是一个非线性电容，随电位差的增大而减小。
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• 随着Vgs的增大，排斥掉更多的空穴，耗尽层厚度 Xp增大，耗尽层上的电压降就增大，因而耗尽层 电容CSi就减小。耗尽层上的电压降的增大，实际 上就意味着Si表面电位势垒的下降，意味着Si表面 能级的下降。
• 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。
击穿区
0
Vds
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MOS电容是一个相当复杂的电容，有多层介质： 在栅极电极下面有一层SiO2介质。SiO2下面是P型衬底，最后
是衬底电极，同衬底之间是欧姆接触。 MOS电容与外加电压有关。
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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• •
在非饱和区 饱和区
IdsVdsCa1Vgsb1
Idsa2V gs V T2
Idstoo xx W LVgsV TV ds1 2V ds2
Ids 1 2tooxxW LVgsVT 2
(Ids 与 Vds无关) . MOSFET是平方律器件!
Ids
饱和区
线性区
5
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• 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。
• 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，
Vge：栅级对衬底的有效控制电压
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当Vgs-VT=Vds时，满足:
dI ds 0 dV ds
Ids达到最大值Idsmax，其值为 Idsma1 2 x tooxxW LVgsVT2
Vgs-VT=Vds， 意 味 着 近 漏 端 的 栅 极 有 效 控 制 电 压 Vge=Vgs-VT-Vds=Vgs-Vds-VT = Vgd-VT =0 感应电荷为0，沟道夹断，电流不会再增大，因而， 这个 Idsmax 就是饱和电流。
poly-Si G
D diffusion W
S
• 栅长:
L
• 栅宽:
W
• 氧化层厚度: tox
t ox L
p+/n+4来自5MOS场效应管的特性
• Lmin、 Wmin和 tox 由工艺确定 • Lmin： MOS工艺的特征尺寸(feature size)
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
5MOS场效应管的特性
第五章 MOS 场效应管的特性
广州集成电路设计中心 殷瑞祥 教授
5MOS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
以SiO2为介质的电容器——Cox
以耗尽层为介质的电容器——CSi
总电容C为:
C
1 Cox
1 CSi
1
比原来的Cox要小些。
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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
21Si1SiqNA
式中NA是P型衬底中的掺杂浓度，将上式积分得耗尽区上的 电位差 ：
CoxotxW ox LotxW ox L 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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2）当Vgs>0时，栅极上的正电荷排斥了Si中的空穴，在 栅极下面的Si表面上，形成了一个耗尽区。
耗尽区中没有可以自由活动的载流子，只有空穴被赶走后 剩下的固定的负电荷。这些束缚电荷是分布在厚度为Xp的 整个耗尽区内，而栅极上的正电荷则集中在栅极表面。这 说明了MOS电容器可以看成两个电容器的串联。
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非饱和情况下，通过MOS管漏源间的电流Ids为：
Ids Q L2C VgV eds otxW oxLL 2VgeVdstooxxW L(VgsVT1 2Vds)Vds
tooxxW LVgsVT Vds1 2Vds2
VgeVgsVT1 2Vds
= '.0 栅极-沟道间氧化层介电常数, ′ = 4.5, 0 = 0.88541851.10-11 C.V-1.m-1
1 Si
qN Adx'd q xN AXp 2 Si
从而得出束缚电荷层厚度
Xp
2Si
q NA
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在耗尽层中束缚电荷的总量为
Q qA N X p Wq L N A W2 L q SN i AW2 L Sq i A N
是耗尽层两侧电位差的函数，耗尽层电容为
C S i d dQ v W2 L Sq i A N 1 21 2WL S2 q i A N
Q=CVge 式中Vge是栅极有效控制电压。
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非饱和时（沟道未夹断），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： n µn = 650 cm2/(V.s) 电子迁移率(NMOS) n µp = 240 cm2/(V.s) 空穴迁移率(PMOS)
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两个PN结： 1）N型漏极与P型衬底； 2）N型源极与P型衬底。
同双极型晶体管中的PN 结 一样， 在结周围由于载流 子的扩散、漂移达到动态平 衡，而产生了耗尽层。 一个电容器结构 栅极与栅极下面区域形成一个电容器，是MOS管的核心。
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p+/n+
n(p)
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