MOS器件物理基础.ppt

2.4 器件模型
❖ 版图、电容、小信号模型等
第2章MOS器件物理基础
10
2.2 MOMSO的SI管/V工特作性-原工作理原理与阈值电压
当VG=0，MOS管相当于两个反偏的二极管，截止 当VG稍微增大时，在正的栅源电压作用下，产生电场，
这个电场排斥空穴而吸引电子，因此，使栅极附近的p型 衬底中的空穴被排斥，留下不能移动的受主离子（负离 子），截止。
第2章 MOS器件物理基础
2.1 基本概念
❖ 简化模型－开关 ❖ 结构
2.2 I/V特性
❖ 阈值电压 ❖ I-V ❖ 跨导
2.3 二级效应
❖ 体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性
2.4 器件模型
❖ 版图、电容、小信号模型等
第2章MOS器件物理基础 1
2.1 基本概念-MOSFET开关
NMOS管三端器件，栅(G)、源(S)、 漏(D)。 通常作为开关使用，VG高 电平，MOS管导通，D、S连接。
nCox
W L
(VGS
Vth )VDS
1 2
VD2S
K N 2(VGS Vth )VDS VD2S
VGS－Vth：MOS管的“过驱动电压”
L：指沟道的有效长度
W/L称为宽长比，K N
1 2
nC，ox WL
称为NMOS管的导电因子，
μn载流子迁移率。
ID的值取决于工艺参数：μn、Cox、器件尺寸W和L、VDS及VGS。
第2章MOS器件物理基础 14
2.2 MOS的I/V特性-阈值电压
0 栅与衬底功函数差
COX
OX
TOX
单位面积栅氧化层电容
常通过沟道注入把VTH0调节到合适值 工艺确定后，VTH第02章就MO固S器定件物了理基，础 设计者无法改变

VALDSID /SVDS
L(dXd )1 dVDS
定义沟道长度调制系数： 1/VA
Leff Ld dV XD dSVDSL(1VDS)
1 Leff
11(VVDDSS)2

1 L
∵VDS<<1，忽略上式的二次项：
1 Leff

(1VDS
)
1 L
∴得到：
ID SK 2' W L(VG SVTN)2(1VD S)
O
uDS
沟道调制系数λ=1/UA
对于典型的0.5 μm工艺的MOS管， 忽
略沟道调制效应， 其主要参数如表所示。
表 3 - 1 0.5 μm工艺MOS管的典型参数
假定有一NMOS管， W=3 μm, L=2 μm, 在
恒流区则有:
U GS 2V
ID

K W 2 L
(U
小变大， 沟道将发生变化。
ID
若UDS=UGS-UTH , 则沟道在漏
区边界上被夹断， 因此该点 电压称为预夹断电压。
在 此 点 之 前 ， 即 UDS<UGSU时TUH D，S管增子大工，作ID在有线明性显区的，增大此。O
在 预 夹 断 点 之 后 ， 即 源 区(N＋ )
UDS>UGS-UTH ， 管 子 工 作 在 恒流区， 此时UDS增大， 大
部分电压降在夹断区， 对沟
反型 层 源 区 (N ＋ )
道电场影响不大， 因此电流
增大很小。
源 区 (N ＋ )

线性 区 饱和 区(恒 流区) UGS ＝ 5 V
UGS ＝ 2.5 V UGS ＝ 1.5 V
漏 区 (N ＋ ) 电流

西安电子科技大学
17
MOS管在饱和区电流公式
西安电子科技大学
18
西安电子科技大学
Thanks！
19
MOS管所有pn结必须反偏: *N-SUB接VDD！
4 *P-SUB接VSS！ *阱中MOSFET衬底常接源极S，why？
电路中的符号表征
西安电子科技大学
MOS管等效于一个开关!
5
西安电子科技大学
(a)栅压控制的MOSFET (b)耗尽区的形成(c)反型的开始
6 (d)反型层的形成
西安电子科技大学
西安电子科技大学
MOS器件物理基础
西安电子科技大学 刘术彬
1
西安电子科技大学
2
基本结构
西安电子科技大学
Ldrawn：沟道总长度 LD：横向扩散长度
*D、S是对称的，可互换？ *所有pn结必须反偏！
Leff：沟道有效长度， Leff＝ Ldrawn－2 LD
3
西安电子科技大学
CMOS结构 (P、N基于同一衬底)
沟道单位长度电荷(C/m) 电荷移 动速度 (m/s)
12
I/V特性的推导（3）
西安电子科技大学
13
I/V特性的推导（4）
西安电子科技大学
14
西安电子科技大学 NMOS管VGS>VT、VDS> VGS+VT时的示意图
15
I/V特性的推导（5）
西安电子科技大学
16
饱和区MOSFET的I/V特性
NMOS管VGS>VT、VDS=0时的示意图
7
西安电子科技大学 NMOS管VGS>VT、0<VDS< VGS-VT时的示意图
8

定义从D流 向S为正 PMOS管电流驱动能力比NMOS管差 0.8 m nwell：p=250cm2/V-s, n=550cm2/Vs 0.5 m nwell：p=100cm2/V-s, n=350cm2/V-
第23页/共61页
跨导gm
VGS对IDS的控制能力 IDS对VGS变化的灵敏度
gm ID VGS VDS cons tant
• 直流关系式－I/V特性 • 交流关系式－小信号电路中的参数
第6页/共61页
MOS管简化模型
简化模型——开关 由VG控制的一个开关
第7页/共61页
MOS管的结构
Bulk（body）
源漏在物理结构上是完全对称的，靠什么区分开？
提供载流子的端口为源，收集载流子的端口为漏
最重要的工作区域？
受VG控制的沟道区
• 小信号模型 • 信号相对于偏置工作点而言比较小、不会显著影响偏置工作点时用该模型简化计算 • 由gm、 gmb、rO等构成低频小信号模型，高频时还需加上 CGS等寄生电容、寄生电阻（接触孔电阻、 导电层电阻等）
沟道电荷的产生
当VG大到一定 程度时，表面势 使电子从源流向 沟道区 VTH定义为表面电 子浓度等于衬底 多子浓度时的VG
第12页/共61页
阈值电压
0 栅与衬底功函数差
COX
OX
TOX
常通过沟道注入把VTH0调节到合适值 工艺确定后，VTH0就固定了，设计者无法改变
第13页/共61页
I/V特性－沟道随VDS的变化
第3页/共61页
掌握器件物理知识的必要性
• 数字电路设计师一般不需要进入器件内部，只把它当开关用即可 • AIC设计师必须进入器件内部，具备器件物理知识
• MOS管是AIC的基本元件 • MOS管的电特性与器件内部的物理机制密切相关，设计时需将两者结