Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 7, Phần 1: Mosfet

1Chương 7
MOSFET
(Metal-Oxide Semiconductor
Field Effect Transistor)
ĐHBK Tp HCM-Khoa Đ-ĐT
BMĐT
GVPT: Hồ Trung Mỹ
Môn học: Dụng cụ bán dẫn
2MOSFET
• Giới thiệu
• Khảo sát định tính hoạt động của MOSFET
• Tụ điện MOS
• Hoạt động của MOSFET
• Một số đặc tính không lý tưởng
• Mạch tương đương tín hiệu nhỏ
• Giới thiệu 1 số ứng dụng của MOSFET
3Các loại FET (1/2)
Các loại FET (2/2)
• FET 
kênh p
JFET 
(chế độ nghèo)
kênh n
MOSFET
kênh p
kênh n
giàu
nghèo
giàu
nghèo
• giàu=enhancement
• nghèo=depletion
• MESFET có cả 2 chế độ giàu và nghèo
5MOSFET
6MOSFET – Cơ bản
Giới thiệu
• Trên 99% các IC được chế tạo bằng MOSFET, thí dụ như: 
bộ nhớ ROM, RAM, vi xử lý, ASIC và nhiều IC chức năng 
khác.
• Vào năm 2000, 106 MOSFET/người/năm được chế tạo.
• MOSFET có thành phần cơ bản là kim loại (M=Metal), lớp 
cách điện SiO2 (O=Oxide), và bán dẫn (S=semiconductor)
• Các tên gọi khác của MOSFET là MISFET (Metal-Insulator-
Semiconductor), IGFET (Insulated Gate FET).
• Nguyên tắc hoạt động của FET là dòng hạt dẫn từ nguồn 
điện máng được điều khiển bằng điện áp cổng hay điện 
trường cổng. Điện trường này làm cảm ứng điện tích trong 
bán dẫn ở giao tiếp bán dẫn-oxide.
7Cấu trúc của MOSFET (loại giàu) Si
• Kênh điện tử (loại N) được
cảm ứng trong bán dẫn P do 
các điện tích dương ở cổng.
• Gọi tắt là N-EMOS 
(MOSFET loại giàu kênh N)
• Kênh lỗ (loại P) được cảm 
ứng trong bán dẫn N do các 
điện tích âm ở cổng.
• Gọi tắt là P-EMOS 
(MOSFET loại giàu kênh P)
8Khảo sát định tính về hoạt động của MOSFET
• Ta thấy rõ là tất cả các FET (JFET, MESFET và 
MOSFET) có đặc tuyến ra tương tự nhau. Ta sẽ bàn 
MOSFET loại giàu kênh N (N-EMOS) ở đây.
• Ta phân biệt 3 chế độ điện áp khác nhau cho VDS, cụ thể 
là
(1) VDS = 0,
(2) VDS > 0, và
(3) VDS >> 0.
9(1) VDS rất nhỏ (VDS ≈ 0)
• VGS = 0
Trong trường hợp này, không có dòng DS. Tại sao? Bởi vì ta 
có các tiếp xúc n+pn+, nghĩa là như 2 diode mắc đâu lưng 
nhau, ngược chiều nhau nên ngăn dòng điện DS.
• VGS > 0
Ta có điện áp cổng hơi dương hơn. Đây là chế độ nghèo. 
Các lỗ trong bán dẫn bị đẩy xuống dưới do điện tích dương ở 
cổng. Bán dẫn bị nghèo hạt dẫn tự do và miền nghèo được 
tạo ra.
• VGS >> 0
Ta có điện áp ở cổng rất dương. Đây là chế độ đảo ngược 
(inversion mode). Các điện tử được cảm ứng gần giao tiếp 
oxide-bán dẫn. Có dòng điện tử chạy từ S đến D. Độ lớn của 
điện áp cổng quyết định độ lớn của dòng điện SD.
10
(2) Điện áp DS nhỏ (VDS > 0) và VGS >> 0 (chế độ đảo ngược)
• Điện trường trong miền oxide cao nhất ở đầu nguồn S của 
kênh. Như vậy các điện tử được cảm ứng gần nguồn S. 
• Điện trường trong miền oxide thấp nhất ở đầu máng D của 
kênh. Như vậy có ít điện tử được cảm ứng gần máng D.
• Khi tăng điện áp DS có 2 hiệu ứng:
 ID tăng
 Các có ít điện tử hơn ở đầu máng D của kênh
 ID theo VDS bắt đầu có độ dốc giảm.
11
(3) Điện áp DS lớn (VDS >> 0) vàVGS >> 0 (chế độ đảo ngược)
• Điện trường trong miền oxide cao nhất ở đầu nguồn S của kênh. 
Như vậy có nhiều điện tử ở gần nguồn S.
• Điện trường trong miền oxide rất thấp hoặc zero ở đầu máng D của 
kênh. Như vậy không có điện tử tự do gần máng. Kênh dẫn bị ngẹt
(pinch off).
• Minh họa:
• Các điện tử đi qua miền điện tích không gian của tiếp xúc pn+ bị 
phân cực ngược
Điện tích không gian
dòng máng bão hòa
12
N-EMOS - Mô tả định tính 
p-si
N+ N+ 0 < VG < VTN ; VDS nhỏ hoặc lớn
 không có kênh dẫn, không dòng điện
(VTN = điện áp ngưỡng MOS kênh N)
VG > VTN ; VDS 0
ID tăng theo VDS
VG > VTN; VDS nhỏ, > 0
ID tăng theo VDS , nhưng tốc 
độ tăng bị giảm
VG > VTN; VDS nghẹt (pinch-off)
ID đạt đến giá trị bão hòa, ID,sat 
Giá trị VDS được gọi là VDS,sat
VG > VTN ; VDS > VDS,sat
ID không tăng nữa, 
miền bão hòa.
lớp đảo ngược
miền nghèo
Hình 7.1
13
Đặc tuyến ID-VDS cho N-EMOS 
được suy từ mô tả định tính
Miền 
bão hòa
Miền 
tuyến tính
Hình 7.2
14
Đặc tuyến ID-VDS với N-EMOS kênh dài ( L << L),
với nhiều giá trị khác nhau của VG
VG > VTN
tăng
VG < VTN
Hình 7.3
VG tăng 
• MOSFET kênh dài được định nghĩa là dụng cụ có độ rộng và chiều dài đủ để 
bỏ qua các hiệu ứng cạnh từ 4 phía. 
 Chiều dài kênh L phải lớn hơn nhiều tổng các miền nghèo tại máng và 
nguồn.
• Thực tế: L > 1 m là MOSFET kênh dài và L ≤ 1m là MOSFET kênh ngắn
15
Tụ điện MOS 
Công thoát (Work Function)
• Ái lực điện tử (Electron Affinity) & Công thoát (Work Function)
là các số đo của vật liệu cho biết cần bao nhiêu năng lượng để điện tử
đến được chân không (EVAC) 
Ái lực điện tử: năng lượng cần chuyển điện tử từ EC vào chân không
Công thoát: năng lượng cần chuyển điện tử từ mức Fermi vào chân không
• Công thoát của các vật liệu khác nhau:
VAC Cq E E 
 FCS EEqq  
EVAC
16
Công thoát của một số vật liệu 
Hình 7.4
17
Quy ước về điện áp 
• Xét 2 vật liệu 1 và 2 như hình minh họa ở hình 7.5 với các công thoát 
(work function) φ1 và φ2 tạo nên 1 chuyển tiếp (junction). 
• Ta luôn luôn tham chiếu các điện áp so với vật liệu 2. 
• Thế điện hóa (electrochemical potential) của vật liệu 1 so với vật liệu 2 là 
φ1 − φ2. Từ đó điện áp có sẵn (built-in volatge) của cấu trúc này theo định 
nghĩa là điện áp dùng để đồng chỉnh 2 mức năng lượng:
Vbi = −(φ1 − φ2) 
Điện áp cần đưa vào để tạo nên các dãi phẳng (flat bands) trong chuyển 
tiếp là Vfb = −Vbi.
• Bây giờ ta xét một tụ MOS . Hình 7.6c cho thấy giản đồ năng lượng của 
dụng cụ với phân cực zero trên cấu trúc MOS và V = Vfb được đưa vào vật 
liệu 1 so với vật liệu 2.
• Theo quy ước của chúng ta thì Vbi = −(φm − φs) = −φms
• Trong thí dụ này thì φms âm và dẫn đến Vbi là số dương.Từ đó Vfb = −Vbi 
ta có Vfb = φms . Khi áp dụng vào trường hợp này ta thấy Vfb âm
EF1
EF2
EF
q 1
q 2
q( 1- 2)
-qVbi
18
Hình 7.5
a) Giản đồ năng lượng trước khi tạo thành tiếp xúc:
b) Giản đồ năng lượng sau khi tạo thành tiếp xúc:
EVAC = mức năng lượng chân không
19
Hình 7.6 (1/2)
(b) Giản đồ năng lượng của kim loại được cách ly, oxide, và bán dẫn. Trên hình cho 
thấy công thoát kim loại, công thoát bán dẫn và ái lực điện tử (electron affinity)
(a) Sơ đồ của tụ điện MOS. 
Vbi = −(φm − φs) = −φms
Vfb = −Vbi = φms 
20
Hình 7.6 (2/2)
(c) Giản đồ năng lượng của cấu trúc MOS trong điều kiện cân bằng 
 và trong dải phẳng (flatband)
21
Điện áp dải phẳng Vfb
Điệp áp dải phẳng (Flatband Voltage)
Là điện áp được đưa vào ở cổng sao cho không có bẻ cong dải năng lượng trong bán dẫn
Hình 7.7
22
Hình 7.8: Hiệu số công thoát Kim loại-bán dẫn của 1 số vật 
liệu cổng quan trọng dùng trong dụng cụ MOS. Chú ý dấu 
của φms với 3 kiểu cổng khác nhau cho NMOS và PMOS.
23
Các chế độ phân cực cho tụ MOS
Xuất phát từ vị trí dải phẳng có 3 chế độ phân cực 
quan trọng cho tụ MOS:
1. Tích lũy lỗ (Hole Accumulation): khi phân cực 
âm giữa kim loại và bán dẫn
2. Nghèo (Depletion): khi phân cực dương giữa 
kim loại và bán dẫn
3. Đảo ngược (Inversion): khi phân cực dương giá 
trị đủ lớn giữa kim loại và bán dẫn
24
Tích lũy lỗ (Hole Accumulation)
Tích lũy lỗ (Hole Accumulation):
Nếu phân cực âm được đưa vào giữa kim loại và bán dẫn, các dãi hóa trị sẽ bị 
uốn cong gần với mức Fermi hơn, gây ra sự tích lũy các lỗ ở giao tiếp. Hiệu số 
giữa mức Fermi trong kim loại và bán dẫn là phân cực được áp đặt.
qVG
Hình 7.9
25
Nghèo (Depletion)
Nghèo (Depletion):
Nếu phân cực dương được đưa vào giữa kim loại và bán dẫn, mức Fermi trong kim loại bị 
giảm đi 1 lượng eV so với bán dẫn, làm cho dải hóa trị đi xa mức Fermi bán dẫn, chỗ gần 
giao tiếp. Kết quả là mật độ lỗ gần giao tiếp giảm nhỏ hơn giá trị khối trong bán dẫn loại P. 
Do đó n ~ p ~ 0.
qVG
Hình 7.10
26
Đảo ngược (Inversion)
Nếu phân cực dương ở phía kim loại được tăng thêm nữa, dãi dẫn ở miền oxide-bán dẫn 
tiến gần đến mức Fermi trong bán dẫn. Điều này làm đảo ngược các điện tích tự do từ lỗ 
sang điện tử ở giao tiếp và mật độ điện tử ở giao tiếp bắt đầu tăng. Nếu phân cực dương 
được tăng cho đến khi EC tiến đến sát mức tựa Fermi điện tử gần chỗ giao tiếp, mật độ 
điện tử trở nên rất cao và bán dẫn gần chỗ giao tiếp có tính chất điện của bán dẫn loại N. 
Dụng cụ có thể được chuyển từ chế độ nghèo (OFF) sang chế độ đảo ngược (ON) và kết 
quả là có thể điều chế dòng điện bằng phân cực cổng. 
qVG
Hình 7.11
27
Hình 7.12: Sơ đồ phân 
bố điện tích, điện trường, 
và điện thế tĩnh điện 
trong tụ MOS lý tưởng ở 
chế độ đảo ngược. Một 
khi đảo ngược bắt đầu, 
bề rộng miền nghèo W 
không tăng nữa do mật 
độ điện tử tự do cao ở 
miền giao tiếp.
28
Đặc tuyến điện dung-điện áp của cấu trúc MOS (1/2)
Mô hình điện dung tương đương đơn giản cho cấu trúc MOS
Điện dung trên 1 đơn vị diện tích
Tụ MOS 
Hình 7.13
29
Capacitance-Voltage Characteristics
30
31
32
Đặc tuyến điện dung-điện áp của cấu trúc MOS (2/2)
Sự phụ thuộc tiêu biểu của điện dung MOS với điện áp.
Đường cong (i) cho tần số thấp và đường cong (ii) cho tần số cao.
Tần số thấp
Tần số caoTích lũy
Miền tích lũy
Dải phẳng
Nghèo Đảo ngược
yếu
Đảo ngược
mạnh
Đảo ngược
Hình 7.14
33
Hoạt động của N-EMOS
34
Điệp áp ngưỡng của tụ MOS lý tưởng
• Điện tích tổng cộng của dụng cụ MOS (hay bất kỳ dụng 
cụ nào) là zero.
• Như vậy với trung hòa điện tích cần có:
Với QM2D=điện tích kim loại, QS2D=điện tích bán dẫn, 
QD2D=điện tích miền nghèo, và Qn2D=điện tích điện tử. 
Q2D= điện tích trên 1 đơn vị diện tích
QD2D= -qNAWD (WD=bề rộng miền nghèo)
2 2 2 2( )D D D DM S D nQ Q Q Q 
35
Sụt áp trên tụ MOS là
với
Chú ý:
với
Điện dung
Điện dung trên đơn vị diện tích
Diện tích
Ở ngưỡng, kênh điện tử được cảm ứng tại giao tiếp O-S. Điều 
này xảy ra khi bắt đầu có đảo ngược mạnh
36
Khi bắt đầu đảo ngược mạnh:
Thay các phương trình (23) (25) vào (19) và (21) cho 
Như vậy điện áp ngưỡng VTH là tổng của sụt áp trong oxide và trong bán dẫn khi 
bắt đầu có đảo ngược mạnh. Pt (26) áp dụng cho cấu trúc MOS lý tưởng.
q
q
37
Điện dụng của tụ MOS lý tưởng
Điện dung của tụ oxide:
Điện dung của miền nghèo
Ta có 2 tụ mắc nối tiếp, như vậy điện dung tổng cộng là:
38
Hình sau cho ta thấy đường cong CMOS2D-V. Chú ý là WD phụ thuộc vào V.
39
Bàn về đường cong CMOS2D theo V
Tích lũy
Lỗ được tích lũy tại giao tiếp O-S
Nghèo
Độ dày của miền nghèo tăng theo V
Bắt đầu đảo ngược mạnh
40
Tần số thấp
Kênh đảo ngược được tạo ra tại giao tiếp O-S
Tần số cao
Các cặp điện tử-lỗ được sinh ra quá chậm không theo kịp tín 
hiệu AC của mạch đo
41
Tụ MOS thực tế
Tổng quát, có hiệu công thoát giữa kim loại và bán dẫn. 
Nghĩa là 
Hiệu công thoát 
Thường có các điện tích bị bẫy vào oxide, thí dụ các ion Na+. Các điện tích 
oxide tạo ra điện áp
42
Giản đồ năng lượng với và
Không có điện 
áp đưa vào
Trường hợp dải phẳng,
có điện áp đưa vào
Mức chân không
Mức chân không
43
(Điện áp dải phẳng)
Cộng các phương trình (32) và (33) cho
Với QOX là điện tích dương hiệu dụng tại giao tiếp O-S
(Điện áp ngưỡng)
Phương trình (26) đúng cho cấu trúc MOS lý tưởng. Trong trường hợp cấu 
trúc MOS thật, ta phải kể đến các hiệu ứng của hiệu công thoát và điện tích 
oxide. Điện áp ngưỡng của cấu trúc MOS thật là:
44
Hoạt động của MOSFET
Với QM2D = điện tích kim loại (metal charge), QS2D = điện tích 
bán dẫn, QD2D = điện tích miền nghèo, và Qn2D = điện tích 
điện tử.
Q2D = điện tích/đơn vị diện tích
45
46
Sự xấp xĩ kênh dẫn biến đổi đều
Hình 7.15
47
48
49
50
51
Hỗ dẫn
52
Tóm tắt cách tìm quan hệ dòng và áp trong N-EMOS
 (4.2)oxox
ox
C
t

12 11
03.9 3.9 8.854 10 3.45 10 F/mox 
( ) ( ) V (4.3)ox GS tdq C Wdx x  
( )
( ) ( )
d x
E x E V
dx

 
( )
( ) (4.4)n n
dx d x
E x
dt dx

  
dq dq dx
i
dt dx dt
( )
( ) Vn ox GS t
d x
i C W x
dx

   
( )
( ) VD n ox GS t
d x
i i C W x
dx

   
V ( ) ( )D n ox GS ti dx C W x d x    
0 0
V ( ) ( )
DSL
D n ox GS ti dx C W x d x

    
21( ) ( V ) (4.5)
2D n ox GS t DS DS
W
i C
L
    
21 ( ) ( V ) (4.6)
2D n ox GS t
W
i C
L
  
 (4.7)n n oxk C 
21 ( V ) (saturation region) (4.6a)
2D n GS t
W
i k
L
 
21( V ) (Triode region) (4.5a)
2D n GS t DS DS
W
i k
L
   
Khi vào miền bão hòa, υDS= υGS - Vt
: Aspect ratio of the MOSFET
W
L
 (4.2)oxox
ox
C
t

Q CV 
(Tỉ số hình dạng của MOSFET)
(2)
(1)
(3)
(4)
(5)
(6)
(5a)
(6a)
(7) (2)
53
Tóm tắt: N-EMOS trong miền tuyến tính và bão hòa
Dòng máng trong miền tuyến tính
Với 
Dòng máng trong miền bão hòa
Với 
Cox
Cox
VTN
VTN
VTN
VTN
VTN = VTH của N-EMOS
TD: Đặc tuyến I-V của N-EMOS 
2N7000 / 2N7002 / NDS7002A
với VTN=2.1V
54
Đặc tuyến ra ID=f(VDS) khi VGS=const
Đặc truyền đạt ID=f(VGS) khi VDS=const
MOSFET loại giàu và loại nghèo
• MOSFET loại giàu (Enhancement MOSFET): 
Khi MOSFET không có kênh dẫn với VG=0, còn được gọi là 
chế độ giàu, ta đặt vào điện áp ở cổng để tạo nên kênh dẫn
(ON). Đây là loại MOSFET thường dùng trong IC.
• MOSFET loại nghèo (Enhancement MOSFET): 
Khi MOSFET phải có kênh dẫn với VG=0, còn được gọi là 
chế độ nghèo, ta đặt vào điện áp ở cổng để làm tắt kênh 
dẫn (OFF). 
55
56
Các ký hiệu của MOSFET
N-EMOSP-EMOS N-DMOSP-DMOS
57
Tóm tắt đặc tuyến các loại MOSFET
58
Một số đặc tính không lý tưởng
• Điều chế chiều dài kênh dẫn 
 (Channel-length modulation)
• Hiệu ứng thân (Body effect)
• Sự bão hòa vận tốc (Velocity saturation)
59
60
61
62
63
Một số đặc tính không lý tưởng của MOSFET 
(Xét N-EMOS ở miền bão hòa)
• Điều chế chiều dài kênh dẫn: tương tự hiệu ứng Early trong BJT, 
khi tăng VDS thì điểm nghẹt dịch chuyển về miền nguồn, dẫn đến 
chiều dài kênh dẫn hiệu dụng nhỏ hơn hay dòng ID tăng lên. Khi đó 
phương trình dòng điện máng có dạng
với  = 1/ VA và VA là điện áp Early
• Hiệu ứng thân: khi tăng VSB làm điện áp ngưỡng VTN tăng ảnh 
hưởng đặc tuyến I-V.
• Ảnh hưởng của nhiệt độ: khi T tăng VTN và độ linh động giảm 
 dòng ID giảm
• Sự bão hòa vận tốc: khi kích thước transistor giảm, độ dày làm 
oxide mỏng hơn vận tốc điện tử bão hòa và lúc phương trình 
dòng ID: 
với =1 2, tùy theo công nghệ.
 21 1
2D n ox GS TN DS
W
I C V V V
L
  
 1
2D n ox GS TN
W
I C V V
L
 
64
65
66
67
68
The Field Effect Transistor
A more Advanced Look at the n-channel MOS (enhancement type): NMOS
These are some of the basis of
IC designs. W/L is important in
Scaling transistor sizes. Latest
Technology has L = 45 nm