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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，1 第九章Mos场效应晶体管原理 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 前言，2 9-1 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晶体管的瞬态特性 2000-9-203VLSI CAD, CHP.0 9-1，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1 2000-9-204VLSI CAD, CHP.0 9-1-1 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 +W2 +W3) 栅氧化层厚度tox 源漏区结深 Xj （见图1-1-1 ） 2000-9-205VLSI CAD, CHP.0 9-1-2 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 V t （图1-3-3）开启 情况1：Vds=0 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？ 2000-9-206VLSI CAD, CHP.0 9-1-3 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1-1-9 2000-9-207VLSI CAD, CHP.0 9-1-4 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 2000-9-208VLSI CAD, CHP.0 9-2 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。 阈值电压V t：决定MOS管状态的关键。 Vgs V t：导通态。 2000-9-209VLSI CAD, CHP.0 9-2-1 影响阈值电压的因素 定义：V t= Vgs |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 2000-9-2010VLSI CAD, CHP.0 2000-9-2011VLSI CAD, CHP.0 9-2-1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 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） 2000-9-2012VLSI CAD, CHP.0 9-2-2 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 =VDSAT 2000-9-2020VLSI CAD, CHP.0 简单方程 2000-9-2021VLSI CAD, CHP.0 夹断现象 2000-9-2022VLSI CAD, CHP.0 9-3-3 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 2000-9-2023VLSI CAD, CHP.0 沟道长度调制效应 2000-9-2024VLSI CAD, CHP.0 9-4 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 。 2000-9-2025VLSI CAD, CHP.0 9-4-本征电容，源漏区结电容 2000-9-2026VLSI CAD, CHP.0 9-4-覆盖电容 2000-9-2027VLSI CAD, CHP.0 9-4-大信号瞬态模型，简化模型 2000-9-2028VLSI CAD, CHP.0 9-5 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 2000-9-2029VLSI CAD, CHP.0 9-5 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： = L2/(*VDS) 跨导 Gm = ( dIDS / dVGS )|VDS不变 图1-1-5 沟道电导 Gd =(dIDS / dVDS )|VGS不变 图1-1-6 2000-9-2030VLSI CAD, CHP.0 9-5 MOS晶体管的其它电学参数2 导电因子、增益因子 n导电因子K因子、本征导电因子K n结论：导电因子由工艺参数 K和设计参数 W/L 决定。 2000-9-2031VLSI CAD, CHP.0 第九章小结 MOS晶体管的结构特点和基本原理 MOS晶体管的阈值电压和影响因素 MOS晶体管的简单电流方程和输出