白底+9第9章MOS场效应晶体管

1、前言，1第九章第九章MOS场效应晶体管 9-1， MOS 管基本原理 9-2， MOS 管的电学参数1阈值电压 9-3，电流方程 9-4，其他电学参数前言，2第九章第九章Mos场效应场效应晶体管原理原理 参考书： 双极型与MOS半导体器件原理 黄均鼎 汤庭鳌 编著 复旦大学出版社 晶体管原理 半导体器件电子学（英文版） 美国，R.M.Warner, 电子工业出版社2000-9-20VLSI CAD, CHP.039-1 MOS晶体管工作原理 9-1-1 MOS晶体管的结构特点和基本原理 9-1-2 MOS晶体管的阈值电压分析 9-1-3 MOS晶体管的电流方程 9-1-4 MOS晶体管的瞬态特

2、性2000-9-20VLSI CAD, CHP.049-1，MOS晶体管工作原理 1-1 MOS晶体管的结构特点和基本原理 1-2 MOS晶体管的阈值电压分析 1-3 MOS晶体管的电流方程 1-4 MOS晶体管的瞬态特性补充：1-5 MOS晶体管的其它电学参数12000-9-20VLSI CAD, CHP.059-1-1 MOS晶体管的基本结构 MOS晶体管- MOSFET,金属-氧化物-半导体场效应晶体管 基本结构：源区，漏区，沟道区,图1-1-2，图1-1-1, 主要结构参数： 沟道长度（1-1-2,栅极图形沟道长度poly,实际沟道长度S-D） 沟道宽度W(1-1-3, W= W1 +

3、W2 +W3) 栅氧化层厚度tox 源漏区结深 Xj （见图1-1-1 ）VLSI CAD, CHP.061-1-1 MOS晶体管的基本结构 MOS晶体管: 金属-氧化物-半导体场效应晶体管MOSFET 基本结构： 栅,源区 ,漏区,沟道区 主要结构参数： 沟道长度L 沟道宽度W 栅氧化层厚度tox 源漏区结深 Xj2000-9-20VLSI CAD, CHP.079-1-1 MOS晶体管的基本结构 MOS晶体管- MOSFET,金属-氧化物-半导体场效应晶体管 基本结构：源区，漏区，沟道区,图1-1-2，图1-1-1, 主要结构参数： 沟道长度（1-1-2,栅极图形沟道长度poly,实际沟道

4、长度S-D） 沟道宽度W(1-1-3, W= W1 +W2 +W3) 栅氧化层厚度tox 源漏区结深 Xj （见图1-1-1 ）VLSI CAD, CHP.081-1-2 MOS管基本工作原理 工作原理-栅压控制器件 Vgs=0，截止 0 Vgs V t 开启 情况情况1：Vds=0 情况情况2： Vds0 转移特性曲线 (漏级电流，栅压，漏压，阈值电压） 输出特性曲线(I-V曲线)截止区，线性区，饱和区，击穿区问题：为什么MOS晶体管也叫单极晶体管？ 三维能带图VLSI CAD, CHP.09VLSI CAD, CHP.010 MOS晶体管的分类 按导电类型： NMOS管： N沟道 MOS晶

5、体管 PMOS管： P沟道 MOS晶体管 按工作机制分： 增强型器件：（也叫常截止器件） 耗尽型器件：（也叫常导通器件） 图1-1-7VLSI CAD, CHP.011分类2000-9-20VLSI CAD, CHP.0129-1-2 MOS管基本工作原理 工作原理-栅压控制器件 (1-1-4能带图) Vgs=0，截止 0 Vgs V t （图1-3-3）开启 情况情况1：Vds=0 情况情况2： Vds0 转移特性曲线（图1-1-5，漏级电流，栅压，漏压，阈值电压） 输出特性曲线-I-V曲线 （图1-1-6，截止区，线性区，饱和区，击穿区） 问题：为什么MOS晶体管也叫单极晶体管？ 2000

6、-9-20VLSI CAD, CHP.0139-1-3 MOS晶体管的分类 按导电类型： NMOS管： N沟道 MOS晶体管 PMOS管： P沟道 MOS晶体管 按工作机制分： 增强型器件：（也叫常截止器件） 耗尽型器件：（也叫常导通器件） 图1-1-92000-9-20VLSI CAD, CHP.0149-1-4 MOS晶体管的结构特点 结构简单面积小-便于集成 输入阻抗很高-级间可以直接耦合 源漏对称-电路设计灵活 有效工作区集中在表面，和衬底隔离 2000-9-20VLSI CAD, CHP.0159-2 MOS管的阈值电压分析 阈值电压定义：使沟道区源端半导体表面达到强反型所需要的栅压

7、。 阈值电压V t：决定MOS管状态的关键。 Vgs V t：导通态。 2000-9-20VLSI CAD, CHP.0169-2-1 影响阈值电压的因素 定义：V t= Vgs |表面强反型时表面强反型时 表达式：V t= V FB+2F-QBm/Cox 电压降在平带电压，强反型电压，栅氧化层 计算：将公式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影响V t的基本因素 1，材料： 金属类型MS ，氧化层中的电荷QOX 半导体沟道区掺杂浓度NA 半导体材料参数 ni ; i i 2，氧化层厚度：越厚则阈值电压越大 衬底参杂高，则阈值电压越大 3，温度：温度上升，阈值电压下降 4，和器件的横向尺寸无关 调整考虑： 降低。以便降低芯片耗电。 控制器件类型 平衡对偶器管子（CMOS）2000-9-20VLSI CAD, CHP.0199-2-2 体效应对阈值电压的影响Vbs不是0时，产生体效应。 例：对 nmos管 Vbs =VDSAT21)( 2DSDSTGSDV-V-VVI -VVV

9、TGSDsat CLWoxoff2000-9-20VLSI CAD, CHP.027简单方程2000-9-20VLSI CAD, CHP.028夹断现象2000-9-20VLSI CAD, CHP.0299-3-3 饱和区沟道长度调制效应 现象：图1-3-9，实际IV特性饱和区电流不饱和 原因：图1-3-8 对电流方程的修正：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沟道长度调制效应20

10、00-9-20VLSI CAD, CHP.0319-4 MOS晶体管的瞬态特性 9-4- 1 MOS晶体管的本征电容 定义：由沟道区内的耗尽层电荷和反型层电荷随外电压变化引起的电容。 9-4- 2 MOS晶体管的寄生电容 源漏区PN结电容：CjSB、CjDB，图1-4-6 覆盖电容： CGS、CGD, 图1-4-9, CGB,图1-4-9, 9-4- 3 MOS晶体管瞬态分析的等效电路* 大信号瞬态模型：图1-4-10 简化模型：图1-4-11 9-4- 4 MOS晶体管的本征频率* 本征频率fM , 是晶体管的最高工作频率 结论：频率和沟道长度的平方成反比：L下降，速度提高。2000-9-2

11、0VLSI CAD, CHP.0329-4-本征电容，源漏区结电容2000-9-20VLSI CAD, CHP.0339-4-覆盖电容2000-9-20VLSI CAD, CHP.0349-4-大信号瞬态模型，简化模型2000-9-20VLSI CAD, CHP.0359-5 MOS晶体管的其它电学参数1 阈值电压 VT 漏极电流 ID 工作速度 跨导 沟道电阻 其它2000-9-20VLSI CAD, CHP.0369-5 MOS晶体管的其它电学参数2 工作速度 切换时间：电子从源到漏的所需要的时间 公式： = L= L2 2/(/(* *V VDSDS) ) 跨导 Gm = ( dIDS / dVGS )|VDS不变不变 图图1-1-5 沟道电导 Gd =(dIDS / dVDS )|VGS不变不变 图图1-1-62000-9-20VLSI CAD, CHP.0379-5 MOS晶体管的其它电学参数2 导电因子、增益因子导电因子、增益因子n导电因子导电因子K因子、本征导电因子因子、本征导电因子Kn结论：结论：导电因子由导电因子由工艺参数工艺参数 K和设计参数和设计参数 W/L决定。决定。(1.3.22) 21LWCKoxeff(1.3.25) 21 C ,KLWKKoxoff CLWoxoff20