(2) 当 VDS > VDS sat 时 y L L 夹断点左移，有效沟道缩短 eff 1 2 I I V DS DSsat DSsat 2 L L L L L 1 IDSsat 不饱和，MOSFET 的输出特性
MOSFET 的饱和区
定义 VDSsat VGS VT
(1) 当 VDS = VDSsat 时
Qn(L) = 0 反型电子消失 沟道被夹断
W 1 2 I C V V V V V V DS ox n GS T GS T GS T L 2 1 W 2 1 2 C V V V ox n GS T DSsat 2 L 2
y
B
V W DS V DS I C V V V DS ox n GS T DS R R L W L ch sh 可调电阻 严格推导（考虑到VDS 对沟道中反型电子浓度的影响）： W 1 W 2 I C V V V V 跨导参数 C n DS ox n GST DS DS ox L 2 L
第八章MOSFET
• • • • • • • • • MOSFET的类型 阈值电压 直流输出特性 跨导 击穿 高频特性 开关特性 倒相器 二级效应
MOSFET结构示意图
左图为MOSFET结构示意图。 MOSFET有增强型和耗尽型 两种，在左下图中给出。
增 强 型 ： 栅 极 不 加 电 压 时 表 面 没 有 沟 道 ， 源 和 漏 之 间 不 导 通 。 栅 极 加 电 压 使 沟 道 逐 步 形 成 ， 沟 道 内 载 流 子 逐 步 增 加 ， 导 电 能 力 逐 步 增 强 。
MOSFET 的可调电阻区 (线性区)
强反型条件下（VGS > VT） VDS 较小时 沟道中反型电子电荷面密度
V(0) = 0 0 V(L) = VDS L
Q C V V n ox GS T
反型层薄层电阻 1 Q n nd ch R sh d d ch ch 1 1 Q C V V n n n ox GS T
NMOS（增强型）
NMOS（耗尽型）
PMOS（增强型）
PMOS（耗尽型）
沟道长度调制效应
• 沟道长度调制效应使输出特性的饱和区发生倾 斜。
MOSFET 的转移特性
D
G 输入 S 输出
S
IDSsat ~ VGS（VDS为参量） 注：需保证 VDS VGS VT NMOS（增强型）
NMOS（增强型）
简化的MOSFET
为了计算方便作以下简化假设：
• • • • • 源区和漏区的电压降可以忽略不计； 在沟道区不存在产生-复合电流； 沟道电流为漂移电流； 沟道内载流子的迁移率为常数 n (E) = C ； 缓变沟道近似
E ( x ,y ) E ( x ,y ) y x x y
Q d 2 kT N p 沟 MOS V ss qN D max D ln Tp ms C C q n （PMOS） ox ox i
MOSFET 阈值电压控制
Q d 2 kT N ss qN A max A V ln Tn ms C C q n ox ox i
PMOS
增强型
n p+ 空穴
耗尽型
耗尽型
VDS
IDS 载流子运动方向
+
DS SD

SD SD
VT
+
D

D B G B G

D B G
+
D B
符号
G
S
S
S
S
MOSFET 的阈值电压
Q ( d ) qN d B max A max V V 2 V V 2 V T FB B FB B C C ox ox
d max ' total Bmax AA 0
Q qN B Im 其中 Q ( d) qN ( x ) dx qN V Im T C C ox ox
d max ' Bm ax A 0

MOSFET 的输出特性
D
G 输入 S 输出
饱和区 击穿区
S
线性区
IDS ~ VDS（VGS为参量）
耗 尽 型 ： 栅 极 不 加 电 压 时 表 面 就 有 沟 道 ，
p (或 n )
增强型 耗尽型
源 和 漏 之 间 处 于 导 通 状 态 。 栅 极 加 电 压 使 沟 道 逐 步 耗 尽 ， 导 电 能 力 逐 步 减 弱 。
MOSFET 的类型和符号
NMOS
增强型
衬底 S/D 载流子 p n+ 电子
1. 金属功函数 Wm 的影响
Mg 金属 Wm (eV) 3.35
Al 4.1
Ni 4.55
Cu 4.7
Au 5.0
Ag 5.1
n+-poly p+-poly 4.05 5.15
2. 衬底杂质浓度 NA 的影响
kT NA VB ln q ni
NA 增加 1 个数量级， VB 增加 60 mV
3. 界面固定电荷 QSS 的影响 4. 离子注入调整阈值电压
离子注入调整阈值电压
Q d 2 kT N ss qN A max A V ln Tn ms C C q n ox ox i
Rp << dmax
增强型
耗尽型
P-Si
Q ( d ) q N N ( x ) dx Q ( d ) Q ( d ) B max B max
其中
功函数差
t x Q ss 1 ox V ( x ) dx FB ms 0 C ox C ox t ox
Q q W W ms m s , 表面固定电荷
SS
在忽略氧化层中 电荷(x)的情况下
n 沟 MOS Q d 2 kT N ss qN A max A V ln （NMOS） Tn ms C C q n ox ox i