Transcript 第三章
1/121 半导体器件原理 主讲人：仇志军 本部物理楼435室 55664269 Email: [email protected] 助教：熊丝纬 [email protected] 第三章 MOSFET的基本特性 3.1 MOSFET的结构和工作原理 3.2 MOSFET的阈值电压 3.3 MOSFET的直流特性 3.4 MOSFET的频率特性 3.5 MOSFET的开关特性 3.6 MOSFET的功率特性 2/121 3.1 MOSFET的结构和工作原理1 3.1.1 MOSFET简介 Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor G S D 3/121 3.1 MOSFET的结构和工作原理2 3.1.1 MOSFET简介 MOSFET vs BJT MOSFET BJT 电场调节作用 （E ID ） 少子注入 扩散 收集 多子作用（多子器件） 少子作用（少子器件） 一种载流子（单极） 两种载流子（双极） 输入阻抗高 （MOS 绝缘体 > 109 ） 输入阻抗低 （pn 结正偏，共射~ k） 电压控制器件 电流控制器件 噪声低，抗辐射能力强 ~ 少子 ~ Nit 工艺要求高（~ Qss） 工艺要求低 频率范围小，功耗低 高频，大功率 集成度高 集成度低 4/121 3.1 MOSFET的结构和工作原理3 5/121 3.1.1 MOSFET简介 晶体管发展史 1o 提出 FET 的概念 J. E. Lilienfeld（1930 专利） O. Heil （1939 专利） 2o FET 实验研究 W. Shockley 3o Point-contact transistor发明 （二战后） J. Bardeen W. H. Brattain（1947） 4o 实验室原理型JFET研制成功 Schockley （1953） 5o 实用型JFET出现 （1960） 6o MOSFET出现 （1960） 7o MESFET出现 （1966） 3.1 MOSFET的结构和工作原理4 3.1.2 MOSFET的结构 6/121 3.1 MOSFET的结构和工作原理5 3.1.3 MOSFET的基本工作原理 ID B 当 VG > VT 时 ID : 0 7/121 3.1 MOSFET的结构和工作原理6 8/121 3.1.4 MOSFET 的分类和符号 NMOS 增强型 PMOS 耗尽型 增强型 耗尽型 衬底 p n S/D n+ p+ 载流子 电子 空穴 VDS + IDS DS SD 载流子运动方向 SD SD VT + G B S G B S + D D D D 符号 G B S G B S 3.1 MOSFET的结构和工作原理7 3.1.5 MOSFET 的输出特性和转移特性 1. 输出特性 D G 输入 S 饱和区 输出 S 线性区 IDS ~ VDS（VGS为参量） NMOS（增强型） 击穿区 9/121 10/121 3.1 MOSFET的结构和工作原理8 3.1.5 MOSFET 的输出特性和转移特性 1. 输出特性 NMOS（增强型） PMOS（增强型） NMOS（耗尽型） PMOS（耗尽型） 11/121 3.1 MOSFET的结构和工作原理9 3.1.5 MOSFET 的输出特性和转移特性 2. 转移特性 IDS D G 输入 S 输出 S IDS ~ VGS（VDS为参量） NMOS（增强型） 12/121 3.1 MOSFET的结构和工作原理10 3.1.5 MOSFET 的输出特性和转移特性 2. 转移特性 IDS IDS NMOS（增强型） IDS PMOS（增强型） NMOS（耗尽型） IDS PMOS（耗尽型） 第三章 MOSFET的基本特性 3.1 MOSFET的结构和工作原理 3.2 MOSFET的阈值电压 3.3 MOSFET的直流特性 3.4 MOSFET的频率特性 3.5 MOSFET的开关特性 3.6 MOSFET的功率特性 13/121 3.2 MOSFET的阈值电压1 14/121 3.2.1 半导体的表面状态 VG = ? 3.2 MOSFET的阈值电压2 3.2.2 阈值电压的表达式 不考虑 ms Qss Qox 时 QB (d max ) qN Ad max VT 2VB 2VB Cox Cox 1/ 2 N A 2kT N A 1 ln 4 N A s kT ln q ni Cox ni 考虑 ms Qss Qox 时 VFB 0 VT VFB 2VB 其中 VFB 功函数差 QB (d max ) qN Ad max VFB 2VB Cox Cox Qss 1 tox x ms ( x )dx Cox Cox 0 tox qms Wm Ws qVms 接触电势差 15/121 3.2 MOSFET的阈值电压3 3.2.2 阈值电压的表达式 n 沟 MOS （NMOS） p 沟 MOS （PMOS） VTn ms Qss qN Ad max 2kT N A ln Cox Cox q ni Qss qN D d max 2kT N D VTp ms ln Cox Cox q ni 16/121 17/121 3.2 MOSFET的阈值电压4 3.2.3 影响 VT 的因素 1. 功函数差 ms 的影响 (1) 金属功函数 Wm 金属 Mg Al Ni Cu Au Ag n+-poly p+-poly Wm (eV) 3.35 4.1 4.55 4.7 5.0 5.1 4.05 5.15 (2) 半导体功函数 Ws Eg Ws s qVB = 2 Eg N s kT ln A 2 ni p 型 n 沟 MOS Eg N s kT ln D 2 ni n 型 p 沟 MOS n-Si ND (cm3) 1014 1015 p-Si 1016 NA (cm3) Ws (eV) 4.32 4.26 4.20 1014 1015 1016 4.82 4.88 4.94 3.2 MOSFET的阈值电压5 3.2.3 影响 VT 的因素 1. 功函数差 ms 的影响 (3) Al栅工艺 / 硅栅工艺 自对准多晶硅栅工艺 Self-aligned (P-Si) 18/121 3.2 MOSFET的阈值电压5 3.2.3 影响 VT 的因素 1. 功函数差 ms 的影响 多晶硅栅 MOSFET N-MOSFET 19/121 3.2 MOSFET的阈值电压6 3.2.3 影响 VT 的因素 1. 功函数差 ms 的影响 多晶硅栅 MOSFET P-MOSFET 20/121 3.2 MOSFET的阈值电压7 3.2.3 影响 VT 的因素 kT N B ln q ni NB 增加 2 个数量级， VB 增加 0.12 V VTn NMOS VT / V VB VB /V 2. 衬底杂质浓度 NB 的影响 21/121 3.2 MOSFET的阈值电压8 3.2.3 影响 VT 的因素 3. 界面固定电荷 QSS 的影响 n 沟 MOS （NMOS） p 沟 MOS （PMOS） Qss qN Ad max 2kT N A ln Cox Cox q ni Q qN d 2kT N D VTp ms ss D max ln Cox Cox q ni VTn ms ND/cm-3 NMOS PMOS 22/121 3.2 MOSFET的阈值电压9 3.2.3 影响 VT 的因素 4. 离子注入调整 VT 23/121 Qss qN Ad max 2kT N A VTn ms ln Cox Cox q ni Rp << dmax P-Si 增强型 耗尽型 QBtotal ( d max ) d max 0 QB ( d max ) d max 0 qN A N A' ( x )dx QB ( d max ) QB ( d max ) qN ( x )dx qN Im ' A VT QB qN Im Cox Cox 3.2 MOSFET的阈值电压10 3.2.3 影响 VT 的因素 4. 离子注入调整 VT 离子注入调整 VT 应用 1o 调整 MOSFET 的 VT 注硼 使 NMOS 成为增强型 使 PMOS |VT| 降低 Qss qN Ad max 2kT N A VTn ms ln Cox Cox q ni Q qN d 2kT N D VTp ms ss D max ln Cox Cox q ni 2o 沟道阻断注入 (Channel-stop implant) 24/121 3.2 MOSFET的阈值电压11 25/121 3.2.3 影响 VT 的因素 5. MOS 栅电极的发展历史 Al栅 PMOS n+-poly PMOS n+-poly NMOS n+-poly CMOS（buried channel PMOS） dual-poly CMOS poly-SiGe gate electrode metal gate Boron penetration in PMOSFET 26/121 3.2 MOSFET的阈值电压12 3.2.3 影响 VT 的因素 6. 衬底偏置效应 (衬偏效应，Body effect) (1) 衬偏效应的来源 +VDD +VDD T2 VSB T2 + 0.5 V VSB T1 T2 VBS 3.2 MOSFET的阈值电压13 27/121 3.2.3 影响 VT 的因素 6. 衬底偏置效应 (衬偏效应，Body effect) (2) MOSFET 的 VT 0 VGS n+ p-Si n+ |VBS| q(2VB+|VBS|) EC EC q |VBS| EC EC EV EV EV EV VGS = VFB, VBS > 0 VGS = VFB, VBS = 0 2qVB Eg/2-qVB EC q |VBS| q(2VB+ |VBS|) EC EC EV EV VGS = VT, VBS = 0 EV EC VGS = VT(VBS), VBS > 0 EV 3.2 MOSFET的阈值电压14 3.2.3 影响 VT 的因素 6. 衬底偏置效应 (衬偏效应，Body effect) (2) MOSFET 的 VT q|VBS| VGS = VT , VBS = 0 VGS = VT(VBS) , VBS > 0 28/121 3.2 MOSFET的阈值电压15 3.2.3 影响 VT 的因素 6. 衬底偏置效应 (衬偏效应，Body effect) (2) MOSFET 的 VT 29/121 30/121 3.2 MOSFET的阈值电压16 3.2.3 影响 VT 的因素 6. 衬底偏置效应 (衬偏效应，Body effect) (3) VT(VBS) VBS = 0 时 QB ( d max ) qN Ad max 2 s 2VB VBS d ( V ) VBS 0 时 Vs 2VB VBS max BS q NA Q qNAd max (VBS ) VTn VBS VGS VBS VGB VBS ms ss 2VB VBS VBS Cox Cox 1/ 2 Qss qN A 2 s 2VB VBS Qss qN Ad max (VBS ) ms 2VB ms Cox Cox q NA Cox Cox VTn VTn VBS VTn VBS 0 1/ 2 2 s qN A 2VB VBS 2VB Cox 2 s qND VTp VTp VBS VTp VBS 0 Cox 2V B VBS 2VB 2VB 3.2 MOSFET的阈值电压17 31/121 3.2.3 影响 VT 的因素 6. 衬底偏置效应 (衬偏效应，Body effect) (3) VT(VBS) 2 s qN A 2VB VBS 2VB VTn Cox 衬偏系数 t t N a 2 s ox 2 ox q s A ox LD ox kT 1/ 2 3.2 MOSFET的阈值电压18 3.2.3 影响 VT 的因素 6. 衬底偏置效应 (衬偏效应，Body effect) (3) VT(VBS) 衬偏效应下的转移特性 32/121 第三章 MOSFET的基本特性 3.1 MOSFET的结构和工作原理 3.2 MOSFET的阈值电压 3.3 MOSFET的直流特性 3.4 MOSFET的频率特性 3.5 MOSFET的开关特性 3.6 MOSFET的功率特性 33/121 3.3 MOSFET的直流特性1 3.3.1 MOSFET 非平衡时的能带图 34/121 3.3 MOSFET的直流特性2 3.3.1 MOSFET 非平衡时的能带图 正面 EiB EF 侧面 qV(y) qVB EiS VGS = VFB, VDS = 0 EiB EF EiS qVB qVB VGS = VT , VDS = 0 qVB EiB VGS = VFB, VDS = 0 E Fp EF EiS 立体图 p E FS qV(y) VGS = VT , VDS > 0 qVB EFnD VGS = VT , VDS = 0 35/121 3.3 MOSFET的直流特性3 3.3.1 MOSFET 非平衡时的能带图 36/121 3.3 MOSFET的直流特性4 3.3.1 MOSFET 非平衡时的能带图 37/121 3.3 MOSFET的直流特性5 3.3.1 MOSFET 非平衡时的能带图 MOSFET 静电势图 38/121 3.3 MOSFET的直流特性5 3.3.1 MOSFET 非平衡时的能带图 MOSFET 静电势图 39/121 3.3 MOSFET的直流特性6 3.3.2 IDS ~ VDS 的关系 G S D n+ n+ p-Si 假设： y x 1o 源区和漏区的电压降可以忽略不计； 2o 在沟道区不存在产生-复合电流； 3o 沟道电流为漂移电流； 4o 沟道内载流子的迁移率为常数 n (E) = C ； 5o 沟道与衬底间（pn结）的反向饱和电流为零； 6o 缓变沟道近似（Gradual Channel Approximation） E y ( x, y ) E x ( x, y ) x y 40/121 3.3 MOSFET的直流特性7 3.3.2 IDS ~ VDS 的关系 MOSFET 坐标系 y z x 41/121 3.3 MOSFET的直流特性8 42/121 3.3.2 IDS ~ VDS 的关系 1. 缓变沟道近似 (GCA) 二维泊松方程 2 ( x, y ) 2 ( x, y ) ( x, y ) 2 2 x y s E x ( x, y ) ( x, y ) ( x, y ) E y ( x, y ) x y E x ( x, y ) E y ( x, y ) ( x, y ) x y s GCA E x ( x, y ) E y ( x, y ) x y E x ( x, y ) ( x, y ) 在计算 Q(y) 时不必考虑 Ey 的影响 x s 3.3 MOSFET的直流特性9 43/121 3.3.2 IDS ~ VDS 的关系 2. 可调电阻区 (线性区) VDS 较小时 强反型条件下（VGS > VT） 在氧化层极板 y 处感应的单位面积上总电荷 Q ( y ) Qn ( y ) QB ( y ) 反型电子 负电荷 Ey QB(dmax) Vox ( y ) VGS 2VB VFB V ( y ) dV ( y ) dy Q ( y ) Vox Cox V(0) = 0 V(L) = VDS y L 0 Qn ( y ) Q ( y ) QB ( d max ) Q (d ) Cox VGS 2VB VFB V ( y ) B max Cox Cox VGS VT V ( y ) B VGS Vox ( y ) Vs ( y ) VFB 2VB+V(y) xc q n( x, y )dx 0 3.3 MOSFET的直流特性10 44/121 3.3.2 IDS ~ VDS 的关系 2. 可调电阻区 (线性区) VDS 较小时 dV ( y ) dV ( y ) J n ( x, y ) qn( x, y ) n E y qn( x, y ) n qn ( x , y ) n dy dy W xc xc I y J n ( x, y )dxdz Qn q n ( x, y )dx Cox VGS VT V ( y ) 0 0 0 xc dV ( y ) dV ( y ) ( q ) n ( x, y ) n dxdz W ( q)n( x, y ) n dx 0 0 0 dy dy dV ( y ) dV ( y ) WnQn ( y ) WnCox VGS VT V ( y ) dy dy I y I DS 常数 I ydy W nCox VGS VT V ( y )dV ( y ) W xc L I 0 VDS y dy 0 W n Cox VGS VT V ( y )dV ( y ) 1 2 I DS L W nCox VGS VT VDS VDS 2 3.3 MOSFET的直流特性11 45/121 3.3.2 IDS ~ VDS 的关系 2. 可调电阻区 (线性区) VDS 较小时 V V V 1 V 2 可调电阻区 T DS DS GS 2 （线性区） 1 2 VGS VT VDS VDS 2 I DS Cox n IDS W L 跨导参数 当 VDS << VGS VT 时 I DS VGS VT VDS VDS（线性） VDS gD 其作用类似于一个可调电阻 受 VGS 控制 斜率 沟道漂移迁移率 n I DS VDS VGS Cox W VGS VT L 3.3 MOSFET的直流特性12 3.3.2 IDS ~ VDS 的关系 VDS VGS VT 3. 饱和区 (1) VDS = VGS VT VDSsat Qn(L) = 0 反型电子消失 沟道被夹断 定义 VDSsat VGS VT W 1 2 VGS VT 这时 I DSsat Cox n L 2 1 1 2 2 VGS VT VDSsat 2 2 n W/L 问题：沟道内电势、电场分布 V(y)、E(y)？ 46/121 3.3 MOSFET的直流特性13 47/121 3.3.2 IDS ~ VDS 的关系 3. 饱和区 VDS VGS VT (2) VDS > VGS VT VDS sat 夹断点左移，有效沟道缩短 Leff Leff L y L L L L1 L 夹断区内 Ey > Ex ，GCA不成立 夹断点 Eox(Leff)=0 ，Qn = 0 漏端 Eox(L) 与源端 Eox(0)方向相反 长沟道器件： L/L << 1 I DS I DSsat 短沟道器件： L/L << 1 IDS 不饱和，VDS IDS 沟道长度调制效应 ro 从 变为有限大 短沟道 长沟道 3.3 MOSFET的直流特性14 3.3.3 MOSFET的亚阈值特性 1. 亚阈值现象 48/121 3.3 MOSFET的直流特性15 49/121 3.3.3 MOSFET的亚阈值特性 2. 亚阈值区的扩散电流 弱反型时（VB < Vs < 2VB），半导体表面处 p(0,y) < n(0,y) << NA 载流子浓度低 J漂移 < J扩散 Iy = 常数 dn I y qDn A dy I y 0 电流连续 dy n ( L ) n ( 0) I y qDn A L n (0) = ? n (L) = ? V(0) = 0 V(L) = VDS 3.3 MOSFET的直流特性16 3.3.3 MOSFET的亚阈值特性 2. 亚阈值区的扩散电流 50/121 当 VDS 较小时（ VDS << VGS ） 则半导体表面势 Vs 常数 载流子浓度分布 （长沟道假设） 而 E Fn (0, y ) 则从 0 VDS n(0) n 0p exp qVs kT n( L) n 0p expqVs VDS kT 弱反型时沟道厚度 dch E Fp (0, y ) E Fn (0, y ) 反型电子在 x 方向的分布 n(x,y) kT Ei dch A W d ch x 弱反型时沟道厚度 n( x, y ) n(0, y ) exp x d ch kT q kT d ch Es qEs 3.3 MOSFET的直流特性17 51/121 3.3.3 MOSFET的亚阈值特性 2. 亚阈值区的扩散电流 Es I DS I y qDn A QB s 1/ 2 2 s Vs qN A s q NA 1 1/ 2 2 qN AVs s WkT 1 qV qV n ( 0) n ( L ) q Dn n 0p exp s 1 exp DS qEs L L kT kT 1/ 2 W n kT s q L q 2qN AVs 2 ni2 qVs qVDS exp 1 exp NA kT kT Vs 与 VGS 的关系 ? 亚阈值区 IDS exp(qVs/kT) 当 VDS 3kT/q 时， 1 exp qVDS kT 1 3.3 MOSFET的直流特性18 52/121 3.3.3 MOSFET的亚阈值特性 3. 亚阈摆幅 (subthreshold swing) 定义亚阈摆幅 S dVGS dVGS kT dV ln 10 ln 10 GS d log I DS d ln I DS q dVs 求解 Vs 与 VGS 的关系 VGS Vs Vox 1/ 2 2 qN AVs Es s ox Eox s E s Vox Eox tox kT dVGS kT S ln10 ln10 q dVs q B Vs VGS Cox 1/ 2 Cox 1 2 B VGS 1 B s qN Atox ox 1 kT ln10 60 mV/dec 1 / 2 q 2Cox 1 1 VGS B 53/121 3.3 MOSFET的直流特性19 3.3.3 MOSFET的亚阈值特性 3. 亚阈摆幅 (subthreshold swing) 求解 Vs 与 VGS 的关系 dVGS dVox dVs dVGS dVs dVox dVs Cox Cd Cd dVs Cox Cd kT s tox kT dVGS kT S ln 10 ln 10 1 ln10 1 q dVs q Cox q ox d 存在界面态 Nss 时 Cox Cd dVGS CNss dVGS dVs dVox dVs Cd C N ss Cox dVs Cd C N ss kT dVGS kT S ln 10 ln 10 1 q dVs q Cox Cox 问题：Qss 对 S 有影响吗？ 3.3 MOSFET的直流特性20 54/121 3.3.3 MOSFET的亚阈值特性 3. 亚阈摆幅 (subthreshold swing) 讨论 S :（希望 S 越小越好） 1o T S 室温下 Smin = 60 mV/dec 2o Cox tox ox S 3o C d NA d VBS d S 4o CNss Nss S 5o L S 6o VGS ? S Cd C N ss kT S ln10 1 q Cox Cox 衬偏效应对亚阈特性的影响 3.3 MOSFET的直流特性21 3.3.3 MOSFET的亚阈值特性 3. 亚阈摆幅 (subthreshold swing) 讨论 S :（希望 S 越小越好） 短沟道效应对亚阈值特性的影响 tox NA VBS 对亚阈摆幅的影响 s tox tox s N A a 2 2 q ox LD ox kT 1/ 2 a 55/121 3.3 MOSFET的直流特性22 3.3.4 MOSFET 直流参数 1. 输出特性和转移特性 线 性 区 I DSsat 饱和区 截止区 击 穿 区 1 1 2 2 VGS VT VDSsat 2 2 56/121 3.3 MOSFET的直流特性23 57/121 3.3.4 MOSFET 直流参数 2. 直流参数 (1) VT (2) 饱和漏源电流 IDSS （对耗尽型） IDSS 定义：VGS = 0 时 IDSS I DSsat I DSS 1 1 WCox 2 2 2 0 VT VT VT 2 2 2L 58/121 3.3 MOSFET的直流特性24 3.3.4 MOSFET 直流参数 G S 2. 直流参数 (3) 截止漏电流 IDS0 （对增强型） 定义：VGS = 0 时 实际导通电阻 n+ ~ 两个背靠背 pn 结（反向饱和电流） VDS VDS 1 Ron I DS VGS VT VDS VGS VT * Ron Ron RS RD 漏区串联电阻 源区串联电阻 (5) 直流输入阻抗 RGS 理想 RGS p-Si n+ IDS = IDS0 (4) 导通电阻 Ron（直流） VDS 很小时， IDS ~ VDS 线性关系 D 实际 RGS ~ 109 (6) 最大耗散功率 Pcm Pc VDS I DS 允许能正常工作的最大 Pc Pcm 3.3 MOSFET的直流特性24 59/121 3.3.4 MOSFET 直流参数 3. 低频小信号参数 (1) 跨导 gm I DS gm VGS VDS IDS = [S] [1] 西门子 1 2 VGS VT VDS VDS 线性区 2 1 饱和区 VGS VT 2 2 gm = 线性区 VDS VGS VT 饱和区 MOSFET 电压增益 GV VRL VGS I DS RL g m RL VGS gm 越大越好！ 3.3 MOSFET的直流特性25 3.3.4 MOSFET 直流参数 gm = 3. 低频小信号参数 提高 gm 的途径： 1o n tox ox Cox W/L 2o VGS gms 线性区 VDS VGS VT 饱和区 gm (2) 输出电导 gD I DS ro 1 g D [S] [1] 西门子 gD VDS VGS VGS VT gm|饱和区 VDS 很小 非饱和区 gD = 饱和区 VGS VT VDS VDS 稍大但仍 < VDSsat 0（理想） > 0（实际） 60/121 沟道长度调制效应 漏区电场静电反馈作用 3.3 MOSFET的直流特性26 61/121 3.3.4 MOSFET 直流参数 3. 低频小信号参数 (3) 等效电路 iDS D G + + vGS gmvGS ro = gD 1 S dI DS vDS S I DS I DS dVGS dVDS VGS VDS VDS VGS g m dVGS g D dVDS (VGS VT) 线性区 0 饱和区 62/121 3.3 MOSFET的直流特性27 3.3.5 MOSFET 的二级效应 n = 550 ~ 950 cm2/Vs p = 150 ~ 250 cm2/Vs 1. 非常数表面迁移率效应 (1) 栅电场影响 (Ex) VGS Ex n(x,y) dch s bulk/2 E x (0) x QB Qn E x (d ch ) eff ( Eeff ) 0 1 Eeff Ec n/p=2~4 Eeff s QB s E x (0) E x (d ch ) QB Qn 2 Ex 2 s 3.3 MOSFET的直流特性28 3.3.5 MOSFET 的二级效应 1. 非常数表面迁移率效应 (1) 栅电场影响 (Ex) 有效迁移率 eff ( Eeff ) 0 1 Eeff Ec 63/121 3.3 MOSFET的直流特性29 64/121 3.3.5 MOSFET 的二级效应 1. 非常数表面迁移率效应 (1) 栅电场影响 (Ex) 栅电场对迁移率影响 IDS = 1 2 VGS VT VDS VDS 线性区 2 1 饱和区 VGS VT 2 2 Cox n W L 1o 线性区：VGS 较小时，斜率增加等间距 VGS 较大时，曲线密集 2o 饱和区： VGS 较大时， IDSsat 随 VGS 增加不按 平方规律 65/121 3.3 MOSFET的直流特性30 3.3.5 MOSFET 的二级效应 1. 非常数表面迁移率效应 (2) 漏电场 Ey 影响（载流子速度饱和效应） v 不饱和区 v eff E y v(Ey) = v 饱和区 v v sat 在 Ey = Esat 处 v(Ey) 连续 Ey eff 1 E y E sat Ey < Esat v sat Ey Esat E sat 2 vsat eff eff(Ex) 3.3 MOSFET的直流特性31 3.3.5 MOSFET 的二级效应 1. 非常数表面迁移率效应 (3) 对 gm 的影响 gm = VDS 线性区 VGS VT 饱和区 W Cox n L 1o VGS 影响 gms 0 VT VGS VGS Ex eff 66/121 67/121 3.3 MOSFET的直流特性32 3.3.5 MOSFET 的二级效应 1. 非常数表面迁移率效应 (3) 对 gm 的影响 2o VDS 影响 v(Ey) = Ey eff Ey < Esat 1 E y E sat v sat Ey Esat 线性区（可调电阻区） eff E y I DS Qn ( y )Wv WCox VGS VT V ( y ) 1 1 Ey E sat eff dV WCox VGS VT V ( y ) V dy 1 DS E sat L eff W 1 2 VGS VT VDS VDS I DS Cox VDS L 2 1 E sat L n dV dy VDS L 3.3 MOSFET的直流特性33 68/121 3.3.5 MOSFET 的二级效应 1. 非常数表面迁移率效应 (3) 对 gm 的影响 2o VDS 影响 I DS VDS gm 1 1 VGS VDS 1 VDS Esat L VDS Esat L gm W L 当 VDS >> EsatL 时， 当 gm ' DSsat V VDS 0 eff Cox “饱和”区 g m Esat L WCox eff Esat Esat LVGS VT Esat L VGS VT 2 V V ' GS T I DSsat Wv sat Cox E sat L VGS VT 3.3 MOSFET的直流特性34 69/121 3.3.5 MOSFET 的二级效应 2. 体电荷变化效应 (Bulk-Charge Model) GCA 假设： Ey 只影响载流子沿沟道方向的输 运，而不影响沟道中体电荷数量，即假设沟道耗 尽层厚度不变。表面势 Vs 由 VGS 唯一确定，而 与 VDS 无关。 QB = 常数 = qNAdmax EC EF EFp EV n(y) EFm 常数，不随 y 变化 E Fn ( y ) E Fp ( y ) qV ( y ) 但当 VDS 较大时，GCA假设不成立。 y . V (0) 0 V ( L) VDS x QB 是 y 的函数 强反型时（指源端） QB = QB(y) = QB(dmax(y)) 3.3 MOSFET的直流特性35 70/121 3.3.5 MOSFET 的二级效应 2. 体电荷变化效应 (Bulk-Charge Model) 体电荷模型 强反型时 y=0L V(y) = 0 VDS Vs (y) = 2VB 2VB + VDS dmax (y) = 2 s 2VB q NA 2 s 2VB VDS q NA 重新计算 Qn(y)： Qn ( y ) Q ( y ) QB ( y ) Cox VGS VFB 2VB V ( y ) QB ( y ) Vs(y) Cox VGS VFB 2VB V ( y ) ( q) N A 2 s 2VB V ( y ) q NA Cox VGS VFB 2VB V ( y ) 2q s N A 2VB V ( y ) 71/121 3.3 MOSFET的直流特性36 3.3.5 MOSFET 的二级效应 2. 体电荷变化效应 (Bulk-Charge Model) dV ( y ) I DS I y WnQn ( y ) dy dV Wn Cox VGS VFB 2VB V ( y ) 2q s N A 2VB V ( y ) dy I DS dy Wn Cox VGS VFB 2VB V ( y ) 2q s N A 2VB V ( y )dV L 0 I DS I DS dy Wn Cox VGS VFB 2VB V ( y) 2q s N A 2VB V ( y) dV W nCox L VDS 0 VDS 2 2q s N A 3/ 2 3/ 2 VDS 2VB 2VB VDS VGS VFB 2VB 2 3 Cox 无统一的 VT 3.3 MOSFET的直流特性37 72/121 3.3.5 MOSFET 的二级效应 2. 体电荷变化效应 (Bulk-Charge Model) 体电荷模型 I DS W nCox L VDS 2 2q s N A 3/ 2 3/ 2 VDS VDS 2VB 2VB VGS VFB 2VB 2 3 Cox 讨论： 1o 简单模型（Square-law model）高估 IDS 约 20~50%，Why ? NA IDS 偏差 Why ? 2o 简单模型（Square-law model）高估 VDSsat ，Why ? 3o 当 VDS << 2VB 时， I DS nCox W L 2 q s N A 2VB VGS VFB 2VB Cox VT VDS VGS VT VDS 3.3 MOSFET的直流特性38 73/121 3.3.5 MOSFET 的二级效应 2. 体电荷变化效应 (Bulk-Charge Model) 体电荷模型 讨论：4o 计算 VDSsat VDSsat VDSsat Qn ( L ) 0 Cox VGS VFB 2VB V ( y ) 2q s N A 2VB V ( y ) 0 (x) x QB Qn Es q s N A 2Cox2 VGS VFB VDSsat VGS VFB 2VB 1 1 2 Cox q s N A 1 Q Qn VGS VFB Vs Vox Es' d B 2 Cox E(x) Es’ x d 1 QB Q Qn QB QB Qn B 2 s / d Cox 2Cd Cox q s N A 2Cox2 VGS VFB Qn Cox QB 1 1 Cox q s N A q s N A 2Cox2 VGS VFB 1 1 当 Qn << QB 时 QB Cox q s N A qNAdmax(L) 3.3 MOSFET的直流特性39 74/121 3.3.5 MOSFET 的二级效应 体电荷模型 2. 体电荷变化效应 (Bulk-Charge Model) 讨论：4o 计算 VDSsat 当 NA 很小时 q s N A 1 2 Cox VGS VFB VDSsat VGS VFB 2VB qN Ad max VGS VT Cox 代入体电荷模型 IDS ~ VDS I DS nCox W L VDS 2 2q s N A 3/ 2 3/ 2 V V 2 V V V 2 V 2 V GS FB B DS DS B B 2 3 C ox 且 VDSsat VGS VT >> 2VB ， NA 很小时 q s N A 1 2 Cox VGS VT I DSsat 1 2 VGS VT 2 5o 衬偏效应（VBS 0） V 2 2q s N A VDS 2VB VBS I DS VGS VFB 2VB DS VDS 2 3 Cox 3 / 2 2VB VBS 3 / 2 3.3 MOSFET的直流特性40 75/121 3.3.5 MOSFET 的二级效应 3. 非零漏电导 (1) 沟道长度调制效应 Leff L y L Leff L L L1 L ' I DSsat nCox I DSsat W 1 VGS VT 2 nCox W 1 VGS VT 2 1 L L2 L Leff 2 1 L L 3.3 MOSFET的直流特性41 76/121 3.3.5 MOSFET 的二级效应 3. 非零漏电导 g Dsat I DSsat I DSsat L W 1 L 2 n Cox VGS VT 2 VDS VGS L VGS VDS VGS 2 L VDS VGS W1 L 1 L 2 1 VGS VT n Cox I DSsat L2 L VDS VGS L VDS L 近似地 VDS VDS VDSsat L 沟道长度调制因子 0.1 ~ 0.01 V1 g Dsat I DSsat 1 1 ro g Dsat I DSsat 斜率 = g Dsat I DSsat I DSsat VA 3.3 MOSFET的直流特性42 3.3.5 MOSFET 的二级效应 3. 非零漏电导 (2) 漏电场静电反馈效应 ED VDS ED Qn IDS IDS 不饱和 77/121 78/121 3.3 MOSFET的直流特性43 3.3.5 MOSFET 的二级效应 4. 源漏串联电阻对 gD 和 gm 的影响 D + RD G RD G vGS VGS’ S’ RS S dVGS ' V D 'S ' S (1) 对 gD 的影响 I DS VGS ' + vDS RS dIDS D ro = gDi 1 gmivGS’ D’ iDS I DS VD 'S ' gD I DS VDS dVD 'S ' S VGS 1 VDS I DS VGS 1 VD 'S ' I DS RS RD VGS VGS ' g mi dVGS ' g Di dVD'S ' dVGS dVGS ' Rs dIDS 0 VD 'S ' I DS VGS g mi Rs 1 g Di g Di 1 g mi Rs RS RD g Di 79/121 3.3 MOSFET的直流特性44 3.3.5 MOSFET 的二级效应 4. 源漏串联电阻对 gD 和 gm 的影响 gD I DS VDS VGS 1 VDS I DS VGS 1 VD 'S ' I DS g Di 1 g mi Rs RS RD g Di (2) 对 gm 的影响 gm dI DS RS RD VGS g Di 1 g mi Rs RS RD g Di 线性区 g Di 1 g mi Rs I DS 1 1 VGS VDS VGS VGS ' RS I DS VDS I DS VDS 饱和区 g Di VGS VT g Di 0 D RD D’ G VGS’ S’ RS ? I DS I dVGS ' DS dVD 'S ' g mi dVGS ' g Di dVD 'S ' VGS ' VD 'S ' VD 'S ' VGS ' S dVDS = 0 3.3 MOSFET的直流特性45 80/121 3.3.5 MOSFET 的二级效应 4. 源漏串联电阻对 gD 和 gm 的影响 dVDS dVD'S ' RS RD dIDS 0 dIDS gmi dVGS ' gDi dVD'S ' dI DS g mi dVGS ' g Di RS RD dI DS I DS g mi VGS ' VDS 1 g Di RS RD 1 g mi gm 1 g Di RS RD RS 1 g mi RS g Di RS RD g mi g mi 1 g mi RS g Di RS RD 线性区 g Di VGS VT 0 = g mi 1 g mi RS 饱和区 g Di 0 当 RS >> gmi 1 时， gm RS1（与器件本征参数无关） 3.3 MOSFET的直流特性46 81/121 3.3.5 MOSFET 的二级效应 5. 最大 gm / Iout ( gm的极限) 饱和区 g m I out VGS VT 1 VGS VT 2 2 2 VGS VT 当 VGS VT 0 时，gm / IDS 同时当 tox 0 时， ， gm “高低结” 势垒高度 VHL W ox W nCox n L tox L kT nS ln q nc Aq n E y dnc Aq n E y nc I DS qIDS dI DS dI DS gm gm kT 1 kT q kT q kT dVGS dVHL dnc q nc gm q I DS kT 3.3 MOSFET的直流特性47 82/121 3.3.5 MOSFET 的二级效应 VDS 6. Gate-Induced Drain Leakage (GIDL) (1) 条件 VGS 亚阈值区 ( VGS VT ) 大 VDS（强漏电场） VGS VT + + + + + + n+ VDS > VGS VFB(n+) 3.3 MOSFET的直流特性48 3.3.5 MOSFET 的二级效应 6. Gate-Induced Drain Leakage (GIDL) (2) 机理 深耗尽状态 类似于 “p+n+” 结 “p+” “p+”区价带中的电子隧穿至 n+区导带 n+ 电子流向漏极 (n+) 空穴（横向）流向衬底（B极） IDB IDS （D S） 隧穿方式： Band-to-band tunneling Trap-assisted tunneling Thermal-emission + tunneling 83/121 3.3 MOSFET的直流特性49 3.3.5 MOSFET 的二级效应 6. Gate-Induced Drain Leakage (GIDL) (3) 使 GIDL 增大的因素 1o Ge preamorphization bulk midgap traps 2o Hot carrier injection (HCI) interface traps 3o Fowler-Nordheim tunneling (4) 抑制 GIDL 的方法 1o tox Eox Es 2o 近表面区 Nt 3o ND(n+) 4o LDD 结构 耗尽区厚度 E漏 tunneling 区域 84/121 3.3 MOSFET的直流特性49 3.3.6 击穿特性 漏-衬底pn结雪崩击穿 1. 源漏击穿 沟道雪崩击穿 漏源势垒穿通 2. 栅击穿 1. 源漏击穿 (1) 漏-衬底 pn 结雪崩击穿 ( BVDS ) VGS VDS n+ n+ p-Si BVDS s Ec2 2qN A NA BVDS 85/121 3.3 MOSFET的直流特性50 3.3.6 击穿特性 1. 源漏击穿 (1) 漏-衬底 pn 结雪崩击穿 ( BVDS ) 86/121 3.3 MOSFET的直流特性50 87/121 VGS > VT 3.3.6 击穿特性 S 1. 源漏击穿 . 。 n+ (2) 沟道雪崩击穿 VDS n+ 1o 电子注入比空穴注入显著 2o 载流子注入与栅电压有关 p-Si VDS Ey 当 Ey Ec 时，沟道击穿 EC = 3.15 eV B IDS 电子：沟道 D 沟道 SiO2 空穴：沟道 B 问题：为什么空穴流 向衬底（B 极）？ 雪崩注入 （Walk-out现象） 雪崩击穿后 500 oC退火后恢复 Pe exp EC Ee ~ 2.8105 Ph exp EV Eh ~ 4.6108 EV = 3.8 eV E Ex E y Ee qE l e VDS 电子注入几率 空穴注入几率 SiO2 Si Eg = 1.1 eV e.g. 5105 V/cm Eh qE l h 6 nm 4.5 nm 88/121 3.3 MOSFET的直流特性51 3.3.6 击穿特性 VGS 1. 源漏击穿 S VDS (3) 漏源势垒穿通 n+ n+ p-Si VPT qN A L2 VD 2 s B 扩散势 0.7 V E(x) L 0 短沟道，低 NA MOSFET 容易 punch-through x 3.3 MOSFET的直流特性52 89/121 3.3.6 击穿特性 2. 栅击穿 SiO2 击穿电场 Ec = (5~10)106 V/cm Eg. tox = 100~200 nm BVGS = 100~200 V 击穿时，J = 106~10 A/cm2 T ~ 4000 K Eg. Cox = 1 pF，tox = 100 nm，Q = (5~10)1011 C Q Eox 5 106 V/cm tox Cox S n+ G n+ n+ p-Si 齐纳二极管 D 栅击穿！ 第三章 MOSFET的基本特性 3.1 MOSFET的结构和工作原理 3.2 MOSFET的阈值电压 3.3 MOSFET的直流特性 3.4 MOSFET的频率特性 3.5 MOSFET的开关特性 3.6 MOSFET的功率特性 90/121 3.4 MOSFET的频率特性1 3.4.1 交流小信号等效电路 1. MOSFET 的电容 S G D iG iS … CGSO … n+ CJS iD CGDO n+ dV CGS GS dt CGD CGB B dVGD dt CJD 91/121 3.4 MOSFET的频率特性2 3.4.1 交流小信号等效电路 1. MOSFET 的电容 低频（直流）时 dI DS IGS 0 IDS (VGS, VDS) I DS I DS dVGS dVDS g m dVGS g D dVDS VGS VDS VDS VGS iDS g m vGS g D v DS 高频时 dVGS dVGD iG CGS CGD dt dt dVGD iD g m vGS g D v DS CGD dt dVGS iG iD iS g m vGS g D v DS CGS dt 92/121 3.4 MOSFET的频率特性3 93/121 3.4.1 交流小信号等效电路 2. 计算分布电容 CGS 和 CGD CGS QG VGS VGD ,VGB CGD QG VGD VGS ,VGB QG QI QB W Qn ( y )dy W q N A d max ( y )dy L L 0 0 L 线性区 W Qn ( y )dy WLQb 0 Qn ( y ) Cox VGS VT V ( y ) dy nW I DS 常数，只与 VGB 有 关 2q s N A 1/ 2 2VB VBS Qn ( y )dV QG nW 2Cox2 I DS 2 V V V ( y ) dV QB 0 GS T VDS 1/ 2 94/121 3.4 MOSFET的频率特性4 3.4.1 交流小信号等效电路 2. 计算分布电容 CGS 和 CGD QG nCox2 W 2 3I DS V GS VT VGS VT VDS QB 3 3 I DS nCox n CoxW n 3I DS V GS 3 3 GS VT VGS VT VDS GS VT VGD VT ox 2 2 2 2 VGS VT VGD VT 2 QG CoxWL QB （线性区） 2 2 3 VGS VT VGD VT 3 2 QG CoxWL VGS VT QB 3 VT VGD VT QB W 1 V V V V GS T DS DS （线性区） L 2 V 2L C W V 2L nCox2 W 2 3 （饱和区：VGD = VT） 3.4 MOSFET的频率特性5 3.4.1 交流小信号等效电路 2. 计算分布电容 CGS 和 CGD 线性区 CGS VGD VT 2 QG 2 CoxWL 1 2 VGS VGD ,VGB 3 V V 2 V GS GD T CGD VGS VT 2 QG 2 CoxWL 1 2 VGD VGS ,VGB 3 V V 2 V GS GD T CGB VGS VGD 1 CoxWL 2 VGS VGD 1 CoxWL 2 QG 0 VGB VGS ,VGD 饱和区： VGD = VT 2 2 CGS CoxWL CG 3 3 CGD 0 CGB 0 CG CoxWL 单位： [F] 95/121 3.4 MOSFET的频率特性6 3.4.1 交流小信号等效电路 3. 等效电路 G CGD D + + CGS RGS gmvGS gD1 S S 对 CGS 充电时，等效沟道串联电阻 RGS 2 1 1 < Ron 5 VGS VT VGS VT 96/121 3.4 MOSFET的频率特性7 97/121 3.4.1 交流小信号等效电路 3. 等效电路 实际 MOSFET 高频等效电路 CGDO CGD RD D’ G D CGS DD CGB gmvGS CjD gD1 B RGS DS CGSO S’ RS S CjS 3.4 MOSFET的频率特性8 3.4.2 高频特性 1. 跨导截止频率 CGD = 0（饱和区） G D + + vGS’ CGS vGS gmvGS’ RGS gD1 S S ' I DS I DS VGS g m ( ) ' VGS VGS VGS 1 iCGS gm 1 RGS iCGS gm 1 iCGS RGS 1 gm CGS RGS 1 饱和区 g m 2 2 1 15 n VGS VT CG 2 3 5 V V 4 L GS T 98/121 99/121 3.4 MOSFET的频率特性9 3.4.2 高频特性 2. 截止频率 (最高振荡频率) fT CGD = 0（饱和区） D G + + vGS’ 定义 iGS iDS vDS 时 0 CGS vGS RGS gmvGS’ iGS f fT gD1 S iGS 1 iCGS S ' vGS ' iCGS vGS 1 iCGS iDS vDS 0 g v ' m GS iGS iDS ' ' T CGS vGS g m vGS T gm CGS fT gm 2CGS 3.4 MOSFET的频率特性10 3.4.2 高频特性 2. 截止频率 (最高振荡频率) fT 饱和区 100/121 gm fT 2CGS W g m n Cox VGS VT L 2 ox CGS WL 3 tox 3 n VGS VT fT 4 L2 3. 沟道渡越时间 VDSsat E( y) L L L L2 n E ( y ) VDSsat nVDSsat n L 假设沟道中为均匀电场 问题：考虑实际沟道为非均匀电场，则结果如何 ？ 101/121 3.4 MOSFET的频率特性11 3.4.2 高频特性 4.提高 fT 的途径 3 n VGS VT fT 4 L2 1o Cf 0 |GV|vGS G + vGS’ RGS 2o L 3o CGSO + gmvGS’ gD1 S CGDO 考虑寄生电容时，输入电容 RL VDD Ci vGS (100) n 沟 D S Ci CGS CGSO C f CGD CGDO gm 不考虑反馈电容 Cf 时， fT 2Ci 考虑反馈电容 Cf 时，Cf 两端电压 vGS GV vGS 1 GV vGS 反馈电容 Cf 折合到输入端 1 GV C f 3.4 MOSFET的频率特性12 3.4.2 高频特性 4.提高 fT 的途径 G + vGS Ci D + gmvGS S S gm gm fT 2Ci 2 CGS CGSO 1 GV CGD CGDO 饱和区，CGD = 0， GV 很大 fT gm 降低寄生电容，减小 Overlap 2 1 GV CGDO 102/121 3.4 MOSFET的频率特性13 3.4.2 高频特性 4.提高 fT 的途径 降低寄生电容的结构 103/121 第三章 MOSFET的基本特性 3.1 MOSFET的结构和工作原理 3.2 MOSFET的阈值电压 3.3 MOSFET的直流特性 3.4 MOSFET的频率特性 3.5 MOSFET的开关特性 3.6 MOSFET的功率特性 104/121 105/121 3.5 MOSFET的开关特性1 3.5.1 电阻型负载 MOS 倒相器 1. MOS 倒相器的开关作用 v (t) +VDD RD VT + vGS(t) S vDS (t) + D G vGS (t) C 90% vDS(t) 10% t IDS 0 ton toff 电容 C 的来源： A 漏结电容； 输出信号线与衬底电容； 下级 MOS 管的输入电容. 负载线 B 0 Von Voff VDD VDS 106/121 3.5 MOSFET的开关特性2 3.5.1 电阻型负载 MOS 倒相器 2. MOS 倒相器的开关时间 +VDD (1) ton RD t : 0 ton VDS 工作点 : B A 充放电过程 : 电容 C 通过沟道电阻 R 放电 R(t) : g D1( on ) R (t ) 估算 ton : 则 + C 高电平 IDS 1 g D ( on ) ton R (t )C C R C g D ( on ) gms ton A C g ms B 0 Von Voff VDD VDS 107/121 3.5 MOSFET的开关特性3 3.5.1 电阻型负载 MOS 倒相器 +VDD 2. MOS 倒相器的开关时间 (2) toff RD t : 0 toff VDS 工作点 : A B + C 低电平 充放电过程 : VDD 通过 RD 对电容 C 充电 估算 toff : IDS toff RDC C RD toff A 受倒相器的逻辑摆幅限制 B 0 Von Voff VDD VDS 3.5 MOSFET的开关特性4 108/121 3.5.2 增强型-增强型 MOS 倒相器（E-E MOS） +VDD D G 负载（M2）：有源负载 M2 S G M1 + vGS(t) S IDS + D C vDS(t) 当 VDS VDD VT 2 时，负载管导通， 且处于饱和区。 导通过程：与电阻型负载相同（ton）。 关断过程：IDS 非线性，比电阻型负载慢。 单沟道增强型负载 负载管（M2）需考虑衬偏效应 Ion A B 0 Von VT 2 VT ,BS 电阻型负载 VDD Voff VDDVT2 VDS 3.5 MOSFET的开关特性5 109/121 3.5.2 增强型-增强型 MOS 倒相器（E-E MOS） +VDD 导通态电压 Von 、 电流 Ion D G 导通时（A）：M1 线性区 M2 S G M1 + vGS(t) S IDS Ion + D C vDS(t) 单沟道增强型负载 A 电阻型负载 B 0 Von VDD Voff VDDVT2 M2： I on L 2 L M2 饱和区 VDD Von VT ,BS 2 VDD VT ,BS 2 2 g mL VDD VT ,BS 2 1 M1： I on D VGG VT 1 Von Von2 2 D VGG VT 1 Von g mDVon g mL VDD VT ,BS 2 g mD g I on mL VDD VT ,BS 2 Von 3.5 MOSFET的开关特性6 3.5.2 增强型-增强型 MOS 倒相器（E-E MOS） +VDD 关断时（B）：M1 截止区 M2 饱和区 D G M2 S G M1 + D + vGS(t) S C vDS(t) Voff VDD VT ,BS E-E MOS 的优点： 1o 面积小，集成度高； 2o 单沟道. IDS 单沟道增强型负载 E-E MOS 的缺点： Ion A 电阻型负载 1o toff 长； 2o 导通态功耗大； B 0 Von VDD Voff VDDVT2 3o 存在衬偏效应. 110/121 3.5 MOSFET的开关特性7 111/121 3.5.3 增强型-耗尽型 MOS 倒相器（E-D MOS） 负载管（M2）：耗尽型 +VDD M2 G G M1 D 由于 VDS VDD ，负载管永远导通 S 当 VDS VDD VT 2 时，负载管处于饱和区 D + vGS(t) S IDS C + 导通过程：与电阻型、增强型负载相同（ton）。 vDS(t) 关断过程：IDS 非线性，比电阻型、增强型负载快 导通时（A）：M1 线性区 M2 饱和区 关断时（B）：M1 截止区 M2 线性区 耗尽型负载 A Ion 负载管（M2）也需考虑衬偏效应 B 0 Von VDD+VT2 Voff VDD VDS VT 2 VT ,BS 3.5 MOSFET的开关特性8 3.5.3 增强型-耗尽型 MOS 倒相器（E-D MOS） +VDD M2 G G M1 D S 1o toff 短 ； + D + vGS(t) S IDS E-D MOS 的优点： C 2o 面积小，集成度高； vDS(t) 3o 同类型沟道. E-D MOS 的缺点： 耗尽型负载 1o 导通态功耗大； 2o 存在衬偏效应. A Ion B 0 Von Voff VDD VDS 112/121 3.5 MOSFET的开关特性9 113/121 3.5.4 互补 MOS 倒相器（CMOS） +VDD 负载管（M2）：增强型 PMOS S M2 + D G M1 vin(t) 输入低电平 ：M1 截止区，M2 线性区 D C S 输出低电平（ 0 V） NMOS PMOS Vin1 (=0 V) Vin5 (= VDD) Vin2 Vin3VTp Vin4 Vin3 Vin4 输入高电平 ：M1 线性区，M2 截止区 vout(t) IDS 输出高电平（ VDD） + Vin5 0 Vin3VTn (=VDD) Vin3 Vin2 VDS Vin3VTp VDD Vin1 (=0 V) Vin3VTn 3.5 MOSFET的开关特性10 114/121 3.5.4 互补 MOS 倒相器（CMOS） CMOS 电压传输特性 状态转换的必要条件： +VDD M2 + M1 + D C S NMOS PMOS Vin1 (=0 V) Vin5 (= VDD) Vin2 Vin4 Vin3 Vin4 VTn Vin VDD VTp vout(t) IDS NMOS、PMOS 同时导通 Vin VTn 0 和 Vin VDD VTp 0 D G vin(t) S Vin5 0 Vin3VTn (=VDD) Vin3 Vin2 VDS Vin3VTp VDD Vin1 (=0 V) 3.5 MOSFET的开关特性11 115/121 3.5.4 互补 MOS 倒相器（CMOS） +VDD M2 + G M1 vin(t) S 假设完全对称 CMOS D VTn VTp VT + D C S IDS n V VTn p V VDD VTp * in PMOS Vin5 (= VDD) Vin2 Vin4 Vin3 Vin5 0 Vin*VTn (=VDD) Vin3 2 * in 2 Vin* VDD 2 NMOS Vin1 (=0 V) Vin4 转换电压 Vin*（倒相器的阈值电压） vout(t) n p Vin2 VDS Vin*VTp VDD Vin1 (=0 V) 当 Vin 从 0 Vin*，到达 Vin* 时， Vout 从 (Vin*VTp) (Vin*VTn) V * in VTp Vin* VTn VTp VTn VDD VT VDD 2 3.5 MOSFET的开关特性12 3.5.4 互补 MOS 倒相器（CMOS） CMOS 电压传输特性 VT VDD/2 时，电压传输特性越好 （噪声容限大） ton toff VTn 功耗 Vin VT /VDD 越小，电压传输特性越差 （噪声容限小） ton toff VDD VTp 功耗 116/121 3.5 MOSFET的开关特性13 3.5.4 互补 MOS 倒相器（CMOS） CMOS 的优点： 1o 静态功耗小 ； 2o 随着充放电过程，充 放电电流逐渐增大； CMOS 的缺点： 1o 单元面积大； 2o f 功耗 ； 3o 闩锁效应 （Latch-up） 117/121 第三章 MOSFET的基本特性 3.1 MOSFET的结构和工作原理 3.2 MOSFET的阈值电压 3.3 MOSFET的直流特性 3.4 MOSFET的频率特性 3.5 MOSFET的开关特性 3.6 MOSFET的功率特性 118/121 3.6 MOSFET的功率特性1 119/121 3.6.1 MOSFET 的功率特性 功率 MOSFET 的优点： 1o 多子器件：工作频率高， 开关速度快 ； IDSsatmax 2o 电压控制器件：输入阻抗 高，所需驱动电流小； 3o VDSsatmax 热稳定性好. 功率 MOSFET 的缺点： 1o Von 大； 2o Ron 大. 最大输出功率： 输出电压最大幅值： 输出电流最大幅值： 1 BVDS VDSsat max 2 1 I DS sat max 2 1 1 1 1 Po max I DSsat max BVDS VDSsat max I DSsat max BVDS VDSsat max 2 2 2 8 120/121 3.6 MOSFET的功率特性2 3.6.2 功率 MOSFET 的结构 1. LDMOS (横向双扩散) 优点： 1o Lg gm fT 2o N 漂移区 BVDS VPT 缺点： 1o 管芯面积 2. VVMOS (垂直V形槽) 优点： 1o 管芯面积 缺点： 1o V 形槽尖端电场 BVDS 2o Ron 3o 腐蚀不易控制，可靠性 3.6 MOSFET的功率特性3 3.6.2 功率 MOSFET 的结构 3. VUMOS (垂直U形槽) 优点： 1o 消除尖端电场 BVDS 2o N 漂移区电流易展开 Ron 缺点： 1o 腐蚀不易控制，可靠性 4. VDMOS (垂直双扩散) 优点： 1o BVDS 2o 可靠性 缺点： 1o Ron 121/121