第二章基本MOS元件物理 ppt课件

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

与MOS相关的控制器问题
*
（5）、控制器中的MOS经常“坏掉”，到底是什么原因？ 1. 控制器温度过高，将功率管“烧”坏，打开控制器可以看到功率管上面的塑封体被烧化了.这主要是控制器长期在大电流下运行造成的，可能是MOS与散热片上的螺丝未拧紧导致散热不良。连接MOS的螺丝和塑料粒子也容易变形烧坏，可以在塑料粒子和螺丝之间再垫上金属平垫片和弹簧垫片，保证塑料粒子被压紧，同时散热性能也会好点。 2.另外，控制器软件和硬件保护做的又不到位，还有驱动电路与功率管不匹配都会导致这种问题。建议客户将样品寄给我们，以便匹配； 3. 电机本身设计的不好。这点从相对地波形容易看出。如果相对地波形不是梯形波，而是有明显的电压突变现象，就会使dV/dt过大，也会导致MOS管易坏，这点建议电机厂修改电机。
*
垂直导电MOSFET
根据栅氧槽形状，可分成VMOS、UMOS、TMOS、DMOS等
*
1001M导电结构
1001纵向剖面图
*
MOS主要应用范围
高压MOS： 1、 PC电源：2N60、4N60、10N60 2、节能灯：830（5A500V）、840（8A500V）、 3、 电子镇流器：830、840、5N50； 4、 充电器、笔记本适配器：1N60、2N60、4N60、5N60、6N60、7N60、8N60、10N60； 低压MOS： 5、 电动工具：60N06、； 6、 电动车： 1001、1808 ； 7、 锂电池保护：8205； 8、 UPS：1001、1707；
MOS动态参数
*
MOS参数中英文对照表
*
MOS动态参数
gfs---正向跨导 。表示栅源电压UGS — 对漏极电流ID的控制能力，即漏极电流ID变化量与栅源电压UGS变化量的比值. dv/dt---电压上升率（控制器电路参数） 由于MOSFET的封装电感和线路的杂散电感的存在，在MOSFET反向恢复电流Irr突然关断时，MOSFET上的电压Vds会出现振铃，导致Vds超过MOSFET的BVDSS从而发生雪崩现象。 若MOSFET的米勒电容Cgd 偏大的同时且VTH又偏小，则MOSFET在关闭的瞬间，将在GS端感应出电压（与dv/dt、Cgd、Cgs、RG相关），若该电压大于VTH，则将导致Cdv/dt感应导通。

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

2-22
模拟CMOS集成电路设计
在漏源电压作用下开 始导电时（即产生iD） 的栅源电压为开启电
压VT
VGS<VTN时（ VTN 称为开启电压)
0＜VGS＜VTN时，SiO2中产生一垂直于表面的电场，P型表 面上感应出现许多电子，但电子数量有限,不能形成沟道。
2-23
模拟CMOS集成电路设计
在栅极下方形成的 导电沟道中的电子 ，因与P型半导体的 多数载流子空穴极 性相反，故称为反 型层。
2-16
模拟CMOS集成电路设计
栅就是氧化物层
2-17
模拟CMOS集成电路设计
2-18
模拟CMOS集成电路设计
改变阈值电压的方法
• 往用离子注入技术改变沟道区的掺杂浓度，从 而改变阈值电压。
• 对NMOS晶体管而言，注入P型杂质，将使阈 值电压增加。反之，注入N型杂质将使阈值电 压降低。
• 如果注入剂量足够大，可使器件沟道区反型变 成N型的。这时，要在栅上加负电压，才能减 少沟道中电子浓度，或消除沟道，使器件截止。 在这种情况下，阈值电压变成负的电压，称其 为夹断电压。
216金属接负电荷后在金属面堆积负电荷氧化物是没有电荷绝缘层p型半导体中可以感应到正电荷p型半导体主要的载流子是空穴所以堆积空穴当金属接正电荷后在金属层堆积空穴则会排斥p型半导体上的空穴形成宽度为xd的耗尽层耗尽层区没有自由电子和空当vg不断升高时会有越来越多的空穴堆积他不仅把p型半导体中的空穴推得越来越远还会把p型半导体中的少子电子吸引到非常薄的层面紧紧贴到氧化物这层形成反型217栅就是氧化物层218219改变阈值电压的方法往用离子注入技术改变沟道区的掺杂浓度从而改变阈值电压
2-28
模拟CMOS集成电路设计
MOS的伏安特性