白底MOS场效应晶体管

白底MOS场效应晶体管第1页/共33页2000-9-2029-1

MOS晶体管工作原理

9-1-1MOS晶体管的结构特点和基本原理9-1-2MOS晶体管的阈值电压分析9-1-3MOS晶体管的电流方程9-1-4MOS晶体管的瞬态特性第2页/共33页2000-9-2039-1，MOS晶体管工作原理

1-1MOS晶体管的结构特点和基本原理1-2MOS晶体管的阈值电压分析1-3MOS晶体管的电流方程1-4MOS晶体管的瞬态特性补充：1-5MOS晶体管的其它电学参数1第3页/共33页2000-9-2049-1-1

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）第4页/共33页2000-9-2059-1-2MOS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<Vgs<Vt，截止（沟道表面耗尽、弱反型）Vgs>Vt（图1-3-3）开启

情况1：Vds=0

情况2：

Vds>0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？

第5页/共33页2000-9-2069-1-3MOS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第6页/共33页2000-9-2079-1-4MOS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

第7页/共33页2000-9-2089-2MOS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Vt：决定MOS管状态的关键。Vgs<Vt：截止态；Vgs>Vt：导通态。

第8页/共33页2000-9-2099-2-1影响阈值电压的因素

定义：Vt=Vgs

|表面强反型时表达式：Vt=VFB+2фF-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代入上式第9页/共33页2000-9-2010第10页/共33页2000-9-20119-2-1影响Vt的基本因素1，材料：金属类型фMS

，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

;εi

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）第11页/共33页2000-9-20129-2-2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<0，源和漏PN结反偏--

QBm增加--阈值电压增加计算：公式1-2-11和1-2-13（下页）理论结果：

Vbs增加，则阈值电压增加衬底浓度增加，则阈值电压增加实验结果：图1-2-1第12页/共33页2000-9-2013体效应公式第13页/共33页2000-9-20149-2-3离子注入调节阈值电压例1：增强型器件要高的阈值电压高的阈值电压用高的衬底掺杂完成，但击穿电压低、结电容大、体校应系数大。做法：离子注入产生局部高的衬底浓度，注入和衬底相同类型的杂质。例2：耗尽型器件要低或相反的阈值电压做法：离子注入和衬底相反类型的杂质，以便形成原始沟道。第14页/共33页2000-9-20159-2-4短、窄沟道效应对阈值电压的影响1短沟道效应现象：图1-2-5,L方向，源漏耗尽区横向扩展使有效的L下降。分析：耗尽层体积减小--使栅压控制的耗尽层电荷减少--使阈值电压降低公式：1-2-29计算结果：图1-2-6第15页/共33页2000-9-20169-2-4短、窄沟道效应对阈值电压的影响2窄沟道效应现象：图1-1-9,W方向，电场的边缘效应使W增加分析：耗尽层体积增加--使栅压控制的耗尽层电荷增加--使阈值电压增加公式：1-2-30其它场区注入使Vt增加漏感应势垒降低效应使Vt下降综合公式：1-2-31第16页/共33页2000-9-20179-3电流方程四端器件图（1-3-1）2维电场（1-3-2）推导近似方程推导和结果（式1-3-9）导电因子（式1-3-8）沟道区夹断现象(图1-3-3)第17页/共33页2000-9-2018四端MOS器件第18页/共33页2000-9-20199-3-2简单电流方程2非饱和区：1.3.12和1.3.8;饱和区：1.3.14;漏饱和电压（夹断电压）：1.3.15饱和条件：VDS>=VDSAT第19页/共33页2000-9-2020简单方程第20页/共33页2000-9-2021夹断现象第21页/共33页2000-9-20229-3-3饱和区沟道长度调制效应现象：图1-3-9，实际I—V特性饱和区电流不饱和原因：图1-3-8对电流方程的修正：在下式中第22页/共33页2000-9-2023沟道长度调制效应第23页/共33页2000-9-20249-4MOS晶体管的瞬态特性9-4-1MOS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。9-4-2MOS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1-4-9,9-4-3MOS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1-4-119-4-4MOS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。第24页/共33页2000-9-20259-4-本征电容，源漏区结电容第25页/共33页2000-9-20269-4-覆盖电容第26页/共33页2000-9-20279-4-大信号瞬态模型，简化模型第27页/共33页2000-9-20289-5MOS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第28页/共33页2000-9-20299-5MOS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：τ=L2/(μ*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第29页/共33页2000-9-20309-5MOS晶体管的其它电学参数2导电因子、增益因子导电因子K因子、本征导电因子K’结论：导电因子由工艺参数K’和设计参数W/L决定。第30页/共33页2000-9-2031第九章小结