第5章MOS反相器-MOS晶体管课件

半导体集成电路夏炜炜扬州大学物理科学与技术学院E-mail：wwxia@7/23/2023MOSFET晶体管2023/7/23MOS晶体管本节课主要内容

器件结构电流方程电流电压特性衬底偏压效应短沟道效应MOSFET的电容MOSFET的导通电阻2023/7/23MOSFET2023/7/23MOS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型硅基板栅极绝缘层（SiO2）半导体基板漏极源极N沟MOS晶体管的基本结构MOSFET的基本结构2023/7/23MOS晶体管的符号源极(S)漏极(D)栅极(G)源极(S)漏极(D)栅极(G)VDID非饱和区饱和区VGNMOSPMOS源极(S)漏极(D)栅极(G)(a)(b)NMOSPMOS源极(S)漏极(D)栅极(G)2023/7/232023/7/23非饱和区的电流方程2023/7/23饱和区的电流方程MOS晶体管L’沟道长度调制效应2023/7/23VDSID非饱和区饱和区VDSsat=VGS-VTHn+n+p型硅基板GSD非饱和区的电流方程:饱和区的电流方程:记住2023/7/23VDSID非饱和区饱和区VDSsat=VGS-VTHID(0<VDS<VGS-VTH)(0<VGS-VTH<VDS)NMOS晶体管的I/V特性-12023/7/23漏极栅极源极SiO2WLmnCoxWLmn

：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/tOX常令Kn’＝mnCox

,Kp’＝mpCox导电因子2023/7/23MOS晶体管的阈值电压-1EcEiEFEiEVVG=VFB(=0)++++++++++++++++VG﹥0++++++++++++++++EcEiEFEiEVVoxфsVGEFmwEFmEcEiEFEiEVVGwmaxVG﹥VTH+++++++++++++++最大耗尽层EFm2023/7/23MOS晶体管的阈值电压-2反型层感应电子VG﹥VTH+++++++++++++++EFmEcEiEFEiEVVGwmax最大耗尽层Voxfs2023/7/23MOS晶体管的阈值电压-3EFEiEcEVfFfs

=2fFEcEiEFEiEVVG=VFB(=0)++++++++++++++++VFB≠0EFm2023/7/23MOS晶体管的阈值电压-42023/7/23VG﹥VTH+++++++++++++++最大耗尽层VoxfsVBSfs-VBS2023/7/23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)功函数差SiO2表面电荷费米势衬底偏压ID(0<VDS<VGS-VTH)(0<VGS-VTH<VDS)2023/7/23NMOS的IDS-VDS特性（沟道长>1mm)饱和区非饱和区1.0V1.5V2.0V2.5VIDSVDSVGS2023/7/23PMOS的IDS-VDS特性（沟道长>1mm)2023/7/23MOS管的电流解析方程（L〉1mm)工艺参数ID(0<VDS<VGS-VTH)(0<VGS-VTH<VDS)沟道长度调制系数VTH阈值电压2023/7/23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-2（转移特性）2023/7/23VTHVTHIDVGIDVG增强型（E)耗尽型(D)NMOS的ID-VG特性(转移特性）VGS=02023/7/23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2023/7/23MOS管的跨导gm（饱和区）表征电压转换电流的能力2023/7/23衬底偏压效应通常衬底偏压VBS=0,即NMOS的衬底和源都接地，PMOS衬底和源都接电源。衬底偏压VBS<0时，阈值电压增大。MOS晶体管VBS(V)2023/7/23MOS管短沟道效应IDS正比于

W/L,L要尽可能小当沟道长度变短到可以与源漏的耗尽层宽度相比拟时，发生短沟道效应。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，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MOS晶体管2023/7/23耗尽层耗尽层Gate可控制的区域沟道长度阈值电压短沟道MOSFETGate可控制的区域长沟道MOSFET“漏致势垒降低”(Drain-InducedBarrierLowering,DIBL)2023/7/23载流子的饱和速度引起的EarlySaturation微小MOS晶体管沟道长小于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2023/7/23速度饱和效应

(V/m)n(m/s)sat=105ConstantvelocityConstantmobility(slope=)

c=

引起速度饱和效应的主要原因

速度饱和–散射引起载流子的速度饱和(大电场作用下载流子碰撞)52023/7/23LongChannelI-VPlot(NMOS)ID(A)VDS(V)X10-4VGS=1.0VVGS=1.5VVGS=2.0VVGS=2.5V

LinearSaturationVDS=VGS-VTQuadraticdependenceNMOStransistor,0.25um,Ld=10um,W/L=1.5,VDD=2.5V,VT=0.4Vcut-off2023/7/23ShortChannelI-VPlot(NMOS)ID(A)VDS(V)X10-4VGS=1.0VVGS=1.5VVGS=2.0VVGS=2.5VLineardependenceNMOStransistor,0.25um,Ld=0.25um,W/L=1.5,VDD=2.5V,VT=0.4VEarlyVelocitySaturation

LinearSaturation2023/7/23速度饱和效应

速度饱和效应导致驱动能力的降低2023/7/23速度饱和LongchanneldevicesShortchanneldevicesVDSATVGS-VT

VDSAT<VGS–VT晶体管进入早期饱和VDS

还没有达到VGS–VT就已经进入饱和ForshortchanneldevicesandlargeenoughVGS–VT

IDSAT与VGS成线性关系VGS=VDD2023/7/23MOSID-VGSCharacteristicsVGS(V)ID(A)long-channelquadraticshort-channellinear

Linear(short-channel)versusquadratic(long-channel)dependenceofIDonVGSinsaturationVelocity-saturationcausestheshort-channeldevicetosaturateatsubstantiallysmallervaluesofVDSresultinginasubstantialdropincurrentdrive(forVDS=2.5V,W/L=1.5)X10-4平方关系线性关系2023/7/23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迁移率是NMOS的一半一般没有速度饱和2023/7/23决定电流的主要因素当VDS

和VGS(>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(SiO2)–ox载流子迁移率N型材料:n=500cm2/V-secP型材料:p=180cm2/V-sec2023/7/23短沟道MOS晶体管电流解析式微小MOS晶体管2023/7/23SubthresholdConductance

（亚阈值特性）ID(A)VGS(V)10-1210-2SubthresholdexponentialregionQuadraticregionLinearregionVT

晶体管从导通到关断是一个缓变过程

亚阈值摆幅S：漏极电流IDS下降10倍对应的VGS的减少量亚阈值电流对电路功耗影响较大ID~ISe(qVGS/nkT)

wheren12023/7/23n+n+p型硅基板类似于横向晶体管－0.1～0.1之间亚阈值振幅系数S=n(kT/q)ln(10)(典型值60to100mV/decade)VT降低，Isub增大但VT增加，速度减慢存在速度和功耗的折中考虑2023/7/23MOSFET的电容GateCgCgdCgsCjCjCdSUBGSDRSCGSCGDCGBRGRDCDBCSBBMOSFET的电容决定其瞬态特性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)2023/7/23MOSFET栅极电容GateP_SUBn+Sn+DCGCCGDOCGSOCGSO和CGDO—交叠电容，由源漏横向扩散形成，值一定大多数情况下，忽略电压的影响，CGC近似为CoxWL。根据MOSFET的工作区域，CGC分配给CGD,CGS和CGB。2023/7/23GateP_SUBn+Sn+DCGCCGDOCGSO截止(VGS<VTH)MOSFET栅极电容(cont.)截止区：沟道未形成，CGD=CGS=0,CGB=CGC≈CoxWL2023/7/23MOSFET栅极电容(cont.)非饱和区：沟道形成，相当于D、S连通，CGD=CGS≈(1/2)CoxWLCGB=0GateP_SUBn+Sn+DCGCCGDOCGSO非饱和区(VGS>VTH,VDS<VGS-VTH)2023/7/23MOSF