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第三章MOS器件⏹§3.1器件的工作原理⏹§3.2 MOS 器件中的二级效应⏹§3.3 MOS器件模型⏹§3.4 MOS器件的电阻和电容§3.1器件的工作原理一、短沟效应：1、有效沟道长度L ＝L drawn－2 L diff－2∆L poly2、耗尽电荷共享沟道耗尽电荷= 栅耗尽区+ 源漏耗尽区二、窄沟效应1、有效沟道宽度W＝W drawn－∆W（1）鸟嘴（2）场注2、沟宽方向上的边缘场使耗尽电荷增加§3.2 MOS 器件中的二级效应三、迁移率变化1、影响迁移率的因素（1）载流子的类型（2）随掺杂浓度增加而减小（3）随温度增加而减小（4）随沟道纵向、横向电场增加而减小2、迁移率的纵向电场退化3、迁移率的横向电场退化4、速度饱和速度并不总是与（横向）电场强度成正比四、沟道长度调制：1、长沟道器件：沟道夹断饱和2、短沟道器件：载流子速度饱和(1) 短沟器件中，速度饱和先于夹断饱和(2) 速度饱和点在漏端处(3) 当源漏电压上升时,饱和点向源端移动五、漏感应势垒下降及源漏穿通（DIBL）1、VDS增加会使源端势垒下降2、沟道长度缩短会使源端势垒下降3、源漏穿通：发射流加大并以扩散形式到达漏端，不受栅压控制六、器件漏电七、热载流子效应1、原因：（1）漏端强电场引起高能热电子与晶格碰撞产生电子/空穴对，引起衬底电流。
（2）电子在强纵向电场作用下穿过栅氧，引起栅电流2、影响:（1）使器件参数变差，特性不稳，电路失效（2）衬底电流引起噪声，Latch-up, 以及动态节点漏电3、解决方法：LDD (lightly doped drain) : 在源漏区与沟道间加一段电阻率较高的轻掺杂n− 区（1）优点：可减小热电子效应，提高源漏电压（2）缺点：n− 区使器件跨导和I减小DS八、体效应：（Body Effect）1、衬偏引起体效应：开启电压随衬偏变化2、衬底电流感应体效应：（SCBE ─ Substrate Current Induced Body Effect ）衬底电流在衬底电阻上的压降造成衬偏电压九、输出电阻十、源漏寄生电阻RS ，RD源漏电阻取决于：1. 源漏区PN 结电阻2. 接触孔电阻十一、反型层电容分压1、反型层表面电势ΦS随栅压V G而变化2、当t OX缩小时，C OX可与沟道电容比拟使跨导减小十二、横向和纵向的非均匀掺杂1、横向非均匀掺杂：随沟道缩短，沟道中平均掺杂浓度增加，使阈值上升2、纵向非均匀掺杂引起V TH 与之间存在非线性关系BSP V V十三、其它1、体电荷效应2、耗尽层宽度不均匀引起阈值电压沿沟道分布不均匀3、参数随几何尺寸变化4、参数取决于源漏电压建立模型的目的与意义为减少设计时间和制造成本，需有效、精确的模型对模型的要求：1、精确：适合全工作范围，电流及其它小信号参数2、有物理基础：全面理解物理过程，能预测器件性能3、可扩展性：能预见不同尺寸器件的性能4、高效率：收敛，连续，减少迭代次数和模拟时间⏹MOS管的结构尺寸缩小到亚微米范围后，多维的物理效应和寄生效应使得对MOS管的模型描述带来了困难。
MOS管的解析第一部分：介绍MOS管金属-氧化物-半导体场效应晶体管，通常称为MOS管，是一种关键的半导体器件，广泛应用于电子领域。
它在现代电子设备和集成电路中扮演着至关重要的角色。
为了更深入理解MOS管，我们将逐步探讨其结构、工作原理和应用领域。
1.1 结构MOS管通常由金属、氧化物和半导体材料构成。
其基本结构包括两个金属电极，分别被称为源极和漏极，它们与半导体材料之间通过一个绝缘层，即氧化物层，相隔开。
这个结构创造了一个场效应晶体管，通过改变栅极电压，可以控制源极和漏极之间的电流。
1.2 工作原理MOS管的工作原理基于栅极电压的控制。
当栅极施加正电压时，在氧化物层下形成一个电场，将半导体材料中的载流子排斥或吸引到接近漏极或源极的区域。
这种电场效应导致通道的形成或截断，从而控制了电流的流动。
MOS管有两种主要类型：N沟道MOS（NMOS）和P沟道MOS（PMOS），它们分别使用不同的载流子类型。
第二部分：MOS管的应用领域MOS管作为一种强大的电子器件，被广泛用于各种应用领域。
以下是一些主要领域的应用示例：2.1 集成电路MOS管在集成电路（ICs）中扮演着关键的角色。
ICs是现代电子设备的基础，包括计算机、智能手机、芯片卡等。
MOS管的微小尺寸和低功耗特性使其成为高度集成电路的理想选择。
2.2 数模转换MOS管用于模拟信号的数字到模拟转换（ADC）和模拟到数字转换（DAC）。
这些应用包括音频处理、通信系统和传感器技术。
2.3 逻辑电路MOS管用于数字逻辑电路，如门电路、触发器和寄存器。
它们用于执行各种计算和控制任务，是计算机处理和存储信息的核心。
2.4 放大器MOS管也被用作放大器，用于放大电信号，例如音频和射频信号。
这些放大器在音响系统、通信设备和射频通信中发挥着重要作用。
2.5 电源管理MOS管在电源管理电路中用于调整电压和电流，以满足不同设备的电能需求。
这对于延长电池寿命和提高设备效率至关重要。
MOS场效应管的基本结构及应用1 MOS管基本结构2 MOS管的输出特性3 MOS管的交流小信号模型4 亚阈值模型5 基本MOS电流镜6 基本差分输入电路1 MOS管基本结构MOS场效应管是以硅为衬底材料，以二氧化硅为绝缘层，以金属铝或掺杂多晶硅为栅，所以成为金属——氧化硅——半导体场效应管，简称MOS管。
每一个MOS管都有两个重掺杂区构成器件的两个端口：源端(S)与漏端(D)和一个重掺杂的多晶硅构成器件的栅级(G)，栅极与沟道之间有栅氧(即薄层SiO2)隔离，输入电阻达1014欧姆以上。
MOS集成电路的工艺比较简单，集成密度高是超大规模集成电路的特点。
NMOS增强型场效应管典型结构如图1所示，其中衬底材料为P型半导体，两个N+区由扩散工艺形成，分别为源区和漏区。
栅氧化层上面是金属电极，称为栅极。
栅氧化层下面及源、漏之间的区域称为沟道区。
源及漏区分别由金属电极接触形成S极，D极。
衬底引出的电极为B极，通常B与源是短接并且接地，但有时也将源极N+与衬底B之间加上反偏电压，此时其特性与S、B短接时不同。
图1 NMOS增强型场效应管结构图MOS 管分为增强型和耗尽型两类，增强型场效应管的特点是栅源电压V GS =0时，栅氧化层下面不存在n 型导电沟道，只有当在栅极上加以正电压V GS >V T (阈值电压)时，才在源、漏之间的P 型材料表面形成一个导电的沟道，使导电类型相同的源、漏区连接起来。
耗尽型场效应管，其主要特点是栅源电压V GS =0时，N 型沟道已经存在了。
控制氧化层中一定数量的正电荷或用离子注入便能做到这一点。
在同一衬底上，生成P 沟道MOS 场效应管和N 沟道MOS 场效应管，这种结构和工艺通常称为COMS 电路结构与工艺。
由于CMOS 电路结构简单，功耗小，因而在MOS 集成电路中，广泛采用电路结构与工艺。
MOS 场效应管在应用中有多种连接方式。
最常用的是共源连接方式，以N 沟道增强型MOS 管为例，如图2所示。
MOS管工作原理详细讲解MOS管，也称为金属氧化物半导体场效应管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，简称MOSFET），是一种常用的半导体器件。
它具有高速开关、低功耗、体积小等优点，在电子领域得到广泛应用。
本文将详细讲解MOS 管的工作原理。
一、MOS管的结构MOS管的结构主要包括衬底（Substrate）、绝缘层（Insulator）、栅极（Gate）、源极（Source）和漏极（Drain）五个部分。
衬底是MOS管的基底，通常由硅材料制成。
绝缘层位于衬底和栅极之间，常用的绝缘层材料是二氧化硅（SiO2）。
栅极是通过控制电压来控制MOS管的导电性的部分，通常由高纯度的多晶硅材料制成。
源极和漏极是用于连接外部电路的接线端子。
二、MOS管的工作原理MOS管的工作原理基于场效应。
当栅极施加的电压为零时，MOS管处于关闭状态，没有电流通过。
当栅极施加正向电压时，栅极下方的绝缘层上会形成一个正电荷区域，这个正电荷区域会吸引衬底上的自由电子，使得衬底与源极之间形成导电通路，从而产生漏极电流。
因此，当栅极施加正向电压时，MOS管处于导通状态。
三、MOS管的工作区域根据栅极电压和源极-漏极电压的不同，MOS管可以分为三个工作区域：截止区、线性区和饱和区。
1. 截止区：当栅极电压低于临界电压（阈值电压）时，MOS管处于截止区。
此时，MOS管完全关闭，没有电流通过。
2. 线性区：当栅极电压高于临界电压，且源极-漏极电压较小时，MOS管处于线性区。
此时，MOS管的源极-漏极电流与源极-漏极电压成正比关系，符合欧姆定律。
3. 饱和区：当栅极电压高于临界电压，且源极-漏极电压较大时，MOS管处于饱和区。
此时，MOS管的源极-漏极电流几乎不再随源极-漏极电压的增加而增加，达到饱和状态。
四、MOS管的特性MOS管具有以下几个重要的特性：1. 高输入电阻：由于绝缘层的存在，MOS管的栅极与衬底之间几乎没有电流流过，因此栅极电流非常小，导致MOS管具有很高的输入电阻。
