第9章 MOS管理課件

第9章MOS晶體管工作原理

1-1MOS晶體管的結(jié)構(gòu)特點和基本原理1-2MOS晶體管的閾值電壓分析1-3MOS晶體管的電流方程1-4MOS晶體管的瞬態(tài)特性1第9章MOS管理第一章MOS晶體管工作原理

1-1MOS晶體管的結(jié)構(gòu)特點和基本原理1-2MOS晶體管的閾值電壓分析1-3MOS晶體管的電流方程1-4MOS晶體管的瞬態(tài)特性補充：1-5MOS晶體管的其它電學參數(shù)12第9章MOS管理1-1-1

MOS晶體管的基本結(jié)構(gòu)MOS晶體管:

金屬-氧化物-半導體場效應(yīng)晶體管

MOSFET基本結(jié)構(gòu)：柵,源區(qū),漏區(qū),溝道區(qū)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：溝道長度L溝道寬度W 柵氧化層厚度tox源漏區(qū)結(jié)深Xj3第9章MOS管理MOS晶體管4第9章MOS管理1-1-2MOS管基本工作原理

工作原理--柵壓控制器件Vgs=0，截止0<Vgs<Vt，截止(溝道表面耗盡、弱反型）Vgs>Vt開啟

情況1：Vds=0

情況2：

Vds>0

轉(zhuǎn)移特性曲線(漏級電流，柵壓，漏壓，閾值電壓）輸出特性曲線(I-V曲線)截止區(qū)，線性區(qū)，飽和區(qū)，擊穿區(qū)問題：為什么MOS晶體管也叫單極晶體管？

5第9章MOS管理三維能帶圖6第9章MOS管理1-1-3MOS晶體管的分類

按導電類型：NMOS管：

N溝道

MOS晶體管PMOS管：

P溝道

MOS晶體管按工作機制分：增強型器件：（也叫常截止器件）耗盡型器件：（也叫常導通器件）圖1-1-77第9章MOS管理分類8第9章MOS管理1-1-4MOS晶體管的結(jié)構(gòu)特點p

結(jié)構(gòu)簡單面積小-------便于集成輸入阻抗很高-------級間可以直接耦合源漏對稱-------------電路設(shè)計靈活有效工作區(qū)集中在表面，和襯底隔離

9第9章MOS管理第一章MOS晶體管工作原理

1-1MOS晶體管的結(jié)構(gòu)特點和基本原理1-2MOS晶體管的閾值電壓分析1-3MOS晶體管的電流方程1-4MOS晶體管的瞬態(tài)特性10第9章MOS管理1-2MOS管的閾值電壓分析

閾值電壓定義：使溝道區(qū)源端半導體表面達到強反型所需要的柵壓。（形成表面溝道所需要的最小電壓。）閾值電壓Vt：決定MOS管狀態(tài)的關(guān)鍵。Vgs<Vt：截止態(tài)；Vgs>Vt：導通態(tài)。

11第9章MOS管理1-2-1影響閾值電壓的因素

定義：Vt=Vgs

|表面強反型時表達式：Vt=VFB+2фF-QBm/Cox

電壓降在平帶電壓，強反型電壓，耗盡層壓降

計算：將公式1-1-3到1-2-8代入上式12第9章MOS管理VB=13第9章MOS管理影響Vt的基本因素1，材料：金屬類型фMS

，氧化層中的電荷QOX半導體溝道區(qū)摻雜濃度NA半導體材料參數(shù)ni

;εi

2，氧化層厚度：越厚則閾值電壓越大3，溫度：溫度上升，閾值電壓下降4，和器件的橫向尺寸無關(guān)**調(diào)整考慮：降低。以便降低芯片耗電。控制器件類型平衡對偶器管子（CMOS）14第9章MOS管理1-2-2體效應(yīng)對閾值電壓的影響體效應(yīng)：

源區(qū)和襯底電壓Vbs不是0時，產(chǎn)生體效應(yīng)。例如： NMOS管Vbs<0→源區(qū)和漏區(qū)PN結(jié)反偏

→QBm

增加→閾值電壓增加計算：15第9章MOS管理體效應(yīng)公式

理論結(jié)果1，Vbs增加，則閾值電壓增加2，襯底濃度增加，則閾值電壓增加實驗結(jié)果：16第9章MOS管理1-2-3離子注入調(diào)節(jié)閾值電壓1，增強型器件需要提高閾值電壓方法一：提高襯底雜質(zhì)濃度。高的閾值電壓用高的襯底摻雜可完成，但代價是擊穿電壓低、結(jié)電容大、體校應(yīng)系數(shù)大。方法二：僅提高溝道區(qū)雜質(zhì)濃度。在溝道區(qū)域注入和襯底相同類型的雜質(zhì)，用離子注入方法制造局部的高濃度，可增加閾值電壓。方法3：增加氧化層厚度，有源區(qū)不用。2，耗盡型器件需要降低或相反的閾值電壓方法：在溝道區(qū)域摻雜，離子注入和襯底相反類型的雜質(zhì)，以便形成原始溝道。17第9章MOS管理1-2-4短、窄溝道效應(yīng)對閾值電壓的影響1短溝道效應(yīng)現(xiàn)象：圖1-2-5,L方向，源漏耗盡區(qū)橫向擴展使有效的L下降。分析：L下降--耗盡層體積減小--使柵壓控制的耗盡層電荷減少--使閾值電壓降低公式：1-2-29計算結(jié)果：圖1-2-618第9章MOS管理1-2-4短、窄溝道效應(yīng)對閾值電壓的影響2窄溝道效應(yīng)現(xiàn)象：圖1-1-7,W方向，電場的邊緣效應(yīng)使W增加分析：W增加--耗盡層體積增加--使柵壓控制的耗盡層電荷增加--使閾值電壓增加公式：1-2-30其它場區(qū)注入使Vt增加漏感應(yīng)勢壘降低效應(yīng)使Vt下降綜合公式：1-2-3119第9章MOS管理第一章MOS晶體管工作原理

1-1MOS晶體管的結(jié)構(gòu)特點和基本原理1-2MOS晶體管的閾值電壓分析1-3MOS晶體管的電流方程1-4MOS晶體管的瞬態(tài)特性20第9章MOS管理1-3-1四端器件的完整電流方程四端器件圖（1-3-1）2維電場（1-3-2）推導近似方程推導和結(jié)果（式1-3-7）導電因子（式1-3-8）溝道區(qū)夾斷現(xiàn)象(圖1-3-3)21第9章MOS管理四端MOS器件22第9章MOS管理1-3-2簡單電流方程2非飽和區(qū)：1.3.12和1.3.8;飽和區(qū)：1.3.14;ID=常數(shù)漏飽和電壓（夾斷電壓）：1.3.15飽和條件：VDS>=VDSAT23第9章MOS管理簡單方程24第9章MOS管理夾斷現(xiàn)象25第9章MOS管理1-3-3飽和區(qū)溝道長度調(diào)制效應(yīng)現(xiàn)象：圖1-3-7，實際I—V特性飽和區(qū)電流不飽和原因：圖1-3-8對電流方程的修正：在下式中26第9章MOS管理溝道長度調(diào)制效應(yīng)27第9章MOS管理第一章MOS晶體管工作原理

1-1MOS晶體管的結(jié)構(gòu)特點和基本原理1-2MOS晶體管的閾值電壓分析1-3MOS晶體管的電流方程1-4MOS晶體管的瞬態(tài)特性28第9章MOS管理1-4MOS晶體管的瞬態(tài)特性1-4-1MOS晶體管的本征電容

定義：由溝道區(qū)內(nèi)的耗盡層電荷和反型層電荷隨外電壓變化引起的電容。1-4-2MOS晶體管的寄生電容源漏區(qū)PN結(jié)電容：CjSB、CjDB，圖1-4-6覆蓋電容：CGS、CGD,圖1-4-7,CGB,圖1-4-9,1-4-3MOS晶體管瞬態(tài)分析的等效電路*大信號瞬態(tài)模型：圖1-4-10簡化模型：圖1-4-111-4-4MOS晶體管的本征頻率*本征頻率fM

,是晶體管的最高工作頻率結(jié)論：頻率和溝道長度的平方成反比：L下降，速度提高。29第9章MOS管理本征電容，源漏區(qū)結(jié)電容30第9章MOS管理覆蓋電容31第9章MOS管理大信號瞬態(tài)模型，簡化模型32第9章MOS管理第一章MOS晶體管工作原理

1-1MOS晶體管的結(jié)構(gòu)特點和基本原理1-2MOS晶體管的閾值電壓分析1-3MOS晶體管的電流方程1-4MOS晶體管的瞬態(tài)特性補充：1-5MOS晶體管的其它電學參數(shù)33第9章MOS管理補充：1-5MOS晶體管的其它電學參數(shù)1閾值電壓VT漏極電流ID工作速度跨導溝道電阻其它34第9章MOS管理補充：1-5MOS晶體管的其它電學參數(shù)2工作速度切換時間：電子從源到漏的所需要的時間公式：τ=L2/(μ*VDS)

跨導Gm=(dIDS

/dVGS)|VDS不變

圖1-1-5溝道電導Gd=(dIDS

/dVDS)|VGS不變圖1-1-635第9章MOS管理補充：1-5MOS晶體管的其它電學參數(shù)2導電因子、增益因子導電因子K因子、本征導電因子K’結(jié)論：導電因子由工藝參數(shù)K’和設(shè)計參數(shù)W/L決定。36第9章MOS管理第一