阈值电压和电流PPT学习教案

1、会计学12SDG多晶硅有源区金属WLSiO2SiO2n+n+SDLp-SitoxxjGMOS晶体管的结构晶体管的结构第2页/共46页第1页/共46页3MOSFET的输入、输出特性曲线第3页/共46页第2页/共46页4GateSource(of carriers)Drain(of carriers)| VGS | VGS | | VT |Open (off) (Gate = 0)Closed (on) (Gate = 1)Ron第4页/共46页第3页/共46页阈值电压阈值电压的定义： 使源端半导体表面达到强反型的使源端半导体表面达到强反型的栅压栅压，是，是区分区分MOS器件导通和截止的分界点。器

2、件导通和截止的分界点。 半导体表面达到强反型的栅压半导体表面达到强反型的栅压- VTSDp substrateBG VGS + - n+n+depletion regionn channel第5页/共46页第4页/共46页61、阈值电压公式、阈值电压公式(假设假设NMOS源端和衬底接地源端和衬底接地)VFB对应对应半导体平带电压半导体平带电压Vox对应对应栅氧化层上的压降栅氧化层上的压降 对应对应半导体表面耗尽层上的压降半导体表面耗尽层上的压降soxFBTVVVs第6页/共46页第5页/共46页7FoxBmFBTCQVV2soxFBTVVV阈值电压：耗尽层压降表面势SDp substrateB

3、G VGS + - n+n+depletion regionn channel第7页/共46页第6页/共46页8QBM/Cox对应栅氧化层上的压降（对应栅氧化层上的压降（NMOS）QBM= 20SiqNA(2F)1/2Cox= 0ox /toxFoxBmFBTCQVV2soxFBTVVV阈值电压：氧化层压降SiO2SiO2n+n+SDLp-SitoxxjG第8页/共46页第7页/共46页9oxoxFBCQVMSV VFBFB：半导体平带电压半导体平带电压n栅材料和硅衬底之间的栅材料和硅衬底之间的功功函数差函数差n栅氧化层中的栅氧化层中的可动电荷可动电荷和和固定电荷固定电荷以及以及界面态电荷界面

4、态电荷n外加栅压抵消这部分能带外加栅压抵消这部分能带弯曲，使得能带恢复平直弯曲，使得能带恢复平直，称为，称为平带电压平带电压oxBmFFBTCQVV2VGS0，Qox00)(msFBGSVV第9页/共46页第8页/共46页10FMSp55. 0硅栅：FFployMSFMSn55. 0硅栅：oxBmFFBTCQVV2oxoxFBCQVMS第10页/共46页第9页/共46页11QBm/Cox对应栅氧化层上的对应栅氧化层上的压降压降QBm= 20SiqNA(2F)1/2Cox= 0ox /toxoxBmFFBTCQVV2第11页/共46页第10页/共46页12oxBmFFBTCQVV2oxBmFTC

5、QV2n本征阈值本征阈值：理想器件（：理想器件（平带电压为平带电压为0）的阈值）的阈值电压电压n增强型器件增强型器件要求本征阈要求本征阈值大于平带电压绝对值值大于平带电压绝对值n提高衬底掺杂浓度可以提高衬底掺杂浓度可以增加本征阈值增加本征阈值F =(kT/q)ln(NA/ni) (NMOS)F =-(kT/q)ln(ND/ni) (PMOS) 第12页/共46页第11页/共46页132、体效应对阈值电压的影响、体效应对阈值电压的影响BSFBTVVVFF22oxACqNSi02n假设衬底和假设衬底和源端等电位源端等电位n如果衬底和如果衬底和源端之间有源端之间有电压，阈值电压，阈值电压会发生电压会

6、发生变化，也称变化，也称为为衬偏效应衬偏效应FFFBTVV220体效应系数体效应系数NMOS器件一般加负的衬底偏压，即器件一般加负的衬底偏压，即VBS0衬底偏压为衬底偏压为0 0时的阈值电压时的阈值电压第13页/共46页第12页/共46页142、体效应对阈值电压的影响、体效应对阈值电压的影响BSFBTVVVFF22oxACqNSi02n引入体效应引入体效应因子因子n带衬偏电压带衬偏电压的阈值电压的阈值电压公式公式n体效应引起体效应引起的的阈值电压阈值电压变化变化)22(0FBSFTTTVVVVFFFBTVV220第14页/共46页第13页/共46页15oxACqNSi02)22(0FBSFTT

7、TVVVVF =(kT/q)ln(NA/ni) (NMOS)F =-(kT/q)ln(ND/ni) (PMOS) 第15页/共46页第14页/共46页16第16页/共46页第15页/共46页17第17页/共46页第16页/共46页18第18页/共46页第17页/共46页19第19页/共46页第18页/共46页20N N 型半导体型半导体第20页/共46页第19页/共46页21P P 型半导体型半导体第21页/共46页第20页/共46页22PN PN 结的形成结的形成 多数载流子的扩散运动多数载流子的扩散运动第22页/共46页第21页/共46页23形成形成 PN PN 结结第23页/共46页第2

8、2页/共46页24结加反向电压结加反向电压PNPN（截止）第24页/共46页第23页/共46页25动动n线性区线性区第25页/共46页第24页/共46页26第26页/共46页第25页/共46页27=(L)=0VVTGSVDSVVTGSVVTGSVDSVDSVDsatVDsatLeff 夹断区n+n+Qcn+n+QcQcn+n+Qc第27页/共46页第26页/共46页28栅电压高于阈值电压，沟道区形成导电沟道栅电压高于阈值电压，沟道区形成导电沟道第28页/共46页第27页/共46页29加上漏电压加上漏电压Vds，形成横向电场，形成横向电场，NMOS沟道电子定向运动，沟道电子定向运动，线性区线性区

9、第29页/共46页第28页/共46页30形成形成 PN PN 结结第30页/共46页第29页/共46页31漏压不断增加，反偏漏压不断增加，反偏pn结耗尽区不断扩展结耗尽区不断扩展漏压达到夹断电压，漏端沟道夹断漏压达到夹断电压，漏端沟道夹断饱和区饱和区第31页/共46页第30页/共46页32第32页/共46页第31页/共46页33第33页/共46页第32页/共46页34第34页/共46页第33页/共46页35根据高斯定理：根据高斯定理：)( )(2 )()()()()(2)()()(0yVVVCCQyVVVCQyQyQyQyQyVVVyVyVCEyQTGSoxoxBmFFBGSoxBmsBscF

10、FBGSoxoxoxxsis第35页/共46页第34页/共46页36根据欧姆定律：根据欧姆定律：0( )( , )( )( ),xicDeffcQyqn x y dxdV yIWQydy)()(yVVVCyQcTGSoxcn对电流公式进行积分对电流公式进行积分，其中，其中Vc(y)是漏电压是漏电压沿沟道方向的电压降沿沟道方向的电压降n漏压较小的时候，沟漏压较小的时候，沟道连续（道连续（0L），）， Vc(y)为（为（0Vds）n得到线性区电流方程得到线性区电流方程第36页/共46页第35页/共46页37线性区线性区电流：电流：212 , =DGSTDSDSGSTDSDSeffoxIVV VVV

11、V VVWCL很小时。导电因子导电因子第37页/共46页第36页/共46页38TGSDsatTGSDVVVVVI22212 , =DGSTDSDSGSTDSDSeffoxIVVVVVVVVWCL很小时。n当漏压增大到一定程当漏压增大到一定程度，漏端沟道夹断，度，漏端沟道夹断，器件进入饱和区器件进入饱和区n夹断点处的电压称为夹断点处的电压称为漏饱和电压漏饱和电压VDsatVGSVT，代入线性，代入线性区电流公式，得到饱区电流公式，得到饱和区电流和区电流第38页/共46页第37页/共46页392211, 22DGTSGTDeffoxeffoxIKVVVVVVWWKCKKCLL导电因子导电因子：K因

12、子因子本征导电因子：本征导电因子：K端电压形式的电流方程体现了端电压形式的电流方程体现了MOS器件的源漏对称的特点器件的源漏对称的特点第39页/共46页第38页/共46页402211, 22DGTSGTDeffoxeffoxIKVVVVVVWWKCKKCLL工作区NMOSPMOS截止区（VG-VT-VS）0（VG-VT-VS0线性区（VG-VT-VS） 0（VG-VT-VD） 0（VG-VT-VS） 0（VG-VT-VD） 0（VG-VT-VD）0（VG-VT-VS） VTVDS VGS-VTVGS VGS-VT饱和区VGS VTVDS VGS-VTMOS管的工作状态管的工作状态第41页/共46页第40页/共46页42第