半导体物理与器件+第4章_MOS场效应晶体管课题.ppt

2．最高工作频率 fM fM —— 功率增益等于1时的频率； 栅-沟道电容CGC 当栅-源之间输入交流信号之后，从栅极增加流进沟道的载流子分成两部分，其中一部分对栅-沟道电容CGC充电，另一部分径直通过沟道流进漏极，形成漏-源输出电流。 当信号频率? 增加，流过CGC的信号电流增加，从源流入沟道的载流子用于增加栅沟道电容充电的部分，直至? 增大到足够大，使全部沟道电流用于充电，则漏极输出信号为0，即流入电容CGC的电流等于输入信号引起的沟道电流时的频率? 是管的最高工作频率? M 。 管跨导愈大，最高工作频率愈高； 栅极-沟道电容CGC愈小，最高工作频率也愈高; 管的高频优值 gm/CGC ——衡量管的高频特性，比值愈高， 高频特性愈好。 提高fM ，从结构方面应当使沟道长度缩短到最低限度，也必须尽可能增大电子在沟道表面的有效迁移率?n。 硅材料电子迁移率?n比空穴迁移率?p大 。 n ?M = 2? fM 4.6 MOS管的开关特性(Switching feature) 开关状态——管主要工作在两个状态，导通态和截止态； 两种开关特性——本征与非本征开关延迟特性； 本征延迟：载流子通过沟道的传输所引起的大信号延迟； 非本征延迟：被驱动的负载电容充-放电以及管之间的RC延迟； MOS管用来构成数字集成电路，如 构成触发器、存储器、移位寄存器等等。构成的集成电路功耗小、集成度高。 4.6.1 MOS管瞬态开关过程 开关等效电路 开和关状态转换即在截止区和可变电阻区间来回切换，且受UGS控制 非本征开关过程 (外部状态影响) 电阻负载倒相器 负载电阻 负载电容 电源 IDS 阶跃信号 (方波) （1）开通过程 延迟时间 上升时间 延迟过程——输入栅压UGS增加，信号UG(t)向栅电容CGS和CGD充电，随着栅压增加，经过一定的延迟，栅电容CGS上的栅压达到阈值电压UT 时，输出电流开始出现； 上升过程——UGS超过UT 时，进入线性工作区，UG(t)使反型沟道厚度增厚，电流开始迅速增大；在上升时间tr结束时，电流达到最大值，栅压达到UGS2 ； 延迟 UT 理想开波形 UGS2 为什么输入方波， 而实际如此变化？ （2）关断过程 储存时间 下降时间 储存过程——去掉栅压，栅电容CGS放电，栅压UGS下降，当UGS下降到上升时间结束时的栅压UGS2时，电流才开始下降；也是管退出饱和的时间； 下降过程——储存时间结束后，UGS继续放电，栅压UGS从UGS2进一步下降，反型沟道厚度变薄，电流快速下降，当UGS小于UT 后，管截止，关断过程结束； 延迟 理想关波形 UT UGS2 非本征开关时间 栅峰值电压 输入电容 电流脉冲发生器的内阻 开通和关断时间近似相等 ton= toff 非本征开关时间受负载电阻RL、负载电容CL、栅峰值电压UGG以及电容和电阻的影响，减小栅电容及电阻值是很重要的。 4.6.2 MOS管瞬态开关时间计算 本征延迟开关过程 定义：本征延迟过程的时间是栅极加上阶跃电压，使沟道导通，漏极电流上升到与导通栅压对应的稳态值所需要的时间。 载流子渡越沟道长度，该过程与传输的电流的大小和电荷的多少有关，与载流子漂移速度有关，漂移速度越快，本征延迟的过程越短。 在线性区，UDS →0 时，本征开通延迟时间 饱和区本征开通延迟时间 减小沟道长度是减小开关时间的主要方法； 沟道不太长，本征开通延迟时间较短。如L = 5?m，?n = 60cm2/（V·s）的NMOS管，UDS = UGS ?UT = 5V时，tch只有111ps。 一般说来，若沟道长度小于5?m，则开关速度主要由负载延迟决定。对于长沟管，本征延迟与负载延迟可相比拟，甚至超过。 4.7 MOS管的二级效应——理想结果的修正 二级效应——非线性、非一维、非平衡等因素对I-V特性产生的影响，它们包括：非常数表面迁移率效应、体电荷效应、短沟道效应、窄沟道效应等。 4.7.1 非常数表面迁移率效应 实际情况，MOS管表面载流子的迁移率与表面的粗糙度、界面的陷阱密度、杂质浓度、表面电场等因素有关。 电子表面迁移率的范围为550～950 cm2/（V·s），空穴表面迁移率的范围为150～250 cm2/（V·s），电子与空穴迁移率的比值为2～4。 在低栅极电压情况下测得，即UGS仅大于阈值电压1～2V。 当栅极电压较高时，发现载流子迁移率下降，这是因为UGS 较大时，垂直于表面的纵向电场也较大，载流子在沿沟道作漂移运动时与Si-SiO2界面发生更多的碰撞，使迁移率