半導(dǎo)體器件物理(第五章 MOS場效應(yīng)晶體管)

1、http:/微電子技術(shù)專業(yè)微電子技術(shù)專業(yè)第5章 MOS型場效應(yīng)晶體管本章要點本章要點l MOS型晶體管的結(jié)構(gòu)與分類型晶體管的結(jié)構(gòu)與分類l MOS型晶體管的閾值電壓型晶體管的閾值電壓l MOS型晶體管的伏安特性與直流參數(shù)型晶體管的伏安特性與直流參數(shù)l MOS型晶體管的頻率特性、交流小信號參數(shù)型晶體管的頻率特性、交流小信號參數(shù)l 小尺寸小尺寸MOS型晶體管的版圖特點型晶體管的版圖特點l 小尺寸小尺寸MOS型晶體管的幾個效應(yīng)型晶體管的幾個效應(yīng)MOS晶體管全稱是晶體管全稱是MOS場效應(yīng)晶體管，簡稱場效應(yīng)晶體管，簡稱MOS管。管。MOSFETMetal Oxide Semiconductor Field

2、 Effect Transistor英文稱呼為：英文稱呼為：它是幾種類型場效應(yīng)晶體管中的一種，另有兩種分別它是幾種類型場效應(yīng)晶體管中的一種，另有兩種分別是結(jié)型場效應(yīng)管與肖特基勢壘型場效應(yīng)管，但是它們沒有是結(jié)型場效應(yīng)管與肖特基勢壘型場效應(yīng)管，但是它們沒有MOS晶體管用得更為普遍。顧名思義，這種晶體管依靠半晶體管用得更為普遍。顧名思義，這種晶體管依靠半導(dǎo)體表面的電場效應(yīng)來進行工作，這是它名字的由來。導(dǎo)體表面的電場效應(yīng)來進行工作，這是它名字的由來。主要特點：主要特點： 這種晶體管結(jié)構(gòu)簡單，幾何尺寸可以做得很小，輸入這種晶體管結(jié)構(gòu)簡單，幾何尺寸可以做得很小，輸入阻抗高，功耗低，性能穩(wěn)定，易于大規(guī)模集成

3、。阻抗高，功耗低，性能穩(wěn)定，易于大規(guī)模集成。第5章 MOS型場效應(yīng)晶體管nnPSiFoxSDGFox柵柵SiO2柵柵 SiO2FoxFoxAl 或或 多晶硅多晶硅PSinn5.1 MOS型晶體管的結(jié)構(gòu)與分類5.1.1 MOS型晶體管的結(jié)構(gòu)與工作原理型晶體管的結(jié)構(gòu)與工作原理(a) nMOS型晶體管基本結(jié)構(gòu)型晶體管基本結(jié)構(gòu)(b) nMOS型晶體管三維透視圖型晶體管三維透視圖S：Source（源極或源區(qū)）（源極或源區(qū)）D：Drain（漏極或漏區(qū)）（漏極或漏區(qū)）G：Gate（柵極）（柵極）Fox：Field oxide（場氧化層）（場氧化層）SDGnnPSiBGSVDSVDSI電子溝道電子溝道5.1

4、MOS型晶體管的結(jié)構(gòu)與分類DSGBGSVDSVDSI(c)(d) 如圖(c)所示，對于一支nMOS晶體管，在柵極施加正柵壓VGS，且當(dāng)其值VGSVT時，我們看到便形成了電子溝道，這時施加一定的漏源電壓VDS，便可形成漏極電流IDS。圖(d)顯示了nMOS管正常工作時的電路連接圖。5.1 MOS型晶體管的結(jié)構(gòu)與分類GSVDSI0TV O(e) nMOS管轉(zhuǎn)移特性曲線管轉(zhuǎn)移特性曲線（增強型）（增強型）GSVDSI0TV O(f) nMOS管轉(zhuǎn)移特性曲線管轉(zhuǎn)移特性曲線（耗盡型）（耗盡型）特點：特點： 1）VGS VT（閾值電壓）；（閾值電壓）； 2）VT 0（增強型）（增強型）; 3）MOS 管輸入

5、電阻管輸入電阻 Ri 。特點：特點： 1）VT VT時，便形成空穴溝道，這時在D端施加一漏極電壓，注意應(yīng)有VDS0，即負的漏極電壓，就會形成漏極電流IDS，注意電流實際方向為S到D。5.1 MOS型晶體管的結(jié)構(gòu)與分類GSVDSIO0TV pMOS管管(增強型增強型)(i) pMOS管轉(zhuǎn)移特性曲線管轉(zhuǎn)移特性曲線（增強型）（增強型）pMOS管管(耗盡型耗盡型)0TV GSVODSI(j) pMOS管轉(zhuǎn)移特性曲線管轉(zhuǎn)移特性曲線（耗盡型）（耗盡型）特點：特點： 1）VGS VT（閾值電壓）；（閾值電壓）； 2）VT 0（耗盡型）（耗盡型） ;GDSBnMOS 增強型增強型( )aGDSBnMOS 耗盡

6、型耗盡型( )bGDSBpMOS 增強型增強型( ) cGDSBpMOS 耗盡型耗盡型( )dGDSnMOS 增強型增強型GDSpMOS 增強型增強型5.1 MOS型晶體管的結(jié)構(gòu)與分類5.1.2 MOS型晶體管的分類型晶體管的分類1. MOS1. MOS晶體管的電路符號（共四種）晶體管的電路符號（共四種）2. MOS2. MOS晶體管的簡化符號晶體管的簡化符號5.1 MOS型晶體管的結(jié)構(gòu)與分類5.1.3 MOS型晶體管的基本特征型晶體管的基本特征特特 性性MOSMOS型晶體管型晶體管雙極型晶體管雙極型晶體管導(dǎo)電載流子導(dǎo)電載流子單極性單極性電子或空穴電子或空穴雙極性雙極性電子與空穴電子與空穴輸入

7、阻抗輸入阻抗R Ri i高高1091015低低103106噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)N NF F低低適合低噪聲放大適合低噪聲放大較高較高普通放大普通放大功耗功耗P P低低適合高集成適合高集成較高較高難于高集成難于高集成溫度穩(wěn)定性溫度穩(wěn)定性好好電學(xué)參數(shù)穩(wěn)定電學(xué)參數(shù)穩(wěn)定較差較差容易隨溫度變化容易隨溫度變化導(dǎo)通電阻導(dǎo)通電阻R Ronon較大較大無電導(dǎo)調(diào)制無電導(dǎo)調(diào)制小小有電導(dǎo)調(diào)制有電導(dǎo)調(diào)制線性放大線性放大較差較差失真較大失真較大好好適合信號放大適合信號放大開關(guān)速度開關(guān)速度快快適于適于VLSI較快較快僅適于僅適于SSI、MSI驅(qū)動方式驅(qū)動方式驅(qū)動功率低驅(qū)動功率低電壓控制電壓控制驅(qū)動功率高驅(qū)動功率高電流控制電流控制

8、抗輻射能力抗輻射能力強強參數(shù)變化小參數(shù)變化小較差較差hFE、下降下降工藝要求工藝要求高高潔凈度要求高潔凈度要求高一般一般一般潔凈度一般潔凈度PSiSGBDDSInnnnPPPPNNSGD漏極電子流方向漏極電子流方向DSI5.1 MOS型晶體管的結(jié)構(gòu)與分類5.1.4 集成集成MOS型晶體管與分立型晶體管與分立MOS型晶體管的異同型晶體管的異同a) 集成集成MOS型晶體管的剖面結(jié)構(gòu)型晶體管的剖面結(jié)構(gòu)b) 一種一種DMOS型晶體管的剖面結(jié)構(gòu)型晶體管的剖面結(jié)構(gòu)PSinnSGDB耗盡層耗盡層電子溝道電子溝道GSVDSI5.2 MOS型晶體管的閾值電壓5.2.1 MOS型晶體管閾值電壓的定義型晶體管閾值電

9、壓的定義定義：定義： 當(dāng)當(dāng)MOS晶體管位于近源端晶體管位于近源端處的溝道區(qū)出現(xiàn)強反型層時，處的溝道區(qū)出現(xiàn)強反型層時，施加于柵源兩電極之間的電壓施加于柵源兩電極之間的電壓稱為稱為MOS晶體管的閾值電壓，晶體管的閾值電壓，用用VT表示。表示。1/2(4)2SAFPTFPOXqNVC5.2.2 理想情況下理想情況下MOS管閾值電壓的表達式管閾值電壓的表達式（所謂理想情況，其情形完全類似于理想（所謂理想情況，其情形完全類似于理想MOSMOS結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)）以以 nMOS 晶體管為例，有晶體管為例，有l(wèi)nAFPiNkTqn其中：其中：5.2 MOS型晶體管的閾值電壓5.2.3 影響影響MOS型晶體管閾值電壓

10、的各種因素型晶體管閾值電壓的各種因素1. 金金-半功函數(shù)差半功函數(shù)差msms和柵氧化層有效表面態(tài)電荷和柵氧化層有效表面態(tài)電荷Q QSSSS的影響的影響考慮上述修正后，考慮上述修正后，VT 的表達式為：的表達式為：2SSSCTmsFOXOXQQVCC1/2(4)SCSDFNQqN1/ 2(4)SCSAFPQqN 其中其中nMOS晶體管；晶體管；pMOS晶體管；晶體管；而而FP、 FN的表達式同前。的表達式同前。5.2 MOS型晶體管的閾值電壓1TT1S2SBBPSinnSGDB耗盡層耗盡層電子溝道電子溝道GSV0SBVDSI2. 襯底偏置效應(yīng)（體效應(yīng)）襯底偏置效應(yīng)（體效應(yīng)）(a) 顯示顯示VSB

11、2 0V的情形的情形(b) 顯示襯底偏置效應(yīng)顯示襯底偏置效應(yīng) 當(dāng)MOS晶體管的源極與襯底之間存在反向偏壓，如圖(a)所示（nMOS管)，VSB20，會導(dǎo)致MOS晶體管的閾值電壓絕對值增加，這就是所謂的襯底偏置效應(yīng)，也稱體效應(yīng)，如圖(b)所示。5.2 MOS型晶體管的閾值電壓考慮體效應(yīng)后，考慮體效應(yīng)后，MOS晶體管的閾值電壓晶體管的閾值電壓 VT 修正為：修正為：1/22(2)2SSSAFPSBTmsFPOXOXQqNVVCC1/22(2)2SDFNSBSSTmsFNOXOXqNVQVCC1/21/22(2)(2)SATTTFPSBFPOXqNVVVVC1/21/22(2 )(2 )SDTTTF

12、NSBFNOXqNVVVVC nMOS晶體管；晶體管；pMOS晶體管；晶體管；nMOS晶體管；晶體管；pMOS晶體管；晶體管；而閾值電壓增量而閾值電壓增量VT 為：為：LLjxPSinnSDL0()mTV( )V1234565.2 MOS型晶體管的閾值電壓3. 短溝道效應(yīng)對短溝道效應(yīng)對VT的影響的影響(c) 短溝道效應(yīng)使短溝道效應(yīng)使VT下降示意圖下降示意圖(d) VT與溝道長度與溝道長度L的關(guān)系的關(guān)系實驗表明，當(dāng)實驗表明，當(dāng)MOS晶體管的溝道長度晶體管的溝道長度L0當(dāng)當(dāng) VDS=0V時，這時沒有漏時，這時沒有漏極電流，即極電流，即IDS=0。從漏區(qū)至。從漏區(qū)至源區(qū)，反型溝道厚薄一致，見源區(qū)，反

13、型溝道厚薄一致，見圖圖(a) 所示。所示。當(dāng)當(dāng) VDS= 1.0V時，已經(jīng)存在溝道時，已經(jīng)存在溝道電流電流IDS，這時整個溝道區(qū)表面的，這時整個溝道區(qū)表面的電勢是不相等的，見圖電勢是不相等的，見圖(c)所示，所示，設(shè)該電勢為設(shè)該電勢為V(y)，如圖，如圖(d)所示，所示，而反型層的分布如圖而反型層的分布如圖(b)所示。所示。( )V yynn0SGDGSV( )GSVV yDSIy( )V y0yL()DSL V ，( )V y5.3 MOS型晶體管的輸出伏安特性與直流參數(shù)(c) 溝道區(qū)表面電勢溝道區(qū)表面電勢V(y)示意圖示意圖(d) V(y) 近似變化趨勢近似變化趨勢 在圖(c)中，令溝道近

14、源端為坐標原點O，溝道區(qū)表面沿漏方向為y軸正方向，設(shè)y處的表面電勢為V(y)，則柵氧化層兩端有效電壓為VGS-V(y)，如圖(c)。nnPSiSDG6GSVV4DSVV溝道夾斷溝道夾斷nnPSiSDG6GSVV夾斷點夾斷點漏極耗盡區(qū)漏極耗盡區(qū)5DSVV5.3 MOS型晶體管的輸出伏安特性與直流參數(shù)(e) VDS=VGS-VT=4.0 V (f) VDSVGS-VT = 4.0V當(dāng)滿足當(dāng)滿足VDS=VGS-VT=4.0V，則，則近漏端處有效柵壓近漏端處有效柵壓VG D=VG S-V(y)=VGS-VDS=2.0V，反型溝道處，反型溝道處于剛形成狀態(tài)（臨界狀態(tài)），稱于剛形成狀態(tài)（臨界狀態(tài)），稱為溝

15、道夾斷，見圖為溝道夾斷，見圖(e)。當(dāng)滿足當(dāng)滿足VDS4.0V 時，近漏端時，近漏端處半導(dǎo)體表面的反型層幾乎完全處半導(dǎo)體表面的反型層幾乎完全消失，并且夾斷點稍稍往源區(qū)方消失，并且夾斷點稍稍往源區(qū)方向移動。由于夾斷區(qū)電阻率向移動。由于夾斷區(qū)電阻率 很很高，高，VDS的增量部分幾乎都降落的增量部分幾乎都降落在這里，故在這里，故IDS幾乎不變，即伏幾乎不變，即伏安特性進入飽和區(qū)。安特性進入飽和區(qū)。GSVDSVDSIO()GSTVVnnWLyx0SGDchIDSIPSi5.3 MOS型晶體管的輸出伏安特性與直流參數(shù)5.3.2 MOS型晶體管的輸出伏安特性方程型晶體管的輸出伏安特性方程MOS晶體管輸出伏

16、安特性曲線晶體管輸出伏安特性曲線nMOS 電子溝道電子溝道(b) nMOS管非飽和區(qū)工作模型管非飽和區(qū)工作模型 MOS管輸出伏安特性曲線可分成管輸出伏安特性曲線可分成兩段，非飽和區(qū)與飽和區(qū)，見圖兩段，非飽和區(qū)與飽和區(qū)，見圖(a)所示。其中：所示。其中：非飽和區(qū)，非飽和區(qū)， 0 VDS (VGS-VT) 。圖圖(b)中所示，取中所示，取nMOS管的近源端管的近源端為坐標原點為坐標原點0，垂直于襯底方向為，垂直于襯底方向為x方向，水平方向為方向，水平方向為y方向。其中：方向。其中：L：溝道長度；：溝道長度； W：溝道寬度；：溝道寬度；Ich：溝道電流：溝道電流溝道電流溝道電流 IchWxdy( )

17、V yVVnn5.3 MOS型晶體管的輸出伏安特性與直流參數(shù)(c) 反型層溝道反型層溝道 y 處的一個微分段處的一個微分段(d) 增量柵壓增量柵壓V V 與溝道電壓與溝道電壓 降降V(y)V(y)的關(guān)系的關(guān)系1. 非飽和區(qū)的電流非飽和區(qū)的電流-電壓方程式電壓方程式根據(jù)歐姆定律，有根據(jù)歐姆定律，有chdVI dR而而dydRA故故chdydVIA1( )nn y q代入代入和和Ax W得得( )chndydVIn y qxW令令( )( )nQyn y qx代入上式，有代入上式，有( )chnnI dydVQyW5.3 MOS型晶體管的輸出伏安特性與直流參數(shù)( )chnnI dyQyW dV即即

18、大家知道，當(dāng)柵極電壓等于閾值電壓大家知道，當(dāng)柵極電壓等于閾值電壓VT時，溝道剛剛形成，此時時，溝道剛剛形成，此時的溝道可動電荷面密度的溝道可動電荷面密度Qn(y)0，故溝道電流仍約等于，故溝道電流仍約等于0?，F(xiàn)在將柵壓。現(xiàn)在將柵壓VGS提升而超過閾值電壓提升而超過閾值電壓V時，即有時，即有V=VGS-VT。我們看到將會產(chǎn)生。我們看到將會產(chǎn)生對應(yīng)的溝道電流，由于有了溝道電流，溝道對應(yīng)的溝道電流，由于有了溝道電流，溝道y點與原點點與原點0之間這一段溝之間這一段溝道兩端將會產(chǎn)生電壓降道兩端將會產(chǎn)生電壓降V(y)，因此實際，因此實際y點處柵溝之間氧化層兩端的電點處柵溝之間氧化層兩端的電壓增量為壓增量為

19、V，且它們?nèi)咧g應(yīng)當(dāng)滿足下式，且它們?nèi)咧g應(yīng)當(dāng)滿足下式( )VVV y即有即有( )GSTVVVV y或者或者( )GSTVVVV y5.3 MOS型晶體管的輸出伏安特性與直流參數(shù)參看上圖參看上圖(d)，增量柵壓，增量柵壓V與溝道電壓降與溝道電壓降V(y)的關(guān)系。這時將在的關(guān)系。這時將在金屬柵極與溝道金屬柵極與溝道y點處各產(chǎn)生增量面電荷密度點處各產(chǎn)生增量面電荷密度+QM(y)、-Qn(y)，顯，顯然，它們在數(shù)值上相等，且滿足然，它們在數(shù)值上相等，且滿足( )noxQyCV即即( )( )noxGSTQyCVVV y綜合以上，有綜合以上，有( )chnoxGSTI dyWCVVV y dV兩

20、邊積分兩邊積分00( )DSLVchnoxGSTI dyWCVVV y dV212()2chnoxGSTDSDSWICVV VVL即即該式即是所求的該式即是所求的nMOS晶體管非飽和區(qū)的電流晶體管非飽和區(qū)的電流-電壓方程式。電壓方程式。(1)5.3 MOS型晶體管的輸出伏安特性與直流參數(shù)2. 飽和區(qū)的電流飽和區(qū)的電流-電壓方程式電壓方程式根據(jù)非飽和區(qū)伏安特性方程，只要令根據(jù)非飽和區(qū)伏安特性方程，只要令VDS=VGS-VT，此時，此時nMOS管進入飽和區(qū)，我們就可以得到飽和區(qū)的電流管進入飽和區(qū)，我們就可以得到飽和區(qū)的電流-電壓方程電壓方程式，如下：式，如下：21()2chnoxGSTWICVVL

21、一般在工程上，實際的溝道電流一般在工程上，實際的溝道電流Ich與漏極電流與漏極電流IDS相差極小。相差極小。因此，用因此，用IDS取代上述的取代上述的Ich，即可得到，即可得到nMOS晶體管的輸出伏安特晶體管的輸出伏安特性曲線的方程式性曲線的方程式(2)212()2DSnoxGSTDSDSWICVV VVL21()2DSnoxGSTWICVVLDSGSTVVVDSGSTVVV5.3 MOS型晶體管的輸出伏安特性與直流參數(shù)令令12oxWkCLn稱為稱為MOS晶體管的導(dǎo)電因子，它是一個十分重要的參數(shù)。而晶體管的導(dǎo)電因子，它是一個十分重要的參數(shù)。而(W/L)則稱為則稱為MOS晶體管的溝道寬長比，它通

22、常決定了一個晶體管的溝道寬長比，它通常決定了一個MOS管管的電流容量。的電流容量。k的單位為：的單位為：mA/V 2或或A/V 2。因而因而22()DSGSTDSDSIkVV VV2()DSGSTIk VVDSGSTVVVDSGSTVVV(3)(4)公式（公式（3）、（）、（4）就是常用的）就是常用的nMOS晶體管的輸出伏安特性方程晶體管的輸出伏安特性方程式。前者描述了式。前者描述了nMOS管非飽和區(qū)的特性，而后者則描述了管非飽和區(qū)的特性，而后者則描述了nMOS飽飽和區(qū)的特性。和區(qū)的特性。0GSTVVDSVDSIO5.3 MOS型晶體管的輸出伏安特性與直流參數(shù)22()DSGSTDSDSIkVV

23、 VV DSGSTVVV2()DSGSTIk VV DSGSTVVV(5)(6)對于對于pMOS晶體管，也有類似的表達式，即晶體管，也有類似的表達式，即注意，上述注意，上述(5)、(6)等式右邊均出現(xiàn)有一負號，原因是對等式右邊均出現(xiàn)有一負號，原因是對pMOS晶體管而言，它的電流、電壓的實際方向與所選擇的參考方向均相晶體管而言，它的電流、電壓的實際方向與所選擇的參考方向均相反。因此，測量反。因此，測量pMOS晶體管時，需要同時施加負極性的階梯信號和晶體管時，需要同時施加負極性的階梯信號和負極性的漏極掃描信號。其輸出伏安特性曲線見下圖所示。負極性的漏極掃描信號。其輸出伏安特性曲線見下圖所示。nnP

24、SiGSVSDGDSILLDSVDSIODSVDSI5.3 MOS型晶體管的輸出伏安特性與直流參數(shù)5.3.3 影響影響MOS型晶體管輸出伏安特性的一些因素型晶體管輸出伏安特性的一些因素1. 溝道長度調(diào)制效應(yīng)溝道長度調(diào)制效應(yīng)21()2DSnoxGSTWICVVL12oxWkCLn12oxWkCLn(a)(b)實際實際MOS晶體管的飽和區(qū)特性曲線隨著晶體管的飽和區(qū)特性曲線隨著VDS的增加，曲線略有上翹，即意味著的增加，曲線略有上翹，即意味著IDS略略有增加。從圖有增加。從圖(a)看出，當(dāng)看出，當(dāng)VDS上升時，上升時，L是略是略有減小的，從而使有減小的，從而使k增加至增加至k，所以使得，所以使得ID

25、S略有增加，見圖略有增加，見圖(b)所示。所示。這就是這就是MOS管的溝道長度調(diào)制效應(yīng)。管的溝道長度調(diào)制效應(yīng)。2. 半導(dǎo)體表面載流子遷移率半導(dǎo)體表面載流子遷移率的影響的影響5.3 MOS型晶體管的輸出伏安特性與直流參數(shù)受到半導(dǎo)體受到半導(dǎo)體Si表面的缺陷以及表面電場等多種因素的作用，表面的缺陷以及表面電場等多種因素的作用，實驗表明，實驗表明，MOS晶體管溝道表面反型層中載流子的遷移率遠低于晶體管溝道表面反型層中載流子的遷移率遠低于其體內(nèi)的遷移率其體內(nèi)的遷移率 。一般在。一般在MOS管的設(shè)計中，管的設(shè)計中，nMOS管溝道電子遷管溝道電子遷移率移率n常取常取400600cm2/VS，而，而pMOS管

26、溝道空穴遷移率管溝道空穴遷移率p常取常取130190 cm2/VS。5.3.4 MOS型晶體管的直流參數(shù)型晶體管的直流參數(shù)MOS型晶體管的直流參數(shù)除了前面所介紹的閾值電壓參數(shù)型晶體管的直流參數(shù)除了前面所介紹的閾值電壓參數(shù)VT以外，還包括有一些電流及電壓等參數(shù)，它們對于一支以外，還包括有一些電流及電壓等參數(shù)，它們對于一支MOS晶體晶體管的合理使用也十分重要。下表給出了管的合理使用也十分重要。下表給出了MOS型晶體管的幾個常用型晶體管的幾個常用電參數(shù)。電參數(shù)。5.3 MOS型晶體管的輸出伏安特性與直流參數(shù)序序 號號參參 數(shù)數(shù) 名名 稱稱符號符號單位單位影影 響響 因因 素素漏源擊穿電壓漏源擊穿電壓

27、BVDSV襯底電阻率襯底電阻率漏柵擊穿電壓漏柵擊穿電壓BVDGV柵介質(zhì)厚度柵介質(zhì)厚度tox、襯、襯底電阻率底電阻率柵源擊穿電壓柵源擊穿電壓BVGSV柵介質(zhì)厚度柵介質(zhì)厚度tox漏源截止電流漏源截止電流IOFFAPN結(jié)漏電結(jié)漏電漏極最大電流漏極最大電流IDMA或或mA導(dǎo)電因子導(dǎo)電因子k、(W/L)開態(tài)導(dǎo)通電阻開態(tài)導(dǎo)通電阻RON導(dǎo)電因子導(dǎo)電因子k、VGSMOSMOS型晶體管常用電學(xué)參數(shù)型晶體管常用電學(xué)參數(shù)5.3 MOS型晶體管的輸出伏安特性與直流參數(shù)5.3.5 MOS型晶體管的溫度特性與柵保護型晶體管的溫度特性與柵保護1. 表面載流子遷移率表面載流子遷移率隨溫度隨溫度T的變化的變化隨著溫度隨著溫度T

28、的上升，遷移率的上升，遷移率呈現(xiàn)下降趨勢。實驗發(fā)現(xiàn)，遷移呈現(xiàn)下降趨勢。實驗發(fā)現(xiàn)，遷移率率與溫度與溫度T之間存在如下變化趨勢關(guān)系，之間存在如下變化趨勢關(guān)系，T-3/2。遷移率下降盡。遷移率下降盡管不利于漏極電流容量，但卻有利于管不利于漏極電流容量，但卻有利于MOS晶體管的溫度穩(wěn)定性。晶體管的溫度穩(wěn)定性。2. 閾值電壓閾值電壓VT隨溫度隨溫度T的變化的變化2SSSCTmsFoxoxQQVCC以以nMOSnMOS管為例管為例lnAFiNkTqn163/23.86 10exp(/2)ignTEkT綜合結(jié)果，當(dāng)綜合結(jié)果，當(dāng)TVT。DiodeGDS5.3 MOS型晶體管的輸出伏安特性與直流參數(shù)MOS晶體管

29、輸入晶體管輸入二極管保護二極管保護3. MOS型晶體管的柵保護型晶體管的柵保護在在MOS型晶體管中，柵電極與溝道之間僅隔型晶體管中，柵電極與溝道之間僅隔著一層很薄的柵氧化層，厚度著一層很薄的柵氧化層，厚度tox通常從幾十埃至通常從幾十埃至幾百埃不等，這種結(jié)構(gòu)與一個普通電容器的結(jié)構(gòu)幾百埃不等，這種結(jié)構(gòu)與一個普通電容器的結(jié)構(gòu)類似。當(dāng)類似。當(dāng)MOS管的柵壓管的柵壓VGS超過一定值時，就會超過一定值時，就會引起柵氧化層的擊穿，從而造成器件的永久失引起柵氧化層的擊穿，從而造成器件的永久失效。由于通常效。由于通常MOS管的柵輸入電容很小，因此，管的柵輸入電容很小，因此，只需感應(yīng)極小的電荷量只需感應(yīng)極小的電

30、荷量QM，就可能產(chǎn)生很高的柵，就可能產(chǎn)生很高的柵壓，從而使柵介質(zhì)擊穿。例如一支壓，從而使柵介質(zhì)擊穿。例如一支MOS晶體管的晶體管的柵電容僅為柵電容僅為2pF，那么只需感應(yīng)，那么只需感應(yīng)1.510-10庫侖的電庫侖的電荷，就可產(chǎn)生荷，就可產(chǎn)生75V的高壓，這對的高壓，這對MOS管來講是很管來講是很危險的，這就是所謂的危險的，這就是所謂的ESD（ESDElectro-Static discharge，即靜電釋放）問題。圖示就是輸，即靜電釋放）問題。圖示就是輸入二極管保護入二極管保護 。 DSVDSIGSVDSVDSIGSVDSVDSIGSV5.4 MOS型晶體管頻率特性與交流小信號參數(shù)5.4.1

31、MOS型晶體管的交流小信號等效電路型晶體管的交流小信號等效電路(a) 實測實測 nMOS 管輸管輸出伏安特性曲線出伏安特性曲線(b) 對非飽和區(qū)拋物對非飽和區(qū)拋物線用直線作近似線用直線作近似(c) 忽略非飽和區(qū)的忽略非飽和區(qū)的輸出特性曲線輸出特性曲線以上三圖對所測得的nMOS管的輸出特性曲線作了適當(dāng)?shù)难葑兣c簡化，目的是使得對所獲得的MOS管的交流小信號等效電路更易于理解。很明顯，當(dāng)MOS管處于小信號放大狀態(tài)時，工作點處在飽和區(qū)，故作這樣的近似處理是合理的。DSVDSIGSVDSVDSIO2()GSTk VViR2()GSTk VVd srGDSDSIDSV5.4 MOS型晶體管頻率特性與交流小

32、信號參數(shù)(d) nMOS管簡化輸出管簡化輸出伏安特性曲線伏安特性曲線(e) nMOS管的直流等效電路管的直流等效電路考慮到溝道長度調(diào)制效考慮到溝道長度調(diào)制效應(yīng)，應(yīng)，MOS管的輸出曲線表現(xiàn)為管的輸出曲線表現(xiàn)為一定的上翹，即輸出電阻不是一定的上翹，即輸出電阻不是理想的無窮大，這時，飽和區(qū)理想的無窮大，這時，飽和區(qū)方程為：方程為：2()(1)DSGSTDSIk VVV為調(diào)制因子，取值為調(diào)制因子，取值0.0050.03V-1。 圖圖(e)中：中：Ri：為直流輸入電阻，近似為：為直流輸入電阻，近似為；k(VGS-VT)2：直流恒流源；：直流恒流源；rds：輸出電阻。：輸出電阻。mosCmgsg vdsr

33、gdsdsidsvgsv5.4 MOS型晶體管頻率特性與交流小信號參數(shù)(f) nMOS管高頻交流小信號管高頻交流小信號等效電路等效電路因為因為2()(1)DSGSTDSIk VVV根據(jù)全微分表達式根據(jù)全微分表達式DSDSDSGSDSGSDSIIdIdVdVVV有有22 ()(1)()DSGSTDSGSGSTDSdIk VVVdVk VVdV一般地一般地1DSV故有故有22 ()()DSGSTGSGSTDSdIk VVdVk VVdV取取DSDSVdVDSDSVdVDSDSIdIGSGSVdVDSDSVdV則有則有22 ()() DSGSTGSGSTDSIk VVVk VVV令令dsDSiIgs

34、GSvVdsDSvV則則22 ()()dsGSTgsGSTdsik VV vk VVv等效電路見圖等效電路見圖(f)。5.4 MOS型晶體管頻率特性與交流小信號參數(shù)5.4.2 MOS型晶體管的交流小信號參數(shù)型晶體管的交流小信號參數(shù)S、mS或或-1單位單位表達式表達式定義式定義式rdsgm符號符號漏極輸出漏極輸出電阻電阻跨導(dǎo)跨導(dǎo)參數(shù)參數(shù)名稱名稱序號序號DSDSmVCGSIgV2 ()mGSTgk VV1GSDSVCdsDSIrV21()dsGSTrk VVMOS管的跨導(dǎo)和漏極輸出電阻管的跨導(dǎo)和漏極輸出電阻mosCmgsg vgddsigsvsiiDRsvSR5.4 MOS型晶體管頻率特性與交流小

35、信號參數(shù)5.4.3 MOS型晶體管的最高工作頻率型晶體管的最高工作頻率fm定義：當(dāng)放大器的輸入信號頻率定義：當(dāng)放大器的輸入信號頻率f升高，并使得升高，并使得MOS晶體管的晶體管的輸出漏極信號電流輸出漏極信號電流ids下降至等于輸入信號電流下降至等于輸入信號電流ii時，這時的輸入信時，這時的輸入信號頻率號頻率f就稱為就稱為MOS晶體管的最高工作頻率，用晶體管的最高工作頻率，用fm表示。表示。(g) MOS型晶體管共源放大器交流小信號等效電路型晶體管共源放大器交流小信號等效電路利用該定義，結(jié)合圖利用該定義，結(jié)合圖(g)電路，可得到電路，可得到fm表達式如下：表達式如下：2()2nmGSTfVVLf

36、m反比與反比與L2，正比與載流子遷移率，正比與載流子遷移率。5.4 MOS型晶體管頻率特性與交流小信號參數(shù)5.4.4 MOS型晶體管開關(guān)型晶體管開關(guān)MOS晶體管是一種電壓控制型器件，具有極高的輸入阻抗。晶體管是一種電壓控制型器件，具有極高的輸入阻抗。導(dǎo)通時，它只有一種載流子參與導(dǎo)電，不存在所謂的少子存儲效導(dǎo)通時，它只有一種載流子參與導(dǎo)電，不存在所謂的少子存儲效應(yīng)。因此，管子從導(dǎo)通到截止（關(guān)斷）的時間很短，開關(guān)速度很應(yīng)。因此，管子從導(dǎo)通到截止（關(guān)斷）的時間很短，開關(guān)速度很快，非常適合于充當(dāng)電子開關(guān)而用于數(shù)字集成電路中。隨著微電快，非常適合于充當(dāng)電子開關(guān)而用于數(shù)字集成電路中。隨著微電子制造工藝技術(shù)

37、的不斷進步，子制造工藝技術(shù)的不斷進步，MOS晶體管的幾何尺寸已進入到納晶體管的幾何尺寸已進入到納米（米（1nm=10-9m）時代，制備）時代，制備MOS晶體管柵介質(zhì)層的厚度晶體管柵介質(zhì)層的厚度tox甚至甚至薄至僅有幾十個埃，在同一片半導(dǎo)體薄至僅有幾十個埃，在同一片半導(dǎo)體Si小芯片上，集成了幾千萬小芯片上，集成了幾千萬個個MOS晶體管的超大規(guī)模集成電路已成為現(xiàn)實。晶體管的超大規(guī)模集成電路已成為現(xiàn)實。pMOSnMOSDDVinVoutVinVoutVDDVpMOSnMOS5.5 MOS型晶體管版圖及其結(jié)構(gòu)特征(a) 一個一個nMOS管和一個管和一個pMOS管的連接管的連接(b) 兩個晶體管的對應(yīng)版

38、圖兩個晶體管的對應(yīng)版圖5.5.1 小尺寸集成小尺寸集成MOS晶體管的版圖（橫向結(jié)構(gòu)）晶體管的版圖（橫向結(jié)構(gòu)）版圖是指一系列簡單幾何圖形（例如矩形、線條、圓弧等）的版圖是指一系列簡單幾何圖形（例如矩形、線條、圓弧等）的集合，這些圖形元素按規(guī)定要求進行排列與組合，構(gòu)成一個圖形陣集合，這些圖形元素按規(guī)定要求進行排列與組合，構(gòu)成一個圖形陣列。通常意義上所說的版圖一般是指某一種晶體管或者某一型號的列。通常意義上所說的版圖一般是指某一種晶體管或者某一型號的集成電路所對應(yīng)的復(fù)合版圖，它們按層次或先后順序彼此套疊在一集成電路所對應(yīng)的復(fù)合版圖，它們按層次或先后順序彼此套疊在一起。起。5.5 MOS型晶體管版圖及

39、其結(jié)構(gòu)特征 MOS MOS型晶體管的復(fù)合版圖中常見圖層的說明型晶體管的復(fù)合版圖中常見圖層的說明MOS型晶體管所在的區(qū)域型晶體管所在的區(qū)域有源區(qū)有源區(qū)2形成形成MOS型晶體管電極和互連線型晶體管電極和互連線形成金屬接觸孔形成金屬接觸孔形成形成pMOS型晶體管源型晶體管源/漏區(qū)漏區(qū)(S/D)形成形成nMOS型晶體管源型晶體管源/漏區(qū)漏區(qū)(S/D)形成形成MOS型多晶硅柵電極型多晶硅柵電極形成形成N型隔離阱區(qū)，用于制作型隔離阱區(qū)，用于制作pMOS型晶體管型晶體管說說 明明金屬層金屬層接觸孔接觸孔硼離子注入?yún)^(qū)硼離子注入?yún)^(qū)磷離子注入?yún)^(qū)磷離子注入?yún)^(qū)多晶硅多晶硅N-Well(N-阱阱)圖層名稱圖層名稱圖層圖

40、層765431序號序號(a) n-well(n-阱阱)(c) 多晶硅多晶硅(b) 有源區(qū)有源區(qū)5.5 MOS型晶體管版圖及其結(jié)構(gòu)特征分版圖分版圖實際掩模版圖形實際掩模版圖形(局部局部)(f ) 接觸孔接觸孔(e) 硼離子注入?yún)^(qū)硼離子注入?yún)^(qū)(d) 磷離子注入?yún)^(qū)磷離子注入?yún)^(qū)5.5 MOS型晶體管版圖及其結(jié)構(gòu)特征(g) 金屬層金屬層1. 襯底制備襯底制備2. n-阱阱(well)注入注入3. 淀積淀積Si3N4n-阱阱4. Si3N4層光刻層光刻P-Si襯底（襯底（substrate）34Si Nn-阱阱34Si Nn-阱阱5.5 MOS型晶體管版圖及其結(jié)構(gòu)特征5.5.2 小尺寸集成小尺寸集成MOS

41、型晶體管的剖面（縱向結(jié)構(gòu)）型晶體管的剖面（縱向結(jié)構(gòu)）5. 場氧化場氧化(Fox)6. 去除去除Si3N4，進行柵氧，進行柵氧8. n+ S/D(源源/漏漏)注入注入Foxn-阱阱2SiOn-阱阱7. 淀積多晶硅淀積多晶硅(Poly-Si)PolySin-阱阱Photoresist/nS D注入nn-阱阱（光刻膠）（光刻膠）5.5 MOS型晶體管版圖及其結(jié)構(gòu)特征9.p+ S/D(源源/漏漏)注入注入10.淀積淀積BPSG（硼磷硅（硼磷硅玻璃）玻璃）BPSGnpnp11.淀積淀積Metal(金屬金屬)npnpMetal12.淀積鈍化層，并進行淀積鈍化層，并進行CMP(化學(xué)機械拋光化學(xué)機械拋光)np

42、np Passivation Layer PSi substratenwellFoxPolyPolyBPSGMetalPhotoresist/pS D注入pnn5.5 MOS型晶體管版圖及其結(jié)構(gòu)特征5.5 MOS型晶體管版圖及其結(jié)構(gòu)特征5.5.3 按比例縮小設(shè)計規(guī)則按比例縮小設(shè)計規(guī)則年年 份份1997199920012003200620102016溝道長度溝道長度L/m30.10.070.0450.0221997201619972016年年 MOSFET MOSFET 溝道長度溝道長度L L的演變與預(yù)測的演變與預(yù)測Moore(莫爾)定律 MOS大規(guī)模集成電路芯片上器件的集

43、成度每隔1824個月翻一番。R.H.Dennard（R.H.迪納德）于1974年提出關(guān)系MOS器件的“按比例縮小”設(shè)計的理論，該理論成為日后MOS晶體管尺寸持續(xù)縮小的理論支撐。DkVGkVjkxjkxkLoxkt(/ )BNkjxDVGVLoxtjxBN5.5 MOS型晶體管版圖及其結(jié)構(gòu)特征“按比例縮小按比例縮小”設(shè)計的設(shè)計的CE（恒定電場）理論（恒定電場）理論所謂恒定電場所謂恒定電場(CE)“按比例縮小按比例縮小”設(shè)計理論設(shè)計理論是指是指MOS晶體管晶體管的橫向與縱向尺寸以及工作電壓等參數(shù)按同樣的比例縮小，從而使器的橫向與縱向尺寸以及工作電壓等參數(shù)按同樣的比例縮小，從而使器件里的電場強度件里

44、的電場強度E保持不變。保持不變。(a) 器件縮小前器件縮小前(b) 器件縮小后（器件縮小后（k1）5.5 MOS型晶體管版圖及其結(jié)構(gòu)特征性性 能能 影影 響響器件和電路參數(shù)器件和電路參數(shù)比例因子比例因子比例參數(shù)比例參數(shù)器件尺寸器件尺寸( L，tox，W，xj )k襯底摻雜濃度襯底摻雜濃度NB1/k電壓電壓k器件參數(shù)性能器件參數(shù)性能耗盡區(qū)寬度耗盡區(qū)寬度k電容電容k溝道電流溝道電流k電路參數(shù)性能電路參數(shù)性能器件密度器件密度1/k2器件功耗器件功耗(P=IU)k2延遲時間延遲時間dk功耗延時乘積功耗延時乘積Pk3恒定電場下恒定電場下MOSFETMOSFET按比例縮小后對相關(guān)性能影響小結(jié)（按比例縮小后對相關(guān)性能影響小結(jié)（k1k1）LWSDGDSG5.6 小尺寸集成MOS型晶體管的幾個效應(yīng)在過去幾十年中，在過去幾十年中，MOS晶體管的溝道長度呈現(xiàn)出持續(xù)縮短的晶體管的溝道長度呈現(xiàn)出持續(xù)縮短的態(tài)勢。這種情況直到今天也似乎仍然沒有結(jié)束的征兆，現(xiàn)今態(tài)勢。這種情況直到今天也似乎仍然沒有結(jié)