中国绅学我术大学 University of Science and Technology of China 第6章MOSFET的电气特性 本章目录 6.1MOS物理学 6.2nFET电流-电压方程 6.3FET的RC模型 6.4pFET特性 6.5小尺寸MOSFET模型 2018-9-5 第6章MOSFET的电气特性 §6.1MOS物理学 © NMOS的电流和电压 Gate VGSn SourceL Ipn ·Drain VDSn Figure 6.1 nFET current and voltages Ipn =Ipn(VGsn VpSa) 2018-9-5 第6章MOSFET的电气特性 2
2018-9-5 第6章 MOSFET的电气特性 1 第 6 章 MOSFET的电气特性 本章目录 6.1 MOS物理学 6.2 nFET电流-电压方程 6.3 FET的RC模型 6.4 pFET特性 6.5 小尺寸MOSFET模型 2018-9-5 第6章 MOSFET的电气特性 2 ( , ) Dn Dn VGSn VDSn I = I NMOS的电流和电压 §6.1 MOS物理学
§6.1MOS物理学 MOS的结构 +VG Gate voltage Gate tox Gate oxide Silicon surface p-type substrate Figure 6.2 Structure of the MOS system 6 OX ￡ax=3.9e,6=8.854×10-14F/cm 2018-9-5 第6章MOSFET的电气特性 §6.1MOS物理学 MOS的结构中的电压 +VG>0 Voltage *ox VG M 9s p-type φs Distance Figure 6.4 Voltages in the MOS system '6='x+s V:氧化层的电压降；s:表面电势 23=-Cx'x Qs:表面电荷密度，单位：C/cm2 2018-9-5 第6章MOSFET的电气特性
2018-9-5 第6章 MOSFET的电气特性 3 §6.1 MOS物理学 ox ox ox t C ε = 3.9 , 8.854 10 F/cm 14 0 0 − ε ox = ε ε = × MOS的结构 2018-9-5 第6章 MOSFET的电气特性 4 §6.1 MOS物理学 VG =Vox +φS QS = −CoxVox MOS的结构中的电压 Vox：氧化层的电压降；φS：表面电势 2 QS：表面电荷密度，单位：C/cm
§6.1MOS物理学 MOS结构中的体（耗尽）电荷 +VG >0 small Gate Vox Depletion region xd Bulk charge OB p-type.Na Figure 6.6 Bulk(depletion)charge in the MOS system 0B=-V2q8N4, Q:体电荷密度，单位：C/cm2 6=11.8eo;N,:衬底掺杂浓度 2018-9-5 第6章MOSFET的电气特性 §6.1MOS物理学 19 MOS的结构中的电子电荷 VG Vmn Gate Electron layer Qe Bulk charge 9B p-type.Na 9s=9B+9e Figure 6.7 Formation of the electron charge layer Qs=QB+Q。 Q。:反型层电子密度 'e>Vn时，g。=-Cx(Wc-'m) 2018-9-5 第6章MOSFET的电气特性 6
2018-9-5 第6章 MOSFET的电气特性 5 §6.1 MOS物理学 B SiNa s Q = − 2qε φ MOS结构中的体(耗尽)电荷 ； ：衬底掺杂浓度 ：体电荷密度，单位： Si a B N Q 0 2 11.8 C/cm ε = ε 2018-9-5 第6章 MOSFET的电气特性 6 §6.1 MOS物理学 MOS的结构中的电子电荷 QS = QB + Qe ( ) VG >VTn时，Qe = −Cox VG −VTn Qe ：反型层电子密度
§6.1MOS物理学 阈值电压公式 阈值电压：衬底表面形成强反型时的栅源电压。 强反型：反型层中的载流子浓度与衬底的多数载流子浓度 相等。 当表面电势=2|中时，衬底表面出现强反型 2018-9-5 第6章MOSFET的电气特性 §6.1MOS物理学 理想MOS结构的阈值电压 理想MOS:栅和衬底材料一样，氧化层没有电荷 三2g6N.21D+2, 实际MOS结构的阈值电压 m-C2g8N214D+2到4+'a VB:平带电压 调整后的阈值电压公式 m=CV2qN.214D+2141+'6+2 1 D:注入剂量，即每平方厘米注入的离子数 2018-9-5 第6章MOSFET的电气特性 8
2018-9-5 第6章 MOSFET的电气特性 7 §6.1 MOS物理学 阈值电压公式 阈值电压：衬底表面形成强反型时的栅源电压。 ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = = i a F F S F n N q kT | | | | ln 2 | | φ φ φ φ ：体费米电势， 当表面电势 时，衬底表面出现强反型 强反型：反型层中的载流子浓度与衬底的多数载流子浓度 相等。 2018-9-5 第6章 MOSFET的电气特性 8 ox I Si a F F FB ox Tn C qD q N V C V = 2 (2 | |) + 2 | | + + 1 ε φ φ Si a F F FB ox Tn q N V C V = 2 (2 | |) + 2 | | + 1 ε φ φ 实际MOS结构的阈值电压 调整后的阈值电压公式 §6.1 MOS物理学 VFB：平带电压 DI ：注入剂量，即每平方厘米注入的离子数 2 (2 | |) 2 | | 1 Si a F F ox Tn q N C V = ε φ + φ 理想MOS结构的阈值电压 理想MOS：栅和衬底材料一样，氧化层没有电荷
§6.1MOS物理学 例：已知T=300K,N。=105/cm3,tox=50A=50×10-8cm,'FB=-0.85V, D,=4×102/cm2,求' 解： k灯=0.026V C-Ea=39x8854x10-4 50x10-8 —=0.69×106F/em2 24,|=2×7x1n-=2x0026xIn 105 q 1.45x1010=0.579V 1 q6N,D 01 0.69×10×v2x16x10-x1.8x8854×10“x105x0.579=0.02V 1 9D=1.6×1019×4×102 =0.928V Cox 0.69×10-6 Vm=0.02+0.579-0.85+0.928=0.677V 2018-9-5 第6章MOSFET的电气特性 §6.1MOS物理学 19 §6.2.2体偏置效应 当源和体（衬底）之间存在Vsm>0时 Vm VTon +r(210F 1+VsBn -v21 0FD) G 体偏置系数：y-2g5,单位vVN VSBn B 体偏置效应使阈值电压增大！ Bulk (substrate) Figure 6.15 Bulk electrode and body-bias voltage 2018-9-5 第6章MOSFET的电气特性 10
2018-9-5 第6章 MOSFET的电气特性 9 §6.1 MOS物理学 求 。 例：已知 I Tn a ox FB D V T N t V 4 10 / cm , 300K, 10 / cm , 50A 50 10 cm, 0.85V, 12 2 15 3 8 = × = = = = × = − − o 解： = 0.026V q kT 0.579V 1.45 10 10 2 2 ln 2 0.026 ln 10 15 = × = × × = × × i a F n N q kT φ 6 2 8 14 0.69 10 F/cm 50 10 3.9 8.854 10 − − − = × × × × = = ox ox ox t C ε 2 1.6 10 11.8 8.854 10 10 0.579 0.02V 0.69 10 1 2 (2 | |) 1 19 14 15 6 × × × × × × × × = × = − − − Si a F ox q N C ε φ 0.928V 0.69 10 1.6 10 4 10 6 19 12 = × × × × = − − ox I C qD VTn = 0.02 + 0.579 − 0.85+ 0.928 = 0.677V 2018-9-5 第6章 MOSFET的电气特性 10 §6.2.2 体偏置效应 当源和体（衬底）之间存在VSBn>0时 ( 2 | | 2 | |) VTn VT 0n φ F VSBn φ F = + γ + − V 2 体偏置系数： ，单位 ox Si a C qε N γ = 体偏置效应使阈值电压增大！ §6.1 MOS物理学