LdrawnL=Ldrawn2 2LpolyLpoly2 2LdiffLdiff这这2 2LdiffLdiff是重叠区，是重叠区，也增加了结电容。也增加了结电容。Cgs=WCgs=WLdiffCoLdiffCo Cgd=WCgd=WLdiffCoLdiffCo式中式

33、中CoCo是单位面积电容。是单位面积电容。MOS管二阶效应管二阶效应Ldrawn是图上绘制的栅极长度。是图上绘制的栅极长度。Lfinal是加工完后的实际栅极长度。是加工完后的实际栅极长度。Lfinal=Ldrawn 2 Lpoly5 5 迁移率的退化（迁移率的退化（二阶效应）二阶效应）MOS迁迁移移率率 并并不不是是常常数数。从从器器件件的的外外特特性性来来看看，至至少少有有三三个个因因素素影影响响 值值，它它们们是是：温温度度T，垂垂直直电电场场Ev，水平电场，水平电场Eh。可以表示为：可以表示为：=0(T)fv(Vg,Vs,Vd)fh(Vg,Vs,Vd)MOS管二阶效应管二阶效应式中式中

34、0(T)是温度的函数，是温度的函数，0(T)=kT M;fv是垂直电场的退化函数；是垂直电场的退化函数；fh是水平电场的退化函数是水平电场的退化函数迁移率的退化迁移率的退化1）特征迁移率特征迁移率0 0与与制制造造工工艺艺亲亲密密相相关关，0还还与与温温度度T有有关关，温温度度上上升升时时，0就就降降低低。假假如如从从25增增加加到到100，0将将下下降降一一半。半。MOS管二阶效应管二阶效应在半导体在半导体SiSi内一般认为，内一般认为，M M值是处在值是处在1.51.5 2 2之间。之间。0 0的典型值为，的典型值为，N N沟道沟道MOSMOS管，管，0=600cm2/V0=600cm2/

35、V S S；P P沟道沟道MOSMOS管，管，0=250cm2/V0=250cm2/V S S。2）迁迁移移率率 的的退退化化还还与与电电场场强强度度有有关关，通通常常 将将随随Ev(垂直垂直)，Eh(水平水平)而退化。而退化。迁移率的退化迁移率的退化水水平平电电场场对对的的影影响响，比比垂垂直直电电场场大大得得多多。因因为为水水平平电电场场将将加加速速载载流流子子运运动动。当当载载流流子子速速度度被被加加速速到到一一个个大大的的数数值值，水水平平速速度度会会饱饱和和。一一般般来来讲讲，N型型Si的的0远远大大于于P型型Si的的0,约约2.5倍倍。然然而而当当电电场场增增加加时时，这这个个差差

36、距距就就缩缩小小，当当电电场场强强到到确确定定程程度度，N管管与与P管管达达到到同同一一饱饱和和速速度度，得得到到同同一一个个值值，它它与与掺掺杂杂几几乎乎无无关关，这这两两种种载载流流子子的饱和速度是相同的。这并不是的饱和速度是相同的。这并不是P型器件得到改进，而是型器件得到改进，而是N型器件有所退化。型器件有所退化。Vc是临界电压，是临界电压，Vc=ctox，c是临界电场，是临界电场，c=2 105 V/cm。垂直垂直 值退化大约为值退化大约为25%50%。MOS管二阶效应管二阶效应退化函数退化函数:6 6 沟道长度调制（二阶效应）沟道长度调制（二阶效应）当当VDS增大时，增大时，MOS管

37、的漏端沟道被夹断并进入饱管的漏端沟道被夹断并进入饱和，和，VDS进一步增大，该夹断点向源区移动，从而使进一步增大，该夹断点向源区移动，从而使沟道的有效长度减小，于是沟道中水平电场增加了，沟道的有效长度减小，于是沟道中水平电场增加了，增加了电流。这就是沟道长度调制效应增加了电流。这就是沟道长度调制效应。故器件的有。故器件的有效沟道长度为效沟道长度为 L=L漏极区的耗尽区的宽度漏极区的耗尽区的宽度V V V Vdsdsdsds V V V VDsatDsatDsatDsat 是耗尽区上的电压是耗尽区上的电压是耗尽区上的电压是耗尽区上的电压假如衬底掺杂高，那么这种调制效应就减小了假如衬底掺杂高，那么

38、这种调制效应就减小了MOS管二阶效应管二阶效应 以前对以前对MOS管的分析是一维计算，假定全部的电场效应都是正管的分析是一维计算，假定全部的电场效应都是正交的。然而，这种假定在沟道区的边沿上是不成立的。因为沟道交的。然而，这种假定在沟道区的边沿上是不成立的。因为沟道很短，很窄，边沿效应对器件特性有重大影响，使很短，很窄，边沿效应对器件特性有重大影响，使VT的减小。的减小。栅极感应所生成的耗尽区，与源、漏耗尽区是连接在一起的。明栅极感应所生成的耗尽区，与源、漏耗尽区是连接在一起的。明显，有部分区域是重叠的。那里的耗尽区是由栅极感应与扩散平显，有部分区域是重叠的。那里的耗尽区是由栅极感应与扩散平衡

39、共同形成的。差不多一半由感应产生，另一半由扩散形成。这衡共同形成的。差不多一半由感应产生，另一半由扩散形成。这样，栅极电压只要稍加一点，就可以在栅极下面形成耗尽区。样，栅极电压只要稍加一点，就可以在栅极下面形成耗尽区。QB=QBQL故门限电压故门限电压VT必定降低。必定降低。MOS管二阶效应管二阶效应短沟道效应引起门限电压变更短沟道效应引起门限电压变更短沟道效应引起门限电压变更短沟道效应引起门限电压变更(续续)对于长沟道对于长沟道MOS管，影响不大。但是当沟道长度管，影响不大。但是当沟道长度L11时时,电路指标变更电路指标变更:优优优优点点点点多多多多Scaling-down本章练习本章练习1.写出写出MOSFET的基本电流方程。的基本电流方程。2.MOSFET的饱和电流取决于哪些参数的饱和电流取决于哪些参数?3.什么是什么是MOSFET的阈值电压？它受哪些因的阈值电压？它受哪些因素的影响？素的影响？4.说明说明L、W对对MOSFET的速度、功耗、驱的速度、功耗、驱动实力的影响。动实力的影响。5.说明说明MOSFET噪声的来源、成因及减小的噪声的来源、成因及减小的方法。方法。MOS管特性小结管特性小结