1、前言，1第九章第九章MOS場效應晶體管 9-1， MOS 管基本原理 9-2， MOS 管的電學參數(shù)1閾值電壓 9-3，電流方程 9-4，其他電學參數(shù)前言，2第九章第九章Mos場效應場效應晶體管原理原理 參考書： 雙極型與MOS半導體器件原理 黃均鼎 湯庭鰲 編著 復旦大學出版社 晶體管原理 半導體器件電子學（英文版） 美國，R.M.Warner, 電子工業(yè)出版社2000-9-20VLSI CAD, CHP.039-1 MOS晶體管工作原理 9-1-1 MOS晶體管的結(jié)構(gòu)特點和基本原理 9-1-2 MOS晶體管的閾值電壓分析 9-1-3 MOS晶體管的電流方程 9-1-4 MOS晶體管的瞬態(tài)特

2、性2000-9-20VLSI CAD, CHP.049-1，MOS晶體管工作原理 1-1 MOS晶體管的結(jié)構(gòu)特點和基本原理 1-2 MOS晶體管的閾值電壓分析 1-3 MOS晶體管的電流方程 1-4 MOS晶體管的瞬態(tài)特性補充：1-5 MOS晶體管的其它電學參數(shù)12000-9-20VLSI CAD, CHP.059-1-1 MOS晶體管的基本結(jié)構(gòu) MOS晶體管- MOSFET,金屬-氧化物-半導體場效應晶體管 基本結(jié)構(gòu)：源區(qū)，漏區(qū)，溝道區(qū),圖1-1-2，圖1-1-1, 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)： 溝道長度（1-1-2,柵極圖形溝道長度poly,實際溝道長度S-D） 溝道寬度W(1-1-3, W= W1 +

3、W2 +W3) 柵氧化層厚度tox 源漏區(qū)結(jié)深 Xj （見圖1-1-1 ）VLSI CAD, CHP.061-1-1 MOS晶體管的基本結(jié)構(gòu) MOS晶體管: 金屬-氧化物-半導體場效應晶體管MOSFET 基本結(jié)構(gòu)： 柵,源區(qū) ,漏區(qū),溝道區(qū) 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)： 溝道長度L 溝道寬度W 柵氧化層厚度tox 源漏區(qū)結(jié)深 Xj2000-9-20VLSI CAD, CHP.079-1-1 MOS晶體管的基本結(jié)構(gòu) MOS晶體管- MOSFET,金屬-氧化物-半導體場效應晶體管 基本結(jié)構(gòu)：源區(qū)，漏區(qū)，溝道區(qū),圖1-1-2，圖1-1-1, 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)： 溝道長度（1-1-2,柵極圖形溝道長度poly,實際溝道

4、長度S-D） 溝道寬度W(1-1-3, W= W1 +W2 +W3) 柵氧化層厚度tox 源漏區(qū)結(jié)深 Xj （見圖1-1-1 ）VLSI CAD, CHP.081-1-2 MOS管基本工作原理 工作原理-柵壓控制器件 Vgs=0，截止 0 Vgs V t 開啟 情況情況1：Vds=0 情況情況2： Vds0 轉(zhuǎn)移特性曲線 (漏級電流，柵壓，漏壓，閾值電壓） 輸出特性曲線(I-V曲線)截止區(qū)，線性區(qū)，飽和區(qū)，擊穿區(qū)問題：為什么MOS晶體管也叫單極晶體管？ 三維能帶圖VLSI CAD, CHP.09VLSI CAD, CHP.010 MOS晶體管的分類 按導電類型： NMOS管： N溝道 MOS晶

5、體管 PMOS管： P溝道 MOS晶體管 按工作機制分： 增強型器件：（也叫常截止器件） 耗盡型器件：（也叫常導通器件） 圖1-1-7VLSI CAD, CHP.011分類2000-9-20VLSI CAD, CHP.0129-1-2 MOS管基本工作原理 工作原理-柵壓控制器件 (1-1-4能帶圖) Vgs=0，截止 0 Vgs V t （圖1-3-3）開啟 情況情況1：Vds=0 情況情況2： Vds0 轉(zhuǎn)移特性曲線（圖1-1-5，漏級電流，柵壓，漏壓，閾值電壓） 輸出特性曲線-I-V曲線 （圖1-1-6，截止區(qū)，線性區(qū)，飽和區(qū)，擊穿區(qū)） 問題：為什么MOS晶體管也叫單極晶體管？ 2000

6、-9-20VLSI CAD, CHP.0139-1-3 MOS晶體管的分類 按導電類型： NMOS管： N溝道 MOS晶體管 PMOS管： P溝道 MOS晶體管 按工作機制分： 增強型器件：（也叫常截止器件） 耗盡型器件：（也叫常導通器件） 圖1-1-92000-9-20VLSI CAD, CHP.0149-1-4 MOS晶體管的結(jié)構(gòu)特點 結(jié)構(gòu)簡單面積小-便于集成 輸入阻抗很高-級間可以直接耦合 源漏對稱-電路設計靈活 有效工作區(qū)集中在表面，和襯底隔離 2000-9-20VLSI CAD, CHP.0159-2 MOS管的閾值電壓分析 閾值電壓定義：使溝道區(qū)源端半導體表面達到強反型所需要的柵壓

7、。 閾值電壓V t：決定MOS管狀態(tài)的關鍵。 Vgs V t：導通態(tài)。 2000-9-20VLSI CAD, CHP.0169-2-1 影響閾值電壓的因素 定義：V t= Vgs |表面強反型時表面強反型時 表達式：V t= V FB+2F-QBm/Cox 電壓降在平帶電壓，強反型電壓，柵氧化層 計算：將公式1-1-3到1-2-8代入上式2000-9-20VLSI CAD, CHP.017) 1 . 2 . 1 ( 2oxBmFBTFCQVV) 2 . 2 . 1 ( lniFnqk0FBmA2(2)SiQ- qN(1.2.6) CQ-VOXOXMSFB(1.2.5) 0 tCoxoxox20

8、00-9-20VLSI CAD, CHP.0189-2-1影響V t的基本因素 1，材料： 金屬類型MS ，氧化層中的電荷QOX 半導體溝道區(qū)摻雜濃度NA 半導體材料參數(shù) ni ; i i 2，氧化層厚度：越厚則閾值電壓越大 襯底參雜高，則閾值電壓越大 3，溫度：溫度上升，閾值電壓下降 4，和器件的橫向尺寸無關 調(diào)整考慮： 降低。以便降低芯片耗電。 控制器件類型 平衡對偶器管子（CMOS）2000-9-20VLSI CAD, CHP.0199-2-2 體效應對閾值電壓的影響Vbs不是0時，產(chǎn)生體效應。 例：對 nmos管 Vbs =VDSAT21)( 2DSDSTGSDV-V-VVI -VVV

9、TGSDsat CLWoxoff2000-9-20VLSI CAD, CHP.027簡單方程2000-9-20VLSI CAD, CHP.028夾斷現(xiàn)象2000-9-20VLSI CAD, CHP.0299-3-3 飽和區(qū)溝道長度調(diào)制效應 現(xiàn)象：圖1-3-9，實際IV特性飽和區(qū)電流不飽和 原因：圖1-3-8 對電流方程的修正：在下式中off oxeffWC L(1.3.26) L LLeff (1.3.27) V LLDS(1.3.28) )1 ( VLLDSeff(1.3.29) )1 ()(2DSTGSDV -VVKI2000-9-20VLSI CAD, CHP.030溝道長度調(diào)制效應20

10、00-9-20VLSI CAD, CHP.0319-4 MOS晶體管的瞬態(tài)特性 9-4- 1 MOS晶體管的本征電容 定義：由溝道區(qū)內(nèi)的耗盡層電荷和反型層電荷隨外電壓變化引起的電容。 9-4- 2 MOS晶體管的寄生電容 源漏區(qū)PN結(jié)電容：CjSB、CjDB，圖1-4-6 覆蓋電容： CGS、CGD, 圖1-4-9, CGB,圖1-4-9, 9-4- 3 MOS晶體管瞬態(tài)分析的等效電路* 大信號瞬態(tài)模型：圖1-4-10 簡化模型：圖1-4-11 9-4- 4 MOS晶體管的本征頻率* 本征頻率fM , 是晶體管的最高工作頻率 結(jié)論：頻率和溝道長度的平方成反比：L下降，速度提高。2000-9-2

11、0VLSI CAD, CHP.0329-4-本征電容，源漏區(qū)結(jié)電容2000-9-20VLSI CAD, CHP.0339-4-覆蓋電容2000-9-20VLSI CAD, CHP.0349-4-大信號瞬態(tài)模型，簡化模型2000-9-20VLSI CAD, CHP.0359-5 MOS晶體管的其它電學參數(shù)1 閾值電壓 VT 漏極電流 ID 工作速度 跨導 溝道電阻 其它2000-9-20VLSI CAD, CHP.0369-5 MOS晶體管的其它電學參數(shù)2 工作速度 切換時間：電子從源到漏的所需要的時間 公式： = L= L2 2/(/(* *V VDSDS) ) 跨導 Gm = ( dIDS / dVGS )|VDS不變不變 圖圖1-1-5 溝道電導 Gd =(dIDS / dVDS )|VGS不變不變 圖圖1-1-62000-9-20VLSI CAD, CHP.0379-5 MOS晶體管的其它電學參數(shù)2 導電因子、增益因子導電因子、增益因子n導電因子導電因子K因子、本征導電因子因子、本征導電因子Kn結(jié)論：結(jié)論：導電因子由導電因子由工藝參數(shù)工藝參數(shù) K和設計參數(shù)和設計參數(shù) W/L決定。決定。(1.3.22) 21LWCKoxeff(1.3.25) 21 C ,KLWKKoxoff CLWoxoff20