MOS晶体管基础演示文稿

MOS晶体管基础演示文稿1当前1页，总共29页。MOS晶体管本节课主要内容

器件结构电流电压特性电流方程沟道长、短沟道效应、衬底偏压效应2当前2页，总共29页。MOSFET

MOS晶体管3当前3页，总共29页。MOS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（金属）绝缘层（SiO2）半导体基板漏极源极N沟MOS晶体管的基本结构源极(S)漏极(D)栅极(G)MOSFET的基本结构4当前4页，总共29页。源极(S)漏极(D)栅极(G)VG=3.3VVS=0VD=0栅极电压为3.3V时，表面的电位下降，形成了连接源漏的通路。++++++++3.3VMOSFET的工作原理25当前5页，总共29页。++++++++3.3V3.3V电流源极(S)漏极(D)栅极(G)VG=3.3VVS=0VD=3.3V更进一步，在漏极加上3.3V的电压，漏极的电位下降，从源极有电子流向漏极，形成电流。（电流是由漏极流向源极）MOSFET的工作原理36当前6页，总共29页。5V源极(S)漏极(D)栅极(G)VG=0VVS=0VVD=3.3V漏极保持3.3V的电压，而将栅极电压恢复到0V，这时表面的电位提高，源漏间的通路被切断。MOSFET的工作原理47当前7页，总共29页。IDmnCoxW2L(VG-VTH)2(0<VD<VG-VTH)(0<VG-VTH<VD)VDID非饱和区饱和区NMOS晶体管的I/V特性-1VDsat=VG-VTHmnCoxW2L[2(VG-VTH)VD-VD2]8当前8页，总共29页。漏极栅极源极SiO2WLmnCoxW2Lmn：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/tOX9当前9页，总共29页。VTH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)FA0SOXFFB2qNK2C12VVTHfe+f+=+VBS(

)10当前10页，总共29页。PMOS的IDS-VDS特性（沟道长>1mm)MOS晶体管11当前11页，总共29页。MOS管的电流解析方程（L〉1mm)工艺参数与（VGS-VTH)的平方成正比MOS晶体管12当前12页，总共29页。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-213当前13页，总共29页。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14当前14页，总共29页。MOS管短沟道效应IDSW/L,L要尽可能小短沟道效应由器件的沟道长决定沟道变短时，漏极能带的影响变大，电流更易流过沟道，使得阈值电压降低MOS晶体管15当前15页，总共29页。衬底偏压效应通常衬底偏压VBS=0,即NMOS的衬底接地，PMOS衬底接电源。衬底偏压VSB<0时，阈值电压增大。如果源极是浮动的，由于衬底效应，阈值电压就会增大。MOS晶体管16当前16页，总共29页。与栅源电压的平方成正比微小MOS晶体管的静态特性(沟道长小于1mm)微小MOS晶体管长沟道MOS晶体管平方成正比1至1.4次方成正比1至1.4次方成正比短沟道MOS晶体管17当前17页，总共29页。载流子的饱和速度引起的EarlySatutation微小MOS晶体管散乱引起速度饱和沟道长小于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18当前18页，总共29页。短沟道MOS晶体管电流解析式微小MOS晶体管19当前19页，总共29页。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电流是NMOS的一半没有速度饱和20当前20页，总共29页。MOSFET的寄生效应GateCgCgdCgsCjCjCdSUBGSDRSCGSCGDCGBRGRDCDBCSBB寄生电容不可忽视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21当前21页，总共29页。22当前22页，总共29页。MOSFET栅极电容MOS寄生元素典型参数：COX=6fF/mm2,CO=0.3fF/mm2(0.25mm工艺；NMOS,PMOS共通）23当前23页，总共29页。有关栅极电容的知识

MOS寄生元素阈值电压附近，栅极电容变动较大栅极电容从衬底向源漏极转变电容值减小到一半。因此，电路中如果要利用栅极电容，设计时需应使电路避开在阈值电压附近的工作。晶体管饱和时栅极电容的对象主要为源极电容值减小到2/3程度由上可知，在饱和区，栅漏电容主要由CGDO决定，其值大约为栅极电容的20%左右。24当前24页，总共29页。MOS晶体管的扩散电容MOS寄生元素25当前25页，总共29页。N沟道MOSFETD：漏极S：源极G：栅极源极：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)0V26当前26页，总共29页。P沟道MOSFETSDGD：漏极S：源极G：栅极源极：载流子（空穴）的供给源漏极：载流子（空穴）的排出口D：漏极S：源极G：栅极B：衬底电流IDS导通电阻：20KW/mm2SP衬底(Si)G(0~VDD)DB(VDD)电流电流阈值电压:VTH≒-0.2VDD(e.g-.0.4V)0VVDD导通截至N+P+P+空穴NWell27当前27页，总共29页。CMOS反相器CMOS:ComplementaryMOS,互补型MOSVDD