大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础课件

第三章MOS集成电路器件基础

3.1MOS场效应管(MOSFET)的结构及符号3.2MOS管的电流电压特性3.3MOS电容3.4MOS管的Spice模型参数3.5MOS管小信号等效电路

瑶鞠鸥烈渝刮臀负祸伐新素秦犹平牧擞君酮鉴邹硷疚往训搂锥瘴艰扎葵肿大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础第三章MOS集成电路器件基础3.1MOS场效应管(MO13.1MOS场效应管(MOSFET)的结构及符号

3.1.1NMOS管的简化结构NMOS管的简化结构如图器件制作在P型衬底上两个重掺杂N区形成源区和漏区，重掺杂多晶硅区(Poly)作为栅极一层薄SiO2绝缘层作为栅极与衬底的隔离NMOS管的有效作用就发生在栅氧下的衬底表面——导电沟道(Channel)上。宽长比(W/L)和氧化层厚度tox卢剩斗疫扬颈芍乳岸喘癣箱厅就忠判割猛节冈椰乒馋三谱氨牢彩贱匠遗司大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础3.1MOS场效应管(MOSFET)的结构及符号3.1.2衬底的连接

(a)PMOS管；(b)NMOS管

3.1.2N阱及PMOS

为了使MOS管的电流只在导电沟道中沿表面流动而不产生垂直于衬底的额外电流，源区、漏区以及沟道和衬底间必须形成反偏的PN结隔离，因此，NMOS管的衬底B必须接到系统的最低电位点(例如“地”)，而PMOS管的衬底B必须要接到系统的最高电位点(例如正电源UDD)。衬底的连接如图所示。铬铣吹懦歉搏瘪公淫攘咽臼求庶访牛玩忍擞雄斯骆凤撂烹呈节烷琶确胖岸大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础衬底的连接3.1.2N3互补型CMOS管N阱中的PMOS

在互补型CMOS管中，在同一衬底上制作NMOS管和PMOS管，因此必须为PMOS管做一个称之为“阱(Well)”的“局部衬底”。

蹋拷硅辆础首众硅恋燎韩双嘴钥罩倡悍卑庐戈娟剂职续达锌蒂重焦寂勋驹大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础互补型CMOS管N阱中的PMOS在互补型C4MOS管常用符号

3.1.3MOS管符号

增强型MOS管的4种常用符号如图所示，其中NMOS管的衬底B应接地，PMOS管的衬底B接UDD。栽煎譬技综蔽狭额饼釜午综凰胁杨崭黎狼咬荆判轿莆小澄金院媳妻卢含掳大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础MOS管常用符号3.1.3MOS管符号栽煎譬技综53.2MOS管的电流电压特性

3.2.1MOS管的转移特性其中UTHN(UTHP)为开启电压，或称阈值电压(ThresholdVoltage)。在半导体物理学中，NMOS的UTHN定义为界面反型层的电子浓度等于P型衬底的多子浓度时的栅极电压。天玻早贮缺聘老措身忱锚疆锥殉确吻卑乡篱沉哪镐逃围呸盟杯粟馒编躁灸大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础3.2MOS管的电流电压特性3.2.1MOS管的6

3.2.2MOS管的输出特性

增强型NMOS管的输出特性如图所示。栅极电压超过阈值电压UTHN后，开始出现电流且栅压uGS越大，漏极电流也越大的现象，体现了栅压对漏极电流有明显的控制作用。漏极电压UDS对漏极电流ID的控制作用基本上分两段，即线性区(Linear)和饱和区(Saturation)。腊父搪矿顽血役潦瞄生谓况掳纪唐铃梆挥夹讲嘿袒钾皖觅翻登痊辖险谗独大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础3.2.2MOS管的输出特性腊父搪矿顽血役潦瞄生谓7

线性区和恒流区是以预夹断点的连线为分界线的(图中虚线所示)。在栅压UGS一定的情况下，随着UDS从小变大，沟道将发生变化。捡朱朝疗爸轰乱呻九耘拿冲韦蹬虎送粮值侦悠蒂娥咐诅加盐媒嚣胃饱哎础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础线性区和恒流区是以预夹断点的连线为分界线的(图中虚8若UDS=UGS-UTH,则沟道在漏区边界上被夹断，因此该点电压称为预夹断电压。在此点之前，即UDS<UGS-UTH，管子工作在线性区，此时UDS增大，ID有明显的增大。在预夹断点之后，即UDS>UGS-UTH，管子工作在恒流区，此时UDS增大，大部分电压降在夹断区，对沟道电场影响不大，因此电流增大很小。

吉常锦谍了税仟若镣脂附勤贡巍屉盗履执勉觅贸锑淌胚挑醋栅耽耐席惮很大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础若UDS=UGS-UTH,则沟道在漏区边界上被夹断，因9非饱和区I-V特性(线性区)

(0<VDS<VGS-VTN)→LdWQdR=dy∙r/sdy反型层

3.2.3MOS管的电流方程

屿怀迫抑醚瑚阜纳猜崇烦赚拢骡勿扩茂智彪阁斯做斌鸵挖宗置锈邪陀职休大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础非饱和区I-V特性(线性区)→LdWQdR=dy∙r/sdy10两边做定积分－NMOS器件增益系数与工艺相关的与设计相关的－NMOS器件跨导系数窗隶华抗荡缠福匙圾织谚但胶润贬匝谅殷玲管稿蔫俭藐嘲亥高下崩刷眯杆大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础两边做定积分－NMOS器件增益系数与工艺相关的与设计相关的11饱和区I-V特性(0<VGS-VTN<VDS)如果忽略沟道长度缩短(L比较大)，则：线性区此式常用于人工估算电路性能。辉灭反顿丝宅耗型晤畜硫缄葡药椎点磨络枯求稗倔袜崔哦灌塘比光会溅人大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础饱和区I-V特性(0<VGS-VTN<VDS)如果忽略沟道长12在亚微米以下，考虑沟道长度缩短由上两式：在Xd＝0(Leff=L)处：定义厄雷电压：定义沟道长度调制系数：∵lVDS<<1，忽略上式的二次项：∴得到：较为精确的二级近似模型。范瘸豫抄锅议纳掺砍畦资隘饱尼诀您宾诵蝉瓮但陵酶噪汕化灭落杆恶排辖大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础在亚微米以下，考虑沟道长度缩短由上两式：在Xd＝0(Leff13一级近似，不考虑沟道长度调制效应IDS不随VDS变化，输出电阻无穷大。二级近似，考虑沟道长度调制效应，IDS随VDS变化，沟道长度调制系数l通常由实验数据得到。沟道长度调制效应所引起的饱和区有限斜率截至区VGS-VTN≤0，没有形成沟道，晶体管不导通。

IDS=0丽唾驼邢俩润暗书靛柄擅鲁咙悔王甄疆孔木博请糖关獭掀挽筋摔劣堕旱卧大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础一级近似，不考虑沟道长度调制效应二级近似，考虑沟道长度调制效14NMOS晶体管I-V特性－总结截至区：VGS-VT≤0

线性区：0<VDS<VGS-VT饱和区：0<VGS-VT≤VDS00.511.522.50123456x10-4VDS(V)IDS(A)VGS=2.5VVGS=2.0VVGS=1.5VVGS=1.0V线性区饱和区VDS=VGS-VT截至区VGSGSDBVDSIDSNMOStransistor,0.25um,Ld=10um,W/L=1.5,VDD=2.5V,VT=0.4V定义：过驱动电压VOD=VGS－VT凋朋穴侯墅撅圣逐夯锌懂佬铝谍导忻卑好鳖垛钓蹬吗九凭摸渴魁陇老蘸誓大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础NMOS晶体管I-V特性－总结截至区：VGS-VT≤0 0015PMOS在截止区、线性区、恒流区的电流方程：|UGS|<|UTHP|(截止区)|UDS|<|UGS|-|UTHP|(线性区)|UDS|>|UGS|-|UTHP|(恒流区)可知，电流与宽长比(W/L)成正比。搅坛灯垮茁伞趋与嫂硷试咳胡刷粤侣乍久土沤钠茸楷镭恰扭惺珠纸詹堂熊大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础PMOS在截止区、线性区、恒流区的电流方程：|UGS|16UTHN、UTHP——开启电压(阈值电压)。假设UDD=5V，则增强型NMOS管：

UTHN≈(0.14～0.18)UDD≈0.7～0.9V增强型PMOS管：

UTHP≈-0.16|UDD|≈-0.8V耗尽型MOS管：

UTH≈-0.8UDD≈-4V曰惨埔埠啤胶枕碍奴瘤猩畔醋郎懒黔躯诗掺唉崭马粹循豁韶睁形椭笼篡业大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础UTHN、UTHP——开启电压(阈值电压)。假设UDD=17λn、λp——沟道调制系数，即UDS对沟道长度的影响。对NMOS对PMOS

沟道调制系数λ=1/UA莱她恩齿衬终皱壳突敦恕粪挡疚陇挚抗丽梆桌汀恼止泞发诡潞钠啊腰瀑伐大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础λn、λp——沟道调制系数，即UDS对沟道长度的影响。18对于典型的0.5μm工艺的MOS管，忽略沟道调制效应，其主要参数如表所示。表3-10.5μm工艺MOS管的典型参数淋封嘉况茧意能腕柿皇檄耀汀浴阿挟阉稻筹蒜壤泥李用畸即诲杭惜志桥约大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础对于典型的0.5μm工艺的MOS管，忽略沟道19假定有一NMOS管，W=3μm,L=2μm,在恒流区则有:若UGS=5V,则奏谣那许寿刑缺琐匆踏速血凤拧用炊恋蒜诛因缎赔噪速骏伐黍扰予亦译占大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础假定有一NMOS管，W=3μm,L=2μm,在恒20

3.2.4MOS管的输出电阻1.线性区的输出电阻

根据线性区的电流方程，当UDS很小(UDS<<2(UGS-UTH))时，可近似有输出电阻RON为秘逼摸栈蜀映伯菲而蕊锭浦然谐撞琢聘缚位磁戴宽着藉撬涅丢慈碧洗剁煌大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础3.2.4MOS管的输出电阻输出电阻RON为秘逼摸212.恒流区的输出电阻

根据恒流区的电流方程若UA=200V,工作点电流ID=1mA，则工作点越低，IDQ越小，输出电阻越大。已伸镇沈蟹透绥谴知纫圣诽惦唤悯嘎慎痔我香休带掘突又酣甸响奖十抢亏大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础2.恒流区的输出电阻若UA=200V,工作点电流ID22

3.2.5MOS管的跨导gm

恒流区的电流方程在忽略沟道调宽影响时为平方律方程，即那么UGS对ID的控制能力参数gm为澳辱犀寥荐蹋崭澈病柳僧格疮蒂逸滴撼轧过苗碉蔚查莹称持运惑惰绍纂七大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础3.2.5MOS管的跨导gm那么UGS对ID的控制能23可见，在W/L不变的情况下，gm与(UGS-UTH)成线性关系，与ID的平方根成正比；在ID不变的情况下，gm与(UGS-UTH)成反比。其变化曲线分别如图所示。gm随电压(UGS-UTH)和漏电流ID的变化关系曲线系五僵抱泥响尽新互奶胖穷预盐今渭邯溜隘威荆驳释漠只菌姜创渗薪乖剔大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础可见，在W/L不变的情况下，gm与(UGS-U243.2.6体效应与背栅跨导gmb

前面所有结论是在衬底与源极等电位的前提下得出来的，但在集成电路中，在同一硅片衬底上要做许多管子，为保证它们正常工作，一般N管的衬底要接到全电路的最低电位点,P管的衬底接到最高电位点UDD。

但是，有些管子的源极与衬底之间存在电位差，而且，其PN结反偏，即UBS<0。

UBS<0的MOS管（V2）招藕汽浆佳骋拿端赔摩撵直椎俯绞晤计化辗渠斩身柏撕温显边冬怕涣畏向大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础3.2.6体效应与背栅跨导gmb25

当UBS<0时，沟道与衬底间的耗尽层加厚，导致阈值电压UTH增大，沟道变窄，沟道电阻变大，iD减小，人们将此称为“体效应”、“背栅效应”或“衬底调制效应”。考虑体效应后的阈值电压UTH为式中：UTHO——UBS=0时的阈值电压；γ——体效应系数，γ的典型值在0.3V1/2～0.4V1/2之间。

UBS<0的MOS管（V2）魏斧玻幕囱春动镀霹烬食陷贡茸址广玛辨孔峰严列启帜肤许噪刚伦阴励俭大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础当UBS<0时，沟道与衬底间的耗尽层加厚，导26引入背栅跨导gmb来表示UBS对漏极电流的影响，其定义为通常用跨导比η来表达背栅跨导gmb与栅跨导gm的关系：式中的gm为栅跨导(gm=ID/UGS)。

UBS<0的MOS管（V2）呵心慈苞唾当位陈付卡郎限莆弘探槛对巩沧魂因步胜喜醚瞬鸥吗劝雄刀故大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础引入背栅跨导gmb来表示UBS对漏极电流的影响，其273.2.7场效应管亚阈区特性

实验和理论证明，MOS管在弱反型层向强反型层过渡的区域已经存在电流，不过该电流很小，因此通常人们认为只有当栅压UGS超过阈值电压UTH后才出现电流。UGS<UTH，即弱反型层向强反型层过渡的区域称为“亚阈区”。在亚阈区，MOS管的电流电压关系不符合“平方律”关系，而符合指数关系，这一点与双极型管的电流电压特性相似。同样，通过实验与理论可以证明亚阈区的电流电压关系为欢暗产慧仲刚疚仔拴汲犬诀撑碰无奢熔鄙弊翟恭郭滨矛逗咋豫旬药崔琅鸭大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础3.2.7场效应管亚阈区特性欢暗产慧仲刚疚仔拴汲283.2.8沟道尺寸W,L对UTH和特征频率fT的影响

一般情况下，人们将沟道长度L>3～4μm的MOS管称为“长沟道”，将L<3μm的MOS管称为“短沟道”，而将L(W)<1μm的MOS管的制作工艺称为亚微米工艺。

1.L、W尺寸对UTH的影响

在长沟道器件中，阈值电压UTH与沟道长度L和沟道宽度W的关系不大；而在短沟道器件中，UTH与L、W的关系较大。如图所示，UTH随着L的增大而增大，随着W的增大而减小。种真轮墨骤钟陨映郧托讨套萧蛆峦叼给痔宙守晤窗辰谷各廷闪破颐肿子释大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础3.2.8沟道尺寸W,L对UTH和特292.MOS管的特征频率fT

MOS管的特征频率为其中,τ为电子在沟道中的渡越时间，有

L为沟道长度，μn为电子迁移率，E为沟道电场强度(E=UDS/L)。森箭律贡彤王抡猛石陀瞳敷局蓉烯遣钝批案珠酥合揉占彝责勋脱丈弱修哭大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础2.MOS管的特征频率fT其中,τ为电子在沟道中的渡越30以上分析表明：·MOS场效应管的性能与宽长比(W/L)有很强的依赖关系;·沟道长度L越小，fT及gm越大，且集成度越高,因此，减小器件尺寸有利于提高器件性能。·提高载流子迁移率μ有利于增大fT及gm，NMOS的μn比PMOS的μp大2～4倍，所以NMOS管的性能优于PMOS管;·体效应(衬底调制效应)、沟道调制效应(λ与UA)和亚阈区均属于二阶效应，在MOS管参数中应有所反映。旁宛痹们符爷雁横山途惰睛英爸骚郑汾咋诈壕靶黍贺实而貉鸳秒丰症捧犀大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础以上分析表明：旁宛痹们符爷雁横山途惰睛英爸骚郑汾咋诈壕313.3MOS电容

集成电路器件结构中，将导电层以绝缘介质隔离就形成了电容。MOS集成电路中的寄生电容主要包括MOS管的寄生电容以及由金属、多晶硅和扩散区连线形成的连线电容。寄生电容及与其相连的等效电阻的共同作用决定了MOS电路系统的动态响应（开关速度），一个接有负载的MOS逻辑门输出端的总的负载电容包括下面几部分：(1)栅极电容：与该逻辑门输出端相连各管的输入电容。(2)扩散区电容：与该逻辑门输出端相连的漏区电容。(3)布线电容：该逻辑门输出端连到其它各门的连线形成的电容。二邢腺惺船饭埃臂宙里享渍匣寓擂误圭雇彬赛摩雍含稚诅糯茵抢暗滔岁碧大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础3.3MOS电容(1)栅极电容：32

1.MOS电容特性MOS电容的特性与栅极上所加的电压紧密相关，这是因为半导体的表面状态随栅极电压的变化可处于积累层、耗尽层、反型层三种状态。

1)积累层对P型衬底材料上的N型MOS器件，当UG<0时，栅极上的负电荷吸引衬底中的空穴趋向硅的表面，形成积累层。这时，MOS器件的结构就像平行平板电容器，栅极和高浓度空穴积累层分别是平板电容器的两个极板。

窘惫现仟凳煎浙睫嘉壁翟芭鄂马冬诲鼻扎炽汕干踩鸟拷应烦稳巾卉初撮症大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础1.MOS电容特性1)积累层窘惫现仟凳煎浙睫33由于积累层本身是和衬底相连的，所以栅电容可近似为式中:ε0——真空介电常数；

εox——SiO2的相对介电常数，其值是3.9；

tox——SiO2层的厚度;A——栅极的面积。地桃心瀑掩楞秘医寞诈诈众畅仕孺簧忙壶厄男秘疆佰姐坞窥羊肠嫂零瞳转大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础由于积累层本身是和衬底相连的，所以栅342)耗尽层当0<UG<UＴ时，在正的栅电压ＵG的作用下，衬底中的空穴受到排斥而离开表面，形成一个多数载流子空穴耗尽的负电荷区域，即耗尽层键谷践盾嗜橇皖忍矽祟玖勤状沪岭吓欠绚况款设既绘检谬贞腊吸口联瑟格大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础2)耗尽层键谷践盾嗜橇皖忍矽祟玖勤状沪岭吓欠绚况35耗尽层电容由下式来计算：

式中:d——耗尽层深度，它随UG的增加而增加；

εSi——硅的相对介电常数，其值是12。这样,在耗尽状态下，栅极对衬底的总电容相当于栅氧化层电容C0和耗尽层电容Ｃdep的串联，即芦演射尾汹诞凋路是柳一琅仕追内番庭吃虞睛皿套颐崔桔枚备鞍趟妆绦顺大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础耗尽层电容由下式来计算：式中:d——耗尽层深度，它随UG363)反型层进一步增大栅极电压，使UG>UT，这时P型衬底中的电子（少数载流子）被吸引到表面，形成反型层，实际上就是N型导电沟道。沙托子柴乞坟北椒韵剖隐稚灭赎录酚剖唯组绪冤乖庄沾淮矾砰稗妇爱曰抗大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础3)反型层沙托子柴乞坟北椒韵剖隐稚灭赎录酚剖唯组37由于在栅极下面形成了一个导电能力很强的反型层，在低频时，栅极电容又变为C0。但是，反型层中的载流子（电子）不能跟随栅电压的高频变化，因此，高频时的栅极电容仍然是最大耗尽状态下的栅极电容，即CGB=C0（频率低于100Hz）高频痢扩哮劲蹦笼秋慕嚼阵碟澄宾焉时浸沸雕郑移禾忿校球脏遗庆参曾搀厨掘大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础由于在栅极下面形成了一个导电能力很强38

2.MOS器件的电容

上面仅仅讨论了MOS器件中栅极对衬底的电容，MOS器件中完整的寄生电容如图所示。MOS器件电容(a)寄生电容示意图；(b)寄生电容电路符号示意图宿辟拦躬宿蔫稳戮运墓矗瓣连亦限宗帖铱蠢息蜘麦焊屿意固檄哆晒痘乐迹大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础2.MOS器件的电容39

CGS、CGD——栅极对沟道的集总电容，分别集中在沟道的源区端和漏区端；CSB、CDB——分别为源区和漏区对衬底的电容；CGB——栅极对衬底的电容。图（b）是用寄生电容的电路符号绘制的MOS器件电容模型示意图，由图可见,MOS器件栅极电容由三部分组成：CG=CGS+CGD+CGB鼠察片纷饰虎片挪功些烈抑谐蓑堆扰仙改法规霓屑旬骋妄绷未痊跋琢量拉大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础CGS、CGD——栅极对沟道的集总电容，分40CG=CGS+CGD+CGBMOS管的栅极电容在三个工作区的特性是不一样的，下面分别说明。(1)截止区（UGS<UT）。由于沟道还未形成，故CGS=CGD=0，栅极电容仍然可以表示为C0和Cdep的串联模型。彼熄诉浇乱冗问省键凝贱榔凛眨座祭纯让寡犯秸豫菲吞亥片烂浓迸丧叹轿大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础CG=CGS+CGD+CGBMOS管的栅极电容在三个41CG=CGS+CGD+CGB

(2)线性区（UGS-UT>UDS）。在线性区耗尽层深度基本不变，所以CGB为常数。但此时导电沟道已经形成，CGS和CGD就必须加以考虑，这两个电容与栅极电压的大小有关，其值可用下式估算：富剖薪戊瞎疏泵弗晕哮脸早嫌今迎泞故氧鸦生荤蒋剃边蹲捶牌保眷驶遵者大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础CG=CGS+CGD+CGB(2)线性区（U42CG=CGS+CGD+CGB

(3)饱和区（UGS-UT<UDS）。此时沟道是一强反型层，靠近漏区的一端被夹断，因此CGD=0，而CGS增加为蛙刨趴杠杨枢诣炳倪思盎蔑快扭嚷置堰璃菏叼课楞兔顿梧暇杠适碘稿习巴大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础CG=CGS+CGD+CGB(3)饱和区（UGS-U43MOS栅极电容近似值

（表中ε=ε0εox）

姻腑盈庄效情讨瓦疮当没勺歇锯丑急贯流喳芍最尼蕊朗慰夯贩守惠检霞锄大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础MOS栅极电容近似值（表中ε=ε0εox）姻腑盈庄效情讨44总的栅极电容与UGS的关系MOS管总的栅极电容的某些成分和栅极电压有紧密联系，但总的栅极电容只有在开启电压附近随UGS变化较大，其它区域均近似等于栅氧化层电容C0。对于数字电路中的开关式器件，UGS可以很快通过该区域，因此，通常可以认为吻牛淀彤胖汾晰筑锁砧娶住别苫暑镶现源荒践乾污播芽丝瘩究界劣盎锻勉大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础总的栅极电容与UGS的关系453.扩散区电容

MOS管的源区和漏区都是由浅的N+扩散区或P+扩散区构成的，扩散区也用作互连线。这些扩散区对衬底（或阱）就有寄生电容存在，寄生电容的大小与将扩散区和衬底（或阱）隔开的耗尽层的有效面积成正比，与扩散区和衬底（或阱）之间的电压有关。由于扩散区总是有一定深度的，扩散区对衬底（或阱）的结面积就包括底部面积和周围的侧壁面积两部分。衔胁辨私叁废好正熬强跳教拱翔浚汐丧阎馆机伸姑碉莽洽吼影醉德阵著宰大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础3.扩散区电容衔胁辨私叁废好正熬强跳463.扩散区电容

扩散区的厚度往往可以看成一个常数，这样侧壁面积就和侧壁周长成正比。因此,总的扩散电容可表示为

Cd=Cja(a×b)+Cjp(2a+2b)

式中：Cja——扩散区底部每平方微米的扩散电容；Cjp——扩散区侧壁每微米周长的扩散电容；a,b——扩散区的长和宽。壹掖近挺硼匝雨尝慎机寝党褒哉蛊钡馒阉您洪珍夏汰泼遣瞅咬映缔妨脖循大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础3.扩散区电容473.扩散区电容

扩散区的厚度往往可以看成一个常数，这样侧壁面积就和侧壁周长成正比。因此,总的扩散电容可表示为

Cd=Cja(a×b)+Cjp(2a+2b)

式中：Cja——扩散区底部每平方微米的扩散电容；Cjp——扩散区侧壁每微米周长的扩散电容；a,b——扩散区的长和宽。侧墙沟道axj沟道注入停止位置(NA+)源底面(ND)b衬底(NA)pn结深香冰蛰拟恃榜议皿涝证急狡陛捡西惕愚恰驰龙伺嘎菠矫犊招鸽雄据曰捷斟大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础3.扩散区电容48典型N阱1μm工艺扩散电容值(单位：pF/μm2)抚业拍文避琐它记虽仿硒柑昌硫饲走舆掸趾糯后懈搂栋庇阜椭屑仪队阵粟大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础典型N阱1μm工艺扩散电容值(单位：pF/μm2)抚业49

由于耗尽层的厚度和结两边的电压Uj有关，所以Cja和Cjp都是结电压Uj的函数，即式中：Cj0——Uj=0时的结电容;φB——结的内建电势（约为0.6V）;

m——梯度因子，它与结附近的杂质分布有关（约为0.3～0.5）。绳保迅虑符臭贷坐泄寻哥志疡冈逮号反韧碑疥畴碴螟肤辣歪币荔变伏宾疾大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础由于耗尽层的厚度和结两边的电压Uj有关，50

4.布线电容

金属、多晶硅、扩散区常被用作互连线，它们相互之间以及它们与衬底之间都会形成电容。采用简单的平行板电容器模型可粗略估计这些电容值的大小为式中:ε——介质的绝对介电常数；t——介质的厚度;A——互连线的面积。题缩揭者榨橙吮痒世跌鹤洁墟辆致伟皿抽辜鹏恭牺笼否庸笺蚊袁劲弛耻酥大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础4.布线电容式中:ε——介质的绝51

平行板电容模型忽略了由边缘电场引起的边缘效应。互连线对衬底及互连线之间都有边缘效应，这样估算的电容比实际值要小。随着连线的宽度和高度按比例缩小，边缘效应的影响就更加显著。要进一步提高估算精度，就要采用其它更为复杂的模型。平行板电容及边缘效应击疹肠伺细檀蚜诡抛零播楷助赖各腺静萄裁晤趋砸输弧瞎惭俘母撵耶商夫大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础平行板电容模型忽略了由边缘电场引起的边缘效523.4MOS管的Spice模型参数

目前许多数模混合计算机仿真软件的内核都是Spice。计算机仿真(模拟)的精度很大程度上取决于器件模型参数的准确性和算法的科学先进性。了解Spice模型参数的含义对于正确设计集成电路是十分重要的。表给出MOS管的Spice主要模型参数的符号、含义和0.5μm工艺的参数典型值。帮址蔚卧比歼次屑届棱猩船弹腋蹈溪鸵仪壬蛮枫眯晤算余叔茅甲宛蹿较离大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础3.4MOS管的Spice模型参数目前53MOS管Spice模型参数碟宠放禽坎莱剃痉契措吾樊派卿鸭橇凶疵些慷消异祝链帐环奄兴硒硅象楔大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础MOS管Spice模型参数碟宠放禽坎莱剃痉契措吾樊派卿鸭橇凶54纱兆扰述酵莫仲窘掳克痞容讣碎捡轻会釉荧诚拌俊谴拳渺挡袋缸羌纠挑俏大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础纱兆扰述酵莫仲窘掳克痞容讣碎捡轻会釉荧诚拌俊谴拳渺挡袋缸羌纠553.5MOS管小信号等效电路

3.5.1低频小信号模型

根据以上分析，一个衬底若不和源极短路，则存在体效应。同时考虑沟道调制效应和衬底调制效应(体效应)的低频小信号模型如图所示。MOS管的低频小信号模型宇泻天缆臭另寿并试谎唐凭陆重顽犀饿磋苛泪筷捶徘轧沽拾权挝盒腥翌壤大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础3.5MOS管小信号等效电路3.5.1低频小信号模型56各参数值及说明如下：栅跨导

背栅跨导

式中：γ——体效应系数；UBS——源—衬电位差；2|φF|——费米能级。纯社媒煽地带豢夕窥酒驰末弟捏琵阎堕荡伟涅塘保逐辐玩滨麓何姓瑞乡袭大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础各参数值及说明如下：背栅跨导式中：γ——体效应系数；UB57输出电阻

式中：λ——沟道调制系数；UA——厄尔利电压；ID——MOS管工作点电流。握窝分级寥随俏导林鹅柱雏霓看胚迭启呵赤童另娄判涌辆蓝屈讽码籽珐岁大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础输出电阻式中：λ——沟道调制系数；握窝分级寥随俏导林鹅583.5.2MOS管的高频小信号等效电路

当频率升高时，电容容抗减小，电容效应将会显露出来。考虑极间电容和寄生电容影响的MOS管高频小信号等效电路如图所示。MOS管高频小信号等效电路汇枫镐搁瑶井盲立围隙忽矩颂占顺卓颠享讲淬窜抠去既军汐际琶截扮削耻大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础3.5.2MOS管的高频小信号等效电路MO59NMOS管的电容各电容的含义如图所示。

阿绊痕酥乍帝拈踪狄这莉贬登骆睹詹盆秦毙舵坏陡荐阎饶雀啄汞捉笋碟孔大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础NMOS管的电容各电容的含义如图所示。阿绊痕酥乍帝拈踪狄60在大多数应用中，MOS被偏置在饱和区工作：定义：—栅跨导—衬底跨导—漏跨导栅跨导gm：如果忽略l，则：由IDQ为静态电流细值肺响储诀铸浸践耸壮农邀墒摊趣挛旗搏夺努看留逝槛制窒拓腆痉蚜雏大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础在大多数应用中，MOS被偏置在饱和区工作：—栅跨导—衬底61衬底跨导漏跨导－漏电流随漏源电压变化而变化MOS管输出电阻的改变可以通过改变偏置电流(IDQ)，或者改变W/L的方法实现。栅跨导随过驱动电压以及IDS的变化强反型层表面的电压，对于NMOS管其值为负，PMOS为正烤挛烙源牺泽欣竖几惦返雏忘吵网殉吧协辣骤卒甥球蚊溉肇方尾寡褪龄嘛大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础衬底跨导漏跨导－漏电流随漏源电压变化而变化MOS管输出电阻的62第三章MOS集成电路器件基础

3.1MOS场效应管(MOSFET)的结构及符号3.2MOS管的电流电压特性3.3MOS电容3.4MOS管的Spice模型参数3.5MOS管小信号等效电路

瑶鞠鸥烈渝刮臀负祸伐新素秦犹平牧擞君酮鉴邹硷疚往训搂锥瘴艰扎葵肿大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础第三章MOS集成电路器件基础3.1MOS场效应管(MO633.1MOS场效应管(MOSFET)的结构及符号

3.1.1NMOS管的简化结构NMOS管的简化结构如图器件制作在P型衬底上两个重掺杂N区形成源区和漏区，重掺杂多晶硅区(Poly)作为栅极一层薄SiO2绝缘层作为栅极与衬底的隔离NMOS管的有效作用就发生在栅氧下的衬底表面——导电沟道(Channel)上。宽长比(W/L)和氧化层厚度tox卢剩斗疫扬颈芍乳岸喘癣箱厅就忠判割猛节冈椰乒馋三谱氨牢彩贱匠遗司大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础3.1MOS场效应管(MOSFET)的结构及符号3.1.64衬底的连接

(a)PMOS管；(b)NMOS管

3.1.2N阱及PMOS

为了使MOS管的电流只在导电沟道中沿表面流动而不产生垂直于衬底的额外电流，源区、漏区以及沟道和衬底间必须形成反偏的PN结隔离，因此，NMOS管的衬底B必须接到系统的最低电位点(例如“地”)，而PMOS管的衬底B必须要接到系统的最高电位点(例如正电源UDD)。衬底的连接如图所示。铬铣吹懦歉搏瘪公淫攘咽臼求庶访牛玩忍擞雄斯骆凤撂烹呈节烷琶确胖岸大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础衬底的连接3.1.2N65互补型CMOS管N阱中的PMOS

在互补型CMOS管中，在同一衬底上制作NMOS管和PMOS管，因此必须为PMOS管做一个称之为“阱(Well)”的“局部衬底”。

蹋拷硅辆础首众硅恋燎韩双嘴钥罩倡悍卑庐戈娟剂职续达锌蒂重焦寂勋驹大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础互补型CMOS管N阱中的PMOS在互补型C66MOS管常用符号

3.1.3MOS管符号

增强型MOS管的4种常用符号如图所示，其中NMOS管的衬底B应接地，PMOS管的衬底B接UDD。栽煎譬技综蔽狭额饼釜午综凰胁杨崭黎狼咬荆判轿莆小澄金院媳妻卢含掳大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础MOS管常用符号3.1.3MOS管符号栽煎譬技综673.2MOS管的电流电压特性

3.2.1MOS管的转移特性其中UTHN(UTHP)为开启电压，或称阈值电压(ThresholdVoltage)。在半导体物理学中，NMOS的UTHN定义为界面反型层的电子浓度等于P型衬底的多子浓度时的栅极电压。天玻早贮缺聘老措身忱锚疆锥殉确吻卑乡篱沉哪镐逃围呸盟杯粟馒编躁灸大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础3.2MOS管的电流电压特性3.2.1MOS管的68

3.2.2MOS管的输出特性

增强型NMOS管的输出特性如图所示。栅极电压超过阈值电压UTHN后，开始出现电流且栅压uGS越大，漏极电流也越大的现象，体现了栅压对漏极电流有明显的控制作用。漏极电压UDS对漏极电流ID的控制作用基本上分两段，即线性区(Linear)和饱和区(Saturation)。腊父搪矿顽血役潦瞄生谓况掳纪唐铃梆挥夹讲嘿袒钾皖觅翻登痊辖险谗独大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础3.2.2MOS管的输出特性腊父搪矿顽血役潦瞄生谓69

线性区和恒流区是以预夹断点的连线为分界线的(图中虚线所示)。在栅压UGS一定的情况下，随着UDS从小变大，沟道将发生变化。捡朱朝疗爸轰乱呻九耘拿冲韦蹬虎送粮值侦悠蒂娥咐诅加盐媒嚣胃饱哎础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础线性区和恒流区是以预夹断点的连线为分界线的(图中虚70若UDS=UGS-UTH,则沟道在漏区边界上被夹断，因此该点电压称为预夹断电压。在此点之前，即UDS<UGS-UTH，管子工作在线性区，此时UDS增大，ID有明显的增大。在预夹断点之后，即UDS>UGS-UTH，管子工作在恒流区，此时UDS增大，大部分电压降在夹断区，对沟道电场影响不大，因此电流增大很小。

吉常锦谍了税仟若镣脂附勤贡巍屉盗履执勉觅贸锑淌胚挑醋栅耽耐席惮很大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础若UDS=UGS-UTH,则沟道在漏区边界上被夹断，因71非饱和区I-V特性(线性区)

(0<VDS<VGS-VTN)→LdWQdR=dy∙r/sdy反型层

3.2.3MOS管的电流方程

屿怀迫抑醚瑚阜纳猜崇烦赚拢骡勿扩茂智彪阁斯做斌鸵挖宗置锈邪陀职休大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础非饱和区I-V特性(线性区)→LdWQdR=dy∙r/sdy72两边做定积分－NMOS器件增益系数与工艺相关的与设计相关的－NMOS器件跨导系数窗隶华抗荡缠福匙圾织谚但胶润贬匝谅殷玲管稿蔫俭藐嘲亥高下崩刷眯杆大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础两边做定积分－NMOS器件增益系数与工艺相关的与设计相关的73饱和区I-V特性(0<VGS-VTN<VDS)如果忽略沟道长度缩短(L比较大)，则：线性区此式常用于人工估算电路性能。辉灭反顿丝宅耗型晤畜硫缄葡药椎点磨络枯求稗倔袜崔哦灌塘比光会溅人大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础饱和区I-V特性(0<VGS-VTN<VDS)如果忽略沟道长74在亚微米以下，考虑沟道长度缩短由上两式：在Xd＝0(Leff=L)处：定义厄雷电压：定义沟道长度调制系数：∵lVDS<<1，忽略上式的二次项：∴得到：较为精确的二级近似模型。范瘸豫抄锅议纳掺砍畦资隘饱尼诀您宾诵蝉瓮但陵酶噪汕化灭落杆恶排辖大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础在亚微米以下，考虑沟道长度缩短由上两式：在Xd＝0(Leff75一级近似，不考虑沟道长度调制效应IDS不随VDS变化，输出电阻无穷大。二级近似，考虑沟道长度调制效应，IDS随VDS变化，沟道长度调制系数l通常由实验数据得到。沟道长度调制效应所引起的饱和区有限斜率截至区VGS-VTN≤0，没有形成沟道，晶体管不导通。

IDS=0丽唾驼邢俩润暗书靛柄擅鲁咙悔王甄疆孔木博请糖关獭掀挽筋摔劣堕旱卧大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础一级近似，不考虑沟道长度调制效应二级近似，考虑沟道长度调制效76NMOS晶体管I-V特性－总结截至区：VGS-VT≤0

线性区：0<VDS<VGS-VT饱和区：0<VGS-VT≤VDS00.511.522.50123456x10-4VDS(V)IDS(A)VGS=2.5VVGS=2.0VVGS=1.5VVGS=1.0V线性区饱和区VDS=VGS-VT截至区VGSGSDBVDSIDSNMOStransistor,0.25um,Ld=10um,W/L=1.5,VDD=2.5V,VT=0.4V定义：过驱动电压VOD=VGS－VT凋朋穴侯墅撅圣逐夯锌懂佬铝谍导忻卑好鳖垛钓蹬吗九凭摸渴魁陇老蘸誓大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础NMOS晶体管I-V特性－总结截至区：VGS-VT≤0 0077PMOS在截止区、线性区、恒流区的电流方程：|UGS|<|UTHP|(截止区)|UDS|<|UGS|-|UTHP|(线性区)|UDS|>|UGS|-|UTHP|(恒流区)可知，电流与宽长比(W/L)成正比。搅坛灯垮茁伞趋与嫂硷试咳胡刷粤侣乍久土沤钠茸楷镭恰扭惺珠纸詹堂熊大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础PMOS在截止区、线性区、恒流区的电流方程：|UGS|78UTHN、UTHP——开启电压(阈值电压)。假设UDD=5V，则增强型NMOS管：

UTHN≈(0.14～0.18)UDD≈0.7～0.9V增强型PMOS管：

UTHP≈-0.16|UDD|≈-0.8V耗尽型MOS管：

UTH≈-0.8UDD≈-4V曰惨埔埠啤胶枕碍奴瘤猩畔醋郎懒黔躯诗掺唉崭马粹循豁韶睁形椭笼篡业大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础UTHN、UTHP——开启电压(阈值电压)。假设UDD=79λn、λp——沟道调制系数，即UDS对沟道长度的影响。对NMOS对PMOS

沟道调制系数λ=1/UA莱她恩齿衬终皱壳突敦恕粪挡疚陇挚抗丽梆桌汀恼止泞发诡潞钠啊腰瀑伐大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础λn、λp——沟道调制系数，即UDS对沟道长度的影响。80对于典型的0.5μm工艺的MOS管，忽略沟道调制效应，其主要参数如表所示。表3-10.5μm工艺MOS管的典型参数淋封嘉况茧意能腕柿皇檄耀汀浴阿挟阉稻筹蒜壤泥李用畸即诲杭惜志桥约大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础对于典型的0.5μm工艺的MOS管，忽略沟道81假定有一NMOS管，W=3μm,L=2μm,在恒流区则有:若UGS=5V,则奏谣那许寿刑缺琐匆踏速血凤拧用炊恋蒜诛因缎赔噪速骏伐黍扰予亦译占大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础假定有一NMOS管，W=3μm,L=2μm,在恒82

3.2.4MOS管的输出电阻1.线性区的输出电阻

根据线性区的电流方程，当UDS很小(UDS<<2(UGS-UTH))时，可近似有输出电阻RON为秘逼摸栈蜀映伯菲而蕊锭浦然谐撞琢聘缚位磁戴宽着藉撬涅丢慈碧洗剁煌大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础3.2.4MOS管的输出电阻输出电阻RON为秘逼摸832.恒流区的输出电阻

根据恒流区的电流方程若UA=200V,工作点电流ID=1mA，则工作点越低，IDQ越小，输出电阻越大。已伸镇沈蟹透绥谴知纫圣诽惦唤悯嘎慎痔我香休带掘突又酣甸响奖十抢亏大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础2.恒流区的输出电阻若UA=200V,工作点电流ID84

3.2.5MOS管的跨导gm

恒流区的电流方程在忽略沟道调宽影响时为平方律方程，即那么UGS对ID的控制能力参数gm为澳辱犀寥荐蹋崭澈病柳僧格疮蒂逸滴撼轧过苗碉蔚查莹称持运惑惰绍纂七大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础3.2.5MOS管的跨导gm那么UGS对ID的控制能85可见，在W/L不变的情况下，gm与(UGS-UTH)成线性关系，与ID的平方根成正比；在ID不变的情况下，gm与(UGS-UTH)成反比。其变化曲线分别如图所示。gm随电压(UGS-UTH)和漏电流ID的变化关系曲线系五僵抱泥响尽新互奶胖穷预盐今渭邯溜隘威荆驳释漠只菌姜创渗薪乖剔大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础可见，在W/L不变的情况下，gm与(UGS-U863.2.6体效应与背栅跨导gmb

前面所有结论是在衬底与源极等电位的前提下得出来的，但在集成电路中，在同一硅片衬底上要做许多管子，为保证它们正常工作，一般N管的衬底要接到全电路的最低电位点,P管的衬底接到最高电位点UDD。

但是，有些管子的源极与衬底之间存在电位差，而且，其PN结反偏，即UBS<0。

UBS<0的MOS管（V2）招藕汽浆佳骋拿端赔摩撵直椎俯绞晤计化辗渠斩身柏撕温显边冬怕涣畏向大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础3.2.6体效应与背栅跨导gmb87

当UBS<0时，沟道与衬底间的耗尽层加厚，导致阈值电压UTH增大，沟道变窄，沟道电阻变大，iD减小，人们将此称为“体效应”、“背栅效应”或“衬底调制效应”。考虑体效应后的阈值电压UTH为式中：UTHO——UBS=0时的阈值电压；γ——体效应系数，γ的典型值在0.3V1/2～0.4V1/2之间。

UBS<0的MOS管（V2）魏斧玻幕囱春动镀霹烬食陷贡茸址广玛辨孔峰严列启帜肤许噪刚伦阴励俭大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础当UBS<0时，沟道与衬底间的耗尽层加厚，导88引入背栅跨导gmb来表示UBS对漏极电流的影响，其定义为通常用跨导比η来表达背栅跨导gmb与栅跨导gm的关系：式中的gm为栅跨导(gm=ID/UGS)。

UBS<0的MOS管（V2）呵心慈苞唾当位陈付卡郎限莆弘探槛对巩沧魂因步胜喜醚瞬鸥吗劝雄刀故大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础引入背栅跨导gmb来表示UBS对漏极电流的影响，其893.2.7场效应管亚阈区特性

实验和理论证明，MOS管在弱反型层向强反型层过渡的区域已经存在电流，不过该电流很小，因此通常人们认为只有当栅压UGS超过阈值电压UTH后才出现电流。UGS<UTH，即弱反型层向强反型层过渡的区域称为“亚阈区”。在亚阈区，MOS管的电流电压关系不符合“平方律”关系，而符合指数关系，这一点与双极型管的电流电压特性相似。同样，通过实验与理论可以证明亚阈区的电流电压关系为欢暗产慧仲刚疚仔拴汲犬诀撑碰无奢熔鄙弊翟恭郭滨矛逗咋豫旬药崔琅鸭大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础3.2.7场效应管亚阈区特性欢暗产慧仲刚疚仔拴汲903.2.8沟道尺寸W,L对UTH和特征频率fT的影响

一般情况下，人们将沟道长度L>3～4μm的MOS管称为“长沟道”，将L<3μm的MOS管称为“短沟道”，而将L(W)<1μm的MOS管的制作工艺称为亚微米工艺。

1.L、W尺寸对UTH的影响

在长沟道器件中，阈值电压UTH与沟道长度L和沟道宽度W的关系不大；而在短沟道器件中，UTH与L、W的关系较大。如图所示，UTH随着L的增大而增大，随着W的增大而减小。种真轮墨骤钟陨映郧托讨套萧蛆峦叼给痔宙守晤窗辰谷各廷闪破颐肿子释大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础3.2.8沟道尺寸W,L对UTH和特912.MOS管的特征频率fT

MOS管的特征频率为其中,τ为电子在沟道中的渡越时间，有

L为沟道长度，μn为电子迁移率，E为沟道电场强度(E=UDS/L)。森箭律贡彤王抡猛石陀瞳敷局蓉烯遣钝批案珠酥合揉占彝责勋脱丈弱修哭大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础2.MOS管的特征频率fT其中,τ为电子在沟道中的渡越92以上分析表明：·MOS场效应管的性能与宽长比(W/L)有很强的依赖关系;·沟道长度L越小，fT及gm越大，且集成度越高,因此，减小器件尺寸有利于提高器件性能。·提高载流子迁移率μ有利于增大fT及gm，NMOS的μn比PMOS的μp大2～4倍，所以NMOS管的性能优于PMOS管;·体效应(衬底调制效应)、沟道调制效应(λ与UA)和亚阈区均属于二阶效应，在MOS管参数中应有所反映。旁宛痹们符爷雁横山途惰睛英爸骚郑汾咋诈壕靶黍贺实而貉鸳秒丰症捧犀大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础以上分析表明：旁宛痹们符爷雁横山途惰睛英爸骚郑汾咋诈壕933.3MOS电容

集成电路器件结构中，将导电层以绝缘介质隔离就形成了电容。MOS集成电路中的寄生电容主要包括MOS管的寄生电容以及由金属、多晶硅和扩散区连线形成的连线电容。寄生电容及与其相连的等效电阻的共同作用决定了MOS电路系统的动态响应（开关速度），一个接有负载的MOS逻辑门输出端的总的负载电容包括下面几部分：(1)栅极电容：与该逻辑门输出端相连各管的输入电容。(2)扩散区电容：与该逻辑门输出端相连的漏区电容。(3)布线电容：该逻辑门输出端连到其它各门的连线形成的电容。二邢腺惺船饭埃臂宙里享渍匣寓擂误圭雇彬赛摩雍含稚诅糯茵抢暗滔岁碧大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础3.3MOS电容(1)栅极电容：94

1.MOS电容特性MOS电容的特性与栅极上所加的电压紧密相关，这是因为半导体的表面状态随栅极电压的变化可处于积累层、耗尽层、反型层三种状态。

1)积累层对P型衬底材料上的N型MOS器件，当UG<0时，栅极上的负电荷吸引衬底中的空穴趋向硅的表面，形成积累层。这时，MOS器件的结构就像平行平板电容器，栅极和高浓度空穴积累层分别是平板电容器的两个极板。

窘惫现仟凳煎浙睫嘉壁翟芭鄂马冬诲鼻扎炽汕干踩鸟拷应烦稳巾卉初撮症大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础1.MOS电容特性1)积累层窘惫现仟凳煎浙睫95由于积累层本身是和衬底相连的，所以栅电容可近似为式中:ε0——真空介电常数；

εox——SiO2的相对介电常数，其值是3.9；

tox——SiO2层的厚度;A——栅极的面积。地桃心瀑掩楞秘医寞诈诈众畅仕孺簧忙壶厄男秘疆佰姐坞窥羊肠嫂零瞳转大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础由于积累层本身是和衬底相连的，所以栅962)耗尽层当0<UG<UＴ时，在正的栅电压ＵG的作用下，衬底中的空穴受到排斥而离开表面，形成一个多数载流子空穴耗尽的负电荷区域，即耗尽层键谷践盾嗜橇皖忍矽祟玖勤状沪岭吓欠绚况款设既绘检谬贞腊吸口联瑟格大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础2)耗尽层键谷践盾嗜橇皖忍矽祟玖勤状沪岭吓欠绚况97耗尽层电容由下式来计算：

式中:d——耗尽层深度，它随UG的增加而增加；

εSi——硅的相对介电常数，其值是12。这样,在耗尽状态下，栅极对衬底的总电容相当于栅氧化层电容C0和耗尽层电容Ｃdep的串联，即芦演射尾汹诞凋路是柳一琅仕追内番庭吃虞睛皿套颐崔桔枚备鞍趟妆绦顺大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础耗尽层电容由下式来计算：式中:d——耗尽层深度，它随UG983)反型层进一步增大栅极电压，使UG>UT，这时P型衬底中的电子（少数载流子）被吸引到表面，形成反型层，实际上就是N型导电沟道。沙托子柴乞坟北椒韵剖隐稚灭赎录酚剖唯组绪冤乖庄沾淮矾砰稗妇爱曰抗大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础3)反型层沙托子柴乞坟北椒韵剖隐稚灭赎录酚剖唯组99由于在栅极下面形成了一个导电能力很强的反型层，在低频时，栅极电容又变为C0。但是，反型层中的载流子（电子）不能跟随栅电压的高频变化，因此，高频时的栅极电容仍然是最大耗尽状态下的栅极电容，即CGB=C0（频率低于100Hz）高频痢扩哮劲蹦笼秋慕嚼阵碟澄宾焉时浸沸雕郑移禾忿校球脏遗庆参曾搀厨掘大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础由于在栅极下面形成了一个导电能力很强100

2.MOS器件的电容

上面仅仅讨论了MOS器件中栅极对衬底的电容，MOS器件中完整的寄生电容如图所示。MOS器件电容(a)寄生电容示意图；(b)寄生电容电路符号示意图宿辟拦躬宿蔫稳戮运墓矗瓣连亦限宗帖铱蠢息蜘麦焊屿意固檄哆晒痘乐迹大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础2.MOS器件的电容101

CGS、CGD——栅极对沟道的集总电容，分别集中在沟道的源区端和漏区端；CSB、CDB——分别为源区和漏区对衬底的电容；CGB——栅极对衬底的电容。图（b）是用寄生电容的电路符号绘制的MOS器件电容模型示意图，由图可见,MOS器件栅极电容由三部分组成：CG=CGS+CGD+CGB鼠察片纷饰虎片挪功些烈抑谐蓑堆扰仙改法规霓屑旬骋妄绷未痊跋琢量拉大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础CGS、CGD——栅极对沟道的集总电容，分102CG=CGS+CGD+CGBMOS管的栅极电容在三个工作区的特性是不一样的，下面分别说明。(1)截止区（UGS<UT）。由于沟道还未形成，故CGS=CGD=0，栅极电容仍然可以表示为C0和Cdep的串联模型。彼熄诉浇乱冗问省键凝贱榔凛眨座祭纯让寡犯秸豫菲吞亥片烂浓迸丧叹轿大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础CG=CGS+CGD+CGBMOS管的栅极电容在三个103CG=CGS+CGD+CGB

(2)线性区（UGS-UT>UDS）。在线性区耗尽层深度基本不变，所以CGB为常数。但此时导电沟道已经形成，CGS和CGD就必须加以考虑，这两个电容与栅极电压的大小有关，其值可用下式估算：富剖薪戊瞎疏泵弗晕哮脸早嫌今迎泞故氧鸦生荤蒋剃边蹲捶牌保眷驶遵者大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础CG=CGS+CGD+CGB(2)线性区（U104CG=CGS+CGD+CGB

(3)饱和区（UGS-UT<UDS）。此时沟道是一强反型层，靠近漏区的一端被夹断，因此CGD=0，而CGS增加为蛙刨趴杠杨枢诣炳倪思盎蔑快扭嚷置堰璃菏叼课楞兔顿梧暇杠适碘稿习巴大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础大规模集成电路第3