MOS的阈值电压和电流.ppt
集成电路原理与设计,3.1 MOS的阈值电压和电流,2,长沟道MOS器件模型,3.1.1 MOS晶体管阈值电压分析3.1.2 MOS晶体管电流方程3.2.1 MOS晶体管的亚阈值电流3.2.2 MOS晶体管的瞬态特性3.2.3 MOS交流模型3.2.4 MOS晶体管的特征频率,3,MOS晶体管的结构,MOS晶体管的结构,4,MOSFET的输入、输出特性曲线,5,Switch Model of NMOS Transistor,Gate,Source(of carriers),Drain(of carriers),|VGS|,|VGS|VT|,|VGS|VT|,MOS晶体管阈值电压分析,阈值电压的定义：使源端半导体表面达到强反型的栅压，是区分MOS器件导通和截止的分界点。半导体表面达到强反型的栅压-VT,7,1、阈值电压公式(假设NMOS源端和衬底接地),VFB对应半导体平带电压Vox对应栅氧化层上的压降 对应半导体表面耗尽层上的压降,8,F 是衬底费米势 F=(kT/q)ln(NA/ni)(NMOS)F=-(kT/q)ln(ND/ni)(PMOS),阈值电压：耗尽层压降表面势,9,QBM/Cox对应栅氧化层上的压降（NMOS）QBM=20SiqNA(2F)1/2Cox=0ox/tox,阈值电压：氧化层压降,10,VFB：半导体平带电压,栅材料和硅衬底之间的功函数差栅氧化层中的可动电荷和固定电荷以及界面态电荷外加栅压抵消这部分能带弯曲，使得能带恢复平直，称为平带电压,VGS0，Qox0,11,影响阈值电压因素：1、栅电极材料,不同栅电极材料同硅衬底之间的功函数差不同深亚微米工艺中分别采用n和p硅栅，有利于nmos和pmos器件阈值电压对称,12,影响阈值电压因素：2、栅氧化层的质量和厚度,栅氧化层中的电荷也会影响阈值电压栅氧化层的厚度增加，阈值电压增加,QBm/Cox对应栅氧化层上的压降QBm=20SiqNA(2F)1/2Cox=0ox/tox,13,影响阈值电压因素：3、衬底掺杂浓度,本征阈值：理想器件（平带电压为0）的阈值电压增强型器件要求本征阈值大于平带电压绝对值提高衬底掺杂浓度可以增加本征阈值,F=(kT/q)ln(NA/ni)(NMOS)F=-(kT/q)ln(ND/ni)(PMOS),14,2、体效应对阈值电压的影响,假设衬底和源端等电位如果衬底和源端之间有电压，阈值电压会发生变化，也称为衬偏效应,体效应系数,NMOS器件一般加负的衬底偏压，即VBS0,衬底偏压为0时的阈值电压,15,2、体效应对阈值电压的影响,引入体效应因子带衬偏电压的阈值电压公式体效应引起的阈值电压变化,16,不同衬底掺杂浓度下，衬底偏压引起阈值电压的变化,F=(kT/q)ln(NA/ni)(NMOS)F=-(kT/q)ln(ND/ni)(PMOS),17,18,体效应的应用,电路中不是所有器件的源和衬底均能够短接，这个时候体效应引起阈值电压的变化，影响电路性能动态阈值控制电路中，利用衬底偏压调节阈值，满足高速和低功耗不同应用的需要,19,长沟道MOS器件模型,3.1.1 MOS晶体管阈值电压分析3.1.2 MOS晶体管电流方程3.2.1 MOS晶体管的亚阈值电流3.2.2 MOS晶体管的瞬态特性3.2.3 MOS交流模型3.2.4 MOS晶体管的特征频率,20,3.1.2 MOS晶体管的电流电压特性,漏电压对MOS特性的影响 简单电流方程,21,N 型半导体,22,P 型半导体,23,PN 结的形成,多数载流子的扩散运动,24,形成 PN 结,25,结加反向电压,PN,（截止）,26,1、漏电压对MOS特性的影响,栅电压高于阈值电压，沟道区形成导电沟道加上漏电压Vds，形成横向电场，NMOS沟道电子定向运动线性区,27,漏电压对MOS特性的影响,漏压不断增加，反偏pn结耗尽区不断扩展漏压达到夹断电压，漏端沟道夹断饱和区,28,漏电压对沟道电荷的影响,29,没有漏电压时沟道区电荷分布,栅电压高于阈值电压，沟道区形成导电沟道,30,漏电压较小时沟道区电荷分布,加上漏电压Vds，形成横向电场，NMOS沟道电子定向运动，线性区,31,形成 PN 结,32,漏端沟道夹断情况,漏压不断增加，反偏pn结耗尽区不断扩展漏压达到夹断电压，漏端沟道夹断饱和区,33,漏电压较大时沟道区电荷分布,34,2 简单电流方程,35,推导电流方程的一些近似处理,缓变沟道近似 对NMOS忽略空穴电流 在强反型区忽略扩散电流 忽略复合与产生，沟道内电流处处相等 假定载流子的表面迁移率是常数 利用薄层电荷近似,36,根据高斯定理：,37,根据欧姆定律：,对电流公式进行积分，其中Vc(y)是漏电压沿沟道方向的电压降漏压较小的时候，沟道连续（0L），Vc(y)为（0Vds）得到线性区电流方程,38,在VDS较小时，从源到漏都存在导电沟道，根据电流连续，两边积分得到线性区电流：,线性区电流：,导电因子,39,饱和区电流,当漏压增大到一定程度，漏端沟道夹断，器件进入饱和区夹断点处的电压称为漏饱和电压VDsatVGSVT，代入线性区电流公式，得到饱和区电流,40,电流方程：端电压形式,导电因子：K因子本征导电因子：K端电压形式的电流方程体现了MOS器件的源漏对称的特点,41,42,MOS管的工作状态,43,44,45,46,阈值电压和导电因子的测量,VT=VGS(ID=10-7A)导电因子利用饱和区电流公式,47,作业,1.什么是阈值电压？影响阈值电压的因素有哪些？2.什么是衬偏效应？3.45,
