半导体集成电路-07MOS反相器-MOS晶体管

2023/2/4半导体集成电路2023/2/4MOSFET晶体管2023/2/4MOS晶体管本节课主要内容

器件结构电流方程电流电压特性衬底偏压效应短沟道效应MOSFET的电容MOSFET的导通电阻2023/2/4MOSFETMOS晶体管的动作

MOS晶体管实质上是一种使电流时而流过，时而切断的开关n+n+p型硅基板栅极绝缘层（SiO2）半导体基板漏极源极N沟MOS晶体管的基本结构MOSFET的基本结构2023/2/4MOS晶体管的符号源极(S)漏极(D)栅极(G)源极(S)漏极(D)栅极(G)VDID非饱和区饱和区VGNMOSPMOS源极(S)漏极(D)栅极(G)(a)(b)NMOSPMOS源极(S)漏极(D)栅极(G)2023/2/4非饱和区的电流方程2023/2/4饱和区的电流方程MOS晶体管L’沟道长度调制效应2023/2/4VDSID非饱和区饱和区VDSsat=VGS-VTHn+n+p型硅基板GSD非饱和区的电流方程:饱和区的电流方程:记住2023/2/4ID(0<VDS<VGS-VTH)(0<VGS-VTH<VDS)NMOS晶体管的I/V特性-1VDSID非饱和区饱和区VDSsat=VGS-VTH2023/2/4漏极栅极源极SiO2WLmnCoxWLmn：为Si中电子的迁移率

Cox:为栅极单位电容量W:为沟道宽L:为沟道长CoxCox=eox/tOX常令Kn’＝mnCox,Kp’＝mpCox导电因子2023/2/4VTH影响MOS晶体管特性的几个重要参数

MOS晶体管的宽长比（W/L)

MOS晶体管的开启电压VTH

栅极氧化膜的厚度tox沟道的掺杂浓度（NA)衬底偏压（VBS)VTHVTHNMOS的IDS-VDS特性（沟道长>1mm)饱和区非饱和区1.0V1.5V2.0V2.5VIDSVDSVGS2023/2/4PMOS的IDS-VDS特性（沟道长>1mm)2023/2/4MOS管的电流解析方程（L〉1mm)工艺参数ID(0<VDS<VGS-VTH)(0<VGS-VTH<VDS)沟道长度调制系数VTH阈值电压2023/2/4源极(S)漏极(D)栅极(G)VGVDIDnMOS晶体管的I-V特性VTHIDVG增强型（E)VTHIDVG耗尽型(D)NMOS晶体管的I/V特性-2（转移特性）VTHVTHIDVGIDVG增强型（E)耗尽型(D)NMOS的ID-VG特性(转移特性）VGS=0阈值电压的定义饱和区外插VTH在晶体管的漏源极加上接近电源VDD的电压，画出VGS-IDS的关系曲线，找出该曲线的最大斜率，此斜率与X轴的交点定义为阈值电压。以漏电流为依据定义VTH在晶体管的漏源极加上接近电源VDD的电压，画出VGS-Log(IDS)的关系曲线，从该曲线中找出电流为1微安时所对应的VGS定义为阈值电压。MOS晶体管2023/2/4MOS管的跨导gm（饱和区）表征电压转换电流的能力2023/2/4衬底偏压效应通常衬底偏压VBS=0,即NMOS的衬底和源都接地，PMOS衬底和源都接电源。衬底偏压VBS<0时，阈值电压增大。MOS晶体管VBS(V)MOS管短沟道效应IDS正比于

W/L,L要尽可能小当沟道长度变短到可以与源漏的耗尽层宽度相比拟时，发生短沟道效应。栅下耗尽区电荷不再完全受栅控制，其中有一部分受源、漏控制，并且随着沟道长度的减小，受栅控制的耗尽区电荷不断减少，因此，只需要较少的栅电荷就可以达到反型，使阈值电压降低MOS晶体管2023/2/4载流子的饱和速度引起的EarlySaturation微小MOS晶体管沟道长小于1微米时，NMOS饱和

NMOS和PMOS的饱和速度基本相同

PMOS不显著饱和早期开始2023/2/4短沟道MOS晶体管电流解析式微小MOS晶体管2023/2/4微小MOS晶体管的静态特性(沟道长小于1mm)微小MOS晶体管NMOS当VDSAT=1V,速度饱和PMOS迁移率是NMOS的一半一般没有速度饱和2023/2/4MOSFET的电容GateCgCgdCgsCjCjCdSUBGSDRSCGSCGDCGBRGRDCDBCSBBMOSFET的电容决定其瞬态特性寄生电阻与管子的导通电阻（数十KW）相比，通常可以忽略不计例如：

栅极电容

CGS,CGD,CGB

(各为1.0fF)

漏源电容

CDB,CSB

(各为0.5fF)

栅极电阻

RG

(40W)

源漏电阻

RD,RS

(各1W)MOS寄生元素2023/2/4MOSFET栅极电容GateP_SUBn+Sn+DCGCCGDOCGSOCGSO和CGDO—交叠电容，由源漏横向扩散形成，值一定大多数情况下，忽略电压的影响，CGC近似为CoxWL。根据MOSFET的工作区域，CGC分配给CGD,CGS和CGB。2023/2/4GateP_SUBn+Sn+DCGCCGDOCGSO截止(VGS<VTH)MOSFET栅极电容(cont.)截止区：沟道未形成，CGD=CGS=0,CGB=CGC≈CoxWL2023/2/4MOSFET栅极电容(cont.)非饱和区：沟道形成，相当于D、S连通，CGD=CGS≈(1/2)CoxWLCGB=0GateP_SUBn+Sn+DCGCCGDOCGSO非饱和区(VGS>VTH,VDS<VGS-VTH)2023/2/4MOSFET栅极电容(cont.)饱和区：漏端沟道夹断，CGB=0，CGD=0CGS≈(2/3)CoxWL

GateP_SUBn+Sn+DCGCCGDOCGSO饱和区(VGS>VTH,VDS>VGS-VTH)2023/2/4MOS晶体管的扩散(PN结)电容MOSFET的导通电阻源极：载流子（电子）的供给源漏极：载流子（电子）的排出口D：漏极S：源极G：栅极B：衬底DSG电流IDS导通电阻：10KW/mm2SP+N+N+P衬底(Si)G(0~VDD)DB(0V)电子电流电流VDD:0.25mm的管子为2.5V0.18mm的管子为1.8V导通截至阈值电压:VTH≒0.2VDD(e.g.0.4V)0V2023/2/4MOS晶体管的导通电阻2023/2/4导通电阻是一个非线性电阻，与器件的工作状态有关,平均电阻一般取0.75R0在非饱和区，导通电阻近似为线性电阻