随着反型层的形成，来自栅极正电荷发出的电 力线，已部分地落在这些电子上，耗尽层厚度的增 加就减慢了，相应的MOS电容CSi的减小也减慢了。
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MOS电容—耗尽层电容特性(续)
4） 当Vgs增加，达到VT值，Si表面电位的下降，能级 下降已达到P型衬底的费米能级与本征半导体能级差
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比原来的Cox要小些。
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MOS电容—束缚电荷层厚度
耗尽层电容的计算方法同PN结的耗尽层电容的计算方
法相同:
利用泊松公式 式中NA是P型衬底中的
2
1
Si
1
Si
qNA
掺杂浓度，将上式积分
得耗尽区上的电位差 ：
1
Si
qN Adxdx'
Cox
oxWL
tox
oxWL
tox
通常，ox=3.98.85410-4 F/cm2；A是面积，单位
是cm2；tox是厚度，单位是cm。
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MOS电容—SiO2和耗尽层介质电容
2）在当栅V极gs>下0时面，的栅Si表极面上上的，正形电成荷了排一斥个了耗Si尽中区的。空穴，
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MOS电容—测量
若测量电容的方法是逐点测量法—一种慢进 程，那么将测量到这种凹谷曲线。
① ⑤
②
③
④
图 5.2
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MOS电容凹谷特性测量
若测量电容采用高频方法，譬如，扫频方法， 电压变化很快。共价键就来不及瓦解，反型层就 无法及时形成，于是，电容曲线就回到Cox值。 然而，在大部分场合，MOS电容与n+区接在一 起，有大量的电子来源，反型层可以很快形成， 故不论测量频率多高，电压变化多快，电容曲线 都呈凹谷形。
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5.1.2 MOSFET电容的组成
MOS电容是一个相当复杂的电容，有多层介质：
首先，在栅极电极下面有一层SiO2介质。SiO2下面是P型 衬底，衬底是比较厚的。最后，是一个衬底电极，它同
衬底之间必须是欧姆接触。
MOS电容还与外加电压有关。
1）当Vgs<0时，栅极上的负电荷吸引了P型衬底中的多 数载流子—空穴，使它们聚集在Si表面上。这些正电 荷在数量上与栅极上的负电荷相等，于是在Si表面和 栅极之间，形成了平板电容器，其容量为，
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MOS电容的计算(续)
若处于饱和状态，则
Ids
1 2
tox
W L
Vgs
VT
2
表明沟道电荷已与Vds无关，沟道已夹断。那么， Cg = Cgs + 2/3 C， Cd = Cdb + 0 在饱和状态下，沟道长度受到Vds的调制，L变小
' = 4.5, 0 = 0.88541851.10-11 C.V-1.m-1
ox
tox
W L
Vgs
VT
Vds
1 2
Vds
2
Vge是栅级对衬底的有效控制电压 其值为栅级到衬底表面的电压减VT
w ith
Vge
Vgs
VT
1 2
Vds
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第五章 MOS 场效应管的特性
5.1 MOS场效应管
5.2 MOS管的阈值电压
5.3 体效应
5.4 MOSFET的温度特性
5.5 MOSFET的噪声
5.6 MOSFET尺寸按比例缩小
5.7 MOS器件的二阶效应
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MOS电容的计算
若处于非饱和状态，则按1/3与2/3分配，即
Cg = Cgs + 2/3C
Cd = Cdb +1/3C
那是因为在非饱和状态下，与栅极电荷成比例的沟道
电流为
Ids
tox
W L
Vgs
VT
1 2
Vds
Vds
由Vgs和Vds的系数可知栅极电压Vgs对栅极电荷的 影响力，与漏极电压Vds对栅极电荷的影响力为2:1的 关系，故贡献将分别为 2/3与1/3 。
Cg = Cgs + Cox
Cd = Cdb
2）若Vgs>VT，沟道建立，MOS管导通。MOS电容是 变化的，呈凹谷状，从Cox下降到最低点，又回到 Cox。这时，MOS电容C对Cg，Cd都有贡献，它们的 分配取决于MOS管的工作状态。
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MOSFET的伏安特性—方程推导
非饱和情况下，通过MOS管漏源间的电流Ids为：
I ds
Q
CVge L2
Vds
oxWL tox
L2
VgeVds
= '.0 栅极-沟道间
氧化层介电常数,
ox
tox
W L
(Vgs
VT
1 2
Vds
)Vds
一旦Si表面能级下降到P型衬底的费米能级， Si表面的半导体呈中性。这时，在Si表面，电 子浓度与空穴浓度相等，成为本征半导体。
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MOS电容—耗尽层电容特性(续)
3）若Vgs再增大，排斥掉更多的空穴，吸引了更多的
电子，使得Si表面电位下降，能级下降，达到低于 P型衬底的费米能级。这时，Si表面的电子浓度超 过了空穴的浓度，半导体呈N型，这就是反型层。 不过，它只是一种弱反型层。因为这时电子的浓度 还低于原来空穴的浓度。
当栅极上的正电压不断升高时，P型区内的空穴被不断 地排斥到衬底方向。当栅极上的电压超过阈值电压VT， 在栅极下的P型区域内就形成电子分布，建立起反型层， 即N型层，把同为N型的源、漏扩散区连成一体，形成 从漏极到源极的导电沟道。这时，栅极电压所感应的 电荷Q为，
Q=CVge 式中Vge是栅极有效控制电压。
qN A
Si
X
2 p
从而得出束缚电荷层厚度 Xp
2 Si
q NA
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MOS电容 —耗尽层电容
这时，在耗尽层中束缚电荷的总量为，
Q qNA X pWL qN AWL
2Si WL
q NA
2 SiqNA
它是耗尽层两侧电位差的函数，因此，耗尽层 电容为，
决定MOSFET的速度和功耗等众多特性
L和W由设计者选定
通常选取L= Lmin，由此，设计者只需选取W W影响MOSFET的速度，决定电路驱动能力和 功耗
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MOSFET的伏安特性:电容结构
当栅极不加电压或加负电压时，栅极下面的区域保持P 型导电类型，漏和源之间等效于一对背靠背的二极管， 当漏源电极之间加上电压时，除了PN结的漏电流之外， 不会有更多电流形成。
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MOSFET特性曲线
在非饱和区 Ids Vds C a1Vgs b1 线性工作区
在饱和区 Ids a2 Vgs VT 2
(Ids 与 Vds无关) . MOSFET是平方律器件!
Ids
饱和区
线性区
击穿区
0
Vds
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耗尽区都渗进到栅极下面的
区域。又，栅极与漏极扩散
区，栅极与源极扩散区都存
在着某些交迭，故客观上存
在着Cgs和Cgd。当然，引出 线之间还有杂散电容，可
以计入Cgs和Cgd。
图 5.3
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MOS电容的计算
Cg、Cd的值还与所加的电压有关:
1）若Vgs<VT，沟道未建立，MOS管漏源沟道不通。 MOS电容 C = Cox，但C 对Cd无贡献。
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MOSFET的三个基本几何参数
p+/n+
poly-Si G
D diffusion W
t ox L
n(p)
p+/n+
S
栅长:
L
栅宽:
W
氧化层厚度: tox
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MOSFET的三个基本几何参数
Lmin、 Wmin和 tox 由工艺确定 Lmin： MOS工艺的特征尺寸(feature size)
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MOS的伏安特性
电荷在沟道中的渡越时间
非饱和时，在漏源电压Vds作用下，这些电荷Q将 在时间内通过沟道，因此有
L
L
L2
Eds Vds
为载流子速度，Eds= Vds/L为漏到源方向电场强度， Vds为漏到源电压。 为载流子迁移率：