第5章MOS反相器-MOS晶体管

1、夏炜炜夏炜炜扬州大学物理科学与技术学院扬州大学物理科学与技术学院E-mail：2021-7-7 MOSFET晶体管晶体管2021-7-7q MOS晶体管晶体管本节课主要内容本节课主要内容2021-7-7MOSFETMOS晶体管的动作晶体管的动作 MOS晶体管实质上是一种使晶体管实质上是一种使电流时而流过，时而切断的电流时而流过，时而切断的n+n+p型硅基板型硅基板栅极栅极绝缘层（绝缘层（SiO2）半半导导体体基基板板漏极漏极源极源极MOSFET的基本结构的基本结构2021-7-7源极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)源极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)VDID非饱和区非饱和区饱和区饱

2、和区VGNMOSPMOS源极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)(a)(b)NMOSPMOS源极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)2021-7-72021-7-7非饱和区的电流方程非饱和区的电流方程DSGSTHVVVTGSVV)(xV(0) 0, ( )( )( )DSoxGSTHVV LVQ xWCVVV xTGSVVox()()GGSTGSTWLQC VVVVt( ) ,dVIQ xEdx ( )DSoxGSTHdVIWCVVV xdx00( )DSV VLDSoxGSTHxVIdxWCVVV x dV21()2DSoxGSTHDSDSWICVVVVL2021-7-7饱和区的电流方程

3、饱和区的电流方程 MOS晶体管00( )GSTHVVLDSoxGSTHxVIdxWCVVV x dV21()2DSoxGSTHWICVVLDSGSTHVVVTGSVVL沟道长度调制效应沟道长度调制效应2021-7-7VDSID非饱和区非饱和区饱和区饱和区VDSsat=VGS-VTHn+n+p型硅基板型硅基板GSD21()2DSoxGSTHDSDSWICVVVVL非饱和区的电流方程非饱和区的电流方程:21()2DSoxGSTHWICVVL饱和区的电流方程饱和区的电流方程:记住记住2021-7-7VDSID非饱和区非饱和区饱和区饱和区VDSsat=VGS-VTHID(0VDSVGS-VTH)(0

4、VGS-VTH VDS)21()2DSoxGSTHDSDSWICVVVVL21()2DSoxGSTHWICVVLNMOS晶体管的I/V特性-12021-7-7漏极栅极源极SiO2WL nCoxWL n ：为为Si中电子的迁移率中电子的迁移率 Cox : 为栅极单位电容量为栅极单位电容量W : 为沟道宽为沟道宽L : 为沟道长为沟道长CoxCox= ox/tOX常令常令 Kn nCox , Kp pCoxLWCKoxnn21LWCKoxpp21导电因子导电因子2021-7-7MOS晶体管的阈值电压晶体管的阈值电压-1EcEiEFEiEVVG=VFB(=0)+VG0+EcEiEFEiEVVoxsV

5、GEFmwEFmEcEiEFEiEVVGwmaxVGVTH+最大耗尽层最大耗尽层EFm2021-7-7MOS晶体管的阈值电压晶体管的阈值电压-2反型层反型层感应电子感应电子VGVTH+EFmEcEiEFEiEVVGwmax最大耗尽层最大耗尽层VoxfssOXGVVfoxsOXtC0OXOXSVCQWqNQADOXAOXSOXCWqNCQVAssqNWf02sAsOXqNCf021ssAsOXGqNCVff0212021-7-7MOS晶体管的阈值电压晶体管的阈值电压-3FOXDFFAsOXTHCQqNCVfff22)2(210EFEiEcEVfFfs =2fFEcEiEFEiEVVG=VFB(=

6、0)+VFB0FOXDFBTHCQVVf2EFm2021-7-7MOS晶体管的阈值电压晶体管的阈值电压-4FOXDFBTHCQVVf2荷二氧化硅中的固定正电半导体功函数的差金属/FBVOXSSmsFBCQVfFOXDOXSSmsTHCQCQVff2012(2)2SSTHmssAFFOXOXQVqNCC (2)2SSTHmsFFOXQVCAsOXqNC0212021-7-7VGVTH+最大耗尽层最大耗尽层Voxfs(2)2SSTHmsFFOXQVCVBSfsVBS(2)2SSTHmsFBSFOXQVVC2021-7-7(2)2SSTHmsFBSFOXQVVCAsOXqNC021ID(0VDSVG

7、S-VTH)(0 VGS-VTH 1 m)1.0V1.5V2.0V2.5VIDSVDSVGS2021-7-7PMOS的的IDS-VDS特性特性（沟道长（沟道长1 m)2021-7-7MOS管的电流解析方程（管的电流解析方程（L1 m)ID(0VDSVGS-VTH)(0 VGS-VTH VDS)(22DSDSTHGSnDSVVVVKI)1 ()(2DSTHGSnDSVVVKI 沟道长度调制系数沟道长度调制系数VTH 阈值电压阈值电压LWCKoxnn212021-7-7源极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)VGVDIDnMOS晶体管的晶体管的I-V特性特性VTHIDVG增强型（增强型（E)VT

8、HIDVG耗尽型耗尽型(D)NMOS晶体管的晶体管的I/V特性特性-2（转移特性）（转移特性）VTHVTHIDVGIDVG增强型（增强型（E)耗尽型耗尽型(D)TGSVVNMOS的的ID-VG特性特性(转移特性）转移特性）VGS=0阈值电压的定义阈值电压的定义 MOS晶体管2021-7-7MOS管的跨导管的跨导gm（饱和区）饱和区）)(THGSoxnVGSDmVVLWCVIgDS常数表征电压转换电流的能力表征电压转换电流的能力2021-7-7衬底偏压效应衬底偏压效应 MOS晶体管VBS(V) MOS管短沟道效应管短沟道效应 I IDS DS 正比于正比于 W/L, LW/L, L要尽可能小要尽

9、可能小当沟道长度变短到可以与源漏当沟道长度变短到可以与源漏的耗尽层宽度相比拟时，发生短的耗尽层宽度相比拟时，发生短沟道效应。沟道效应。栅下耗尽区电荷不再完全受栅栅下耗尽区电荷不再完全受栅控制，其中有一部分受源、漏控控制，其中有一部分受源、漏控制，并且随着沟道长度的减小，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，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，使阈值电压降低以达到反型，使阈值电压降低 MOS晶体管DSGSTHVVVGSV2021-7-7短沟道短沟道MOSFET长沟道长沟道MOSFET“漏致势垒降低漏致势垒降低”(D

10、rain-Induced Barrier Lowering, DIBL) 2021-7-7载流子的饱和速度引起的载流子的饱和速度引起的 Early Saturation微小MOS晶体管2021-7-7速度饱和效应速度饱和效应 (V/m)n (m/s)sat =105Constant velocityConstant mobility(slope = ) c=n 引起速度饱和效应的主要原因引起速度饱和效应的主要原因l 速度饱和速度饱和 散射引起散射引起载流子的速度饱和载流子的速度饱和 (大电大电场作用下载流子碰撞场作用下载流子碰撞)52021-7-7Long Channel I-V Plot (

11、NMOS)ID (A)VDS (V)X 10-4VGS = 1.0VVGS = 1.5VVGS = 2.0VVGS = 2.5V LinearSaturationVDS = VGS - VTQuadratic dependenceNMOS transistor, 0.25um, Ld = 10um, W/L = 1.5, VDD = 2.5V, VT = 0.4Vcut-off2021-7-7Short Channel I-V Plot (NMOS)ID (A)VDS (V)X 10-4VGS = 1.0VVGS = 1.5VVGS = 2.0VVGS = 2.5VLinear depende

12、nceNMOS transistor, 0.25um, Ld = 0.25um, W/L = 1.5, VDD = 2.5V, VT = 0.4VEarly VelocitySaturation LinearSaturation2021-7-7速度饱和效应速度饱和效应 速度饱和效应导致驱动能力的降低速度饱和效应导致驱动能力的降低2021-7-7速度饱和Long channel devicesShort channel devicesVDSATVGS-VTl VDSAT VT) 固定时,IDS 是 以下参数的函数沟道长： L沟道宽 W阈值电压 VTSiO2厚度 tox栅极氧化膜的介电常数 (Si

13、O2) ox载流子迁移率nN型材料: n = 500 cm2/V-secnP型材料: p = 180 cm2/V-sec)(22DSDSTHGSnDSVVVVKI)1 ()(2DSTHGSnDSVVVKI2021-7-7短沟道短沟道MOS晶体管电流解析式晶体管电流解析式微小MOS晶体管2minmin1()(1)2DSnGSTHDSWIKVVVVVL),(minDSATDSTHGSVVVVV(2)2SSTHmsFBSFOXQVVC2021-7-7Subthreshold Conductance（亚阈值特性）（亚阈值特性）ID (A)VGS (V)10-1210-2Subthreshold exp

14、onential regionQuadratic regionLinear regionVTl 晶体管从导通到关断是晶体管从导通到关断是一个缓变过程一个缓变过程 l亚阈值摆幅亚阈值摆幅S：漏极电流：漏极电流IDS下降下降10倍对应的倍对应的VGS的减少量的减少量l亚阈值电流对电路功耗影亚阈值电流对电路功耗影响较大响较大ID IS e (qVGS/nkT) where n 12021-7-7n+n+p型硅基板型硅基板类似于横向晶体管类似于横向晶体管(/) ()/(1)DS(1)qVkTDSGSToffsetq VVVnkTesubsII eV0.10.1之间之间亚阈值振幅系数亚阈值振幅系数S = n (kT/q) ln (10)(典型值典型值 60 to 100 mV/decade)VT降低，降低，Isub增大增大但但VT增加，速度减慢增加，速度减慢存在速度和存在速度和功耗的折中功耗的折中考虑考虑2021-7-7MOSFET的电容的电容2021-7-7MOSFET栅极电容栅极电容oxoxoxtc2021-7-7截止截止(VGSVTH, VDSVTH, VDS VGS-VTH)2021-7-7MOS晶体管的扩散晶体管的扩散(PN结结)电容电容MOSFET的导通电阻的导通电阻源极：载流子（电子）的供给源源极：载流子（电子）的供给源漏极：载流子（