第5章MOS反相器-MOS晶體管

第5章MOS反相器-MOS晶體管第一頁，共50頁。MOSFET晶體管2023/4/19第二頁，共50頁。MOS晶體管本節(jié)課主要內(nèi)容

器件結(jié)構(gòu)電流方程電流電壓特性襯底偏壓效應(yīng)短溝道效應(yīng)MOSFET的電容MOSFET的導(dǎo)通電阻2023/4/19第三頁，共50頁。MOSFET2023/4/19第四頁，共50頁。MOS晶體管的動作

MOS晶體管實(shí)質(zhì)上是一種使電流時而流過，時而切斷的開關(guān)n+n+p型硅基板柵極絕緣層（SiO2）半導(dǎo)體基板漏極源極N溝MOS晶體管的基本結(jié)構(gòu)MOSFET的基本結(jié)構(gòu)2023/4/19第五頁，共50頁。MOS晶體管的符號源極(S)漏極(D)柵極(G)源極(S)漏極(D)柵極(G)VDID非飽和區(qū)飽和區(qū)VGNMOSPMOS源極(S)漏極(D)柵極(G)(a)(b)NMOSPMOS源極(S)漏極(D)柵極(G)2023/4/19第六頁，共50頁。2023/4/19第七頁，共50頁。非飽和區(qū)的電流方程2023/4/19第八頁，共50頁。飽和區(qū)的電流方程MOS晶體管L’溝道長度調(diào)制效應(yīng)2023/4/19第九頁，共50頁。VDSID非飽和區(qū)飽和區(qū)VDSsat=VGS-VTHn+n+p型硅基板GSD非飽和區(qū)的電流方程:飽和區(qū)的電流方程:記住2023/4/19第十頁，共50頁。VDSID非飽和區(qū)飽和區(qū)VDSsat=VGS-VTHID(0<VDS<VGS-VTH)(0<VGS-VTH<VDS)NMOS晶體管的I/V特性-12023/4/19第十一頁，共50頁。漏極柵極源極SiO2WLmnCoxWLmn：為Si中電子的遷移率

Cox:為柵極單位電容量W:為溝道寬L:為溝道長CoxCox=eox/tOX常令Kn’＝mnCox,Kp’＝mpCox導(dǎo)電因子2023/4/19第十二頁，共50頁。MOS晶體管的閾值電壓-1EcEiEFEiEVVG=VFB(=0)++++++++++++++++VG﹥0++++++++++++++++EcEiEFEiEVVoxфsVGEFmwEFmEcEiEFEiEVVGwmaxVG﹥VTH+++++++++++++++最大耗盡層EFm2023/4/19第十三頁，共50頁。MOS晶體管的閾值電壓-2反型層感應(yīng)電子VG﹥VTH+++++++++++++++EFmEcEiEFEiEVVGwmax最大耗盡層Voxfs2023/4/19第十四頁，共50頁。MOS晶體管的閾值電壓-3EFEiEcEVfFfs=2fFEcEiEFEiEVVG=VFB(=0)++++++++++++++++VFB≠0EFm2023/4/19第十五頁，共50頁。MOS晶體管的閾值電壓-42023/4/19第十六頁，共50頁。VG﹥VTH+++++++++++++++最大耗盡層VoxfsVBSfs-VBS2023/4/19第十七頁，共50頁。影響MOS晶體管特性的幾個重要參數(shù)

MOS晶體管的寬長比（W/L)

MOS晶體管的開啟電壓VTH

柵極氧化膜的厚度tox溝道的摻雜濃度（NA)襯底偏壓（VBS)功函數(shù)差SiO2表面電荷費(fèi)米勢襯底偏壓ID(0<VDS<VGS-VTH)(0<VGS-VTH<VDS)2023/4/19第十八頁，共50頁。NMOS的IDS-VDS特性（溝道長>1mm)飽和區(qū)非飽和區(qū)1.0V1.5V2.0V2.5VIDSVDSVGS2023/4/19第十九頁，共50頁。PMOS的IDS-VDS特性（溝道長>1mm)2023/4/19第二十頁，共50頁。MOS管的電流解析方程（L〉1mm)工藝參數(shù)ID(0<VDS<VGS-VTH)(0<VGS-VTH<VDS)溝道長度調(diào)制系數(shù)VTH閾值電壓2023/4/19第二十一頁，共50頁。源極(S)漏極(D)柵極(G)VGVDIDnMOS晶體管的I-V特性VTHIDVG增強(qiáng)型（E)VTHIDVG耗盡型(D)NMOS晶體管的I/V特性-2（轉(zhuǎn)移特性）2023/4/19第二十二頁，共50頁。VTHVTHIDVGIDVG增強(qiáng)型（E)耗盡型(D)NMOS的ID-VG特性(轉(zhuǎn)移特性）VGS=02023/4/19第二十三頁，共50頁。閾值電壓的定義飽和區(qū)外插VTH在晶體管的漏源極加上接近電源VDD的電壓，畫出VGS-IDS的關(guān)系曲線，找出該曲線的最大斜率，此斜率與X軸的交點(diǎn)定義為閾值電壓。以漏電流為依據(jù)定義VTH在晶體管的漏源極加上接近電源VDD的電壓，畫出VGS-Log(IDS)的關(guān)系曲線，從該曲線中找出電流為1微安時所對應(yīng)的VGS定義為閾值電壓。MOS晶體管2023/4/19第二十四頁，共50頁。MOS管的跨導(dǎo)gm（飽和區(qū)）表征電壓轉(zhuǎn)換電流的能力2023/4/19第二十五頁，共50頁。襯底偏壓效應(yīng)通常襯底偏壓VBS=0,即NMOS的襯底和源都接地，PMOS襯底和源都接電源。襯底偏壓VBS<0時，閾值電壓增大。MOS晶體管VBS(V)2023/4/19第二十六頁，共50頁。MOS管短溝道效應(yīng)IDS正比于

W/L,L要盡可能小當(dāng)溝道長度變短到可以與源漏的耗盡層寬度相比擬時，發(fā)生短溝道效應(yīng)。柵下耗盡區(qū)電荷不再完全受柵控制，其中有一部分受源、漏控制，并且隨著溝道長度的減小，受柵控制的耗盡區(qū)電荷不斷減少，因此，只需要較少的柵電荷就可以達(dá)到反型，使閾值電壓降低MOS晶體管2023/4/19第二十七頁，共50頁。耗盡層耗盡層Gate可控制的區(qū)域溝道長度閾值電壓短溝道MOSFETGate可控制的區(qū)域長溝道MOSFET“漏致勢壘降低”(Drain-InducedBarrierLowering,DIBL)2023/4/19第二十八頁，共50頁。載流子的飽和速度引起的EarlySaturation微小MOS晶體管溝道長小于1微米時，NMOS飽和

NMOS和PMOS的飽和速度基本相同

PMOS不顯著飽和早期開始2023/4/19第二十九頁，共50頁。速度飽和效應(yīng)

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

c=引起速度飽和效應(yīng)的主要原因速度飽和–散射引起載流子的速度飽和(大電場作用下載流子碰撞)52023/4/19第三十頁，共50頁。LongChannelI-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-off2023/4/19第三十一頁，共50頁。ShortChannelI-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

LinearSaturation2023/4/19第三十二頁，共50頁。速度飽和效應(yīng)

速度飽和效應(yīng)導(dǎo)致驅(qū)動能力的降低2023/4/19第三十三頁，共50頁。速度飽和LongchanneldevicesShortchanneldevicesVDSATVGS-VT

VDSAT<VGS–VT晶體管進(jìn)入早期飽和VDS

還沒有達(dá)到VGS–VT就已經(jīng)進(jìn)入飽和ForshortchanneldevicesandlargeenoughVGS–VT

IDSAT與VGS成線性關(guān)系VGS=VDD2023/4/19第三十四頁，共50頁。MOSID-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平方關(guān)系線性關(guān)系2023/4/19第三十五頁，共50頁。微小MOS晶體管的靜態(tài)特性(溝道長小于1mm)微小MOS晶體管NMOS當(dāng)VDSAT=1V,速度飽和PMOS遷移率是NMOS的一半一般沒有速度飽和2023/4/19第三十六頁，共50頁。決定電流的主要因素當(dāng)VDS和VGS(>VT)固定時,IDS

是以下參數(shù)的函數(shù)溝道長：L溝道寬–W閾值電壓–VTSiO2厚度–tox柵極氧化膜的介電常數(shù)(SiO2)–ox載流子遷移率N型材料:n=500cm2/V-secP型材料:p=180cm2/V-sec2023/4/19第三十七頁，共50頁。短溝道MOS晶體管電流解析式微小MOS晶體管2023/4/19第三十八頁，共50頁。SubthresholdConductance

（亞閾值特性）ID(A)VGS(V)10-1210-2SubthresholdexponentialregionQuadraticregionLinearregionVT晶體管從導(dǎo)通到關(guān)斷是一個緩變過程

亞閾值擺幅S：漏極電流IDS下降10倍對應(yīng)的VGS的減少量亞閾值電流對電路功耗影響較大ID~ISe(qVGS/nkT)

wheren12023/4/19第三十九頁，共50頁。n+n+p型硅基板類似于橫向晶體管－0.1～0.1之間亞閾值振幅系數(shù)S=n(kT/q)ln(10)(典型值60to100mV/decade)VT降低，Isub增大但VT增加，速度減慢存在速度和功耗的折中考慮2023/4/19第四十頁，共50頁。MOSFET的電容GateCgCgdCgsCjCjCdSUBGSDRSCGSCGDCGBRGRDCDBCSBBMOSFET的電容決定其瞬態(tài)特性寄生電阻與管子的導(dǎo)通電阻（數(shù)十KW）相比，通?？梢院雎圆挥嬂纾?/p>

柵極電容

CGS,CGD,CGB

(各為1.0fF)

漏源電容

CDB,CSB

(各為0.5fF)

柵極電阻

RG

(40W)

源漏電阻

RD,RS

(各1W)2023/4/19第四十一頁，共50頁。MOSFET柵極電容GateP_SUBn+Sn+DCGCCGDOCGSOCGSO和CGDO—交疊電容，由源漏橫向擴(kuò)散形成，值一定大多數(shù)情況下，忽略電壓的影響，CGC近似為CoxWL。根據(jù)MOSFET的工作區(qū)域，CGC分配給CGD,CGS和CGB。2023/4/19第四十二頁，共50頁。GateP_SUBn+Sn+DCGCCGDOCGSO截止(VGS<VTH)MOSFET柵極電容(cont.)截止區(qū)：溝道未形成，CGD=CGS=0,CGB=CGC≈CoxWL2023/4/19第四十三頁，共50頁。MOSFET柵極電容(cont.)非飽和區(qū)：溝道形成，相當(dāng)于D、S連通，CGD=CGS≈(1/2)CoxWLCGB=0GateP_SUBn+Sn+DCGCCGDOCGSO非飽和區(qū)(VGS>VTH,VDS<VGS-VTH)2023/4/19第四十四頁，共50頁。MOSFET柵極電容(cont.)飽和區(qū)：