白底9第9章MOS场效应晶体管.ppt

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1、2000-9-20,1,第九章MOS场效应晶体管,9-1，MOS 管基本原理9-2，MOS 管的电学参数1阈值电压9-3，电流方程9-4，其他电学参数,2000-9-20,2,第九章Mos场效应晶体管原理,参考书：双极型与MOS半导体器件原理黄均鼎 汤庭鳌 编著复旦大学出版社晶体管原理半导体器件电子学（英文版）美国，,电子工业出版社,2000-9-20,VLSI CAD,CHP.0,3,9-1 MOS晶体管工作原理,9-1-1 MOS晶体管的结构特点和基本原理9-1-2 MOS晶体管的阈值电压分析9-1-3 MOS晶体管的电流方程9-1-4 MOS晶体管的瞬态特性,2000-9-20,VLSI

2、 CAD,CHP.0,4,9-1，MOS晶体管工作原理,1-1 MOS晶体管的结构特点和基本原理1-2 MOS晶体管的阈值电压分析1-3 MOS晶体管的电流方程1-4 MOS晶体管的瞬态特性补充：1-5 MOS晶体管的其它电学参数1,2000-9-20,VLSI CAD,CHP.0,5,9-1-1MOS晶体管的基本结构,MOS晶体管-MOSFET,金属-氧化物-半导体场效应晶体管基本结构：源区，漏区，沟道区,图1-1-2，图1-1-1,主要结构参数：沟道长度（1-1-2,栅极图形沟道长度poly,实际沟道长度S-D）沟道宽度W(1-1-3,W=W1+W2+W3)栅氧化层厚度tox源漏区结深 X

3、j（见图1-1-1）,2000-9-20,VLSI CAD,CHP.0,6,9-1-2 MOS管基本工作原理,工作原理-栅压控制器件(1-1-4能带图)Vgs=0，截止0 V t（图1-3-3）开启 情况1：Vds=0 情况2：Vds0 转移特性曲线（图1-1-5，漏级电流，栅压，漏压，阈值电压）输出特性曲线-I-V曲线（图1-1-6，截止区，线性区，饱和区，击穿区）问题：为什么MOS晶体管也叫单极晶体管？,2000-9-20,VLSI CAD,CHP.0,7,9-1-3 MOS晶体管的分类,按导电类型：NMOS管：N沟道 MOS晶体管PMOS管：P沟道 MOS晶体管按工作机制分：增强型器件：

4、（也叫常截止器件）耗尽型器件：（也叫常导通器件）图1-1-9,2000-9-20,VLSI CAD,CHP.0,8,9-1-4 MOS晶体管的结构特点,结构简单面积小-便于集成输入阻抗很高-级间可以直接耦合源漏对称-电路设计灵活有效工作区集中在表面，和衬底隔离,2000-9-20,VLSI CAD,CHP.0,9,9-2 MOS管的阈值电压分析,阈值电压定义：使沟道区源端半导体表面达到强反型所需要的栅压。阈值电压V t：决定MOS管状态的关键。Vgs V t：导通态。,2000-9-20,VLSI CAD,CHP.0,10,9-2-1 影响阈值电压的因素,定义：V t=Vgs|表面强反型时表达

5、式：V t=V FB+2F-QBm/Cox 电压降在平带电压，强反型电压，栅氧化层 计算：将公式1-1-3到1-2-8代入上式,2000-9-20,VLSI CAD,CHP.0,11,2000-9-20,VLSI CAD,CHP.0,12,9-2-1影响V t的基本因素,1，材料：金属类型MS，氧化层中的电荷QOX半导体沟道区掺杂浓度NA半导体材料参数 ni;i 2，氧化层厚度：越厚则阈值电压越大衬底参杂高，则阈值电压越大3，温度：温度上升，阈值电压下降4，和器件的横向尺寸无关调整考虑：降低。以便降低芯片耗电。控制器件类型平衡对偶器管子（CMOS）,2000-9-20,VLSI CAD,CHP

6、.0,13,9-2-2 体效应对阈值电压的影响,Vbs不是0时，产生体效应。例：对 nmos管 Vbs 0，源和漏PN结反偏-QBm 增加-阈值电压增加计算：公式1-2-11和1-2-13（下页）理论结果：Vbs增加，则阈值电压增加衬底浓度增加，则阈值电压增加实验结果：图1-2-1,2000-9-20,VLSI CAD,CHP.0,14,体效应公式,2000-9-20,VLSI CAD,CHP.0,15,9-2-3 离子注入调节阈值电压,例1：增强型器件要高的阈值电压高的阈值电压用高的衬底掺杂完成，但击穿电压低、结电容大、体校应系数大。做法：离子注入产生局部高的衬底浓度，注入和衬底相同类型的杂

7、质。例2：耗尽型器件要低或相反的阈值电压做法：离子注入和衬底相反类型的杂质，以便形成原始沟道。,2000-9-20,VLSI CAD,CHP.0,16,9-2-4 短、窄沟道效应对阈值电压的影响1,短沟道效应现象：图1-2-5,L方向，源漏耗尽区横向扩展使有效的L下降。分析：耗尽层体积减小-使栅压控制的耗尽层电荷减少-使阈值电压降低公式：1-2-29计算结果：图1-2-6,2000-9-20,VLSI CAD,CHP.0,17,9-2-4 短、窄沟道效应对阈值电压的影响2,窄沟道效应现象：图1-1-9,W方向，电场的边缘效应使W增加分析：耗尽层体积增加-使栅压控制的耗尽层电荷增加-使阈值电压增

8、加公式：1-2-30 其它场区注入使Vt增加漏感应势垒降低效应使Vt下降综合公式：1-2-31,2000-9-20,VLSI CAD,CHP.0,18,9-3 电流方程,四端器件图（1-3-1）2维电场（1-3-2）推导近似方程推导和结果（式1-3-9）,导电因子（式1-3-8）沟道区夹断现象(图1-3-3),2000-9-20,VLSI CAD,CHP.0,19,四端MOS器件,2000-9-20,VLSI CAD,CHP.0,20,9-3-2 简单电流方程2,非饱和区：1.3.12和1.3.8;饱和区：1.3.14;饱和条件：VDS=VDSAT,2000-9-20,VLSI CAD,CHP

9、.0,21,简单方程,2000-9-20,VLSI CAD,CHP.0,22,夹断现象,2000-9-20,VLSI CAD,CHP.0,23,9-3-3 饱和区沟道长度调制效应,现象：图1-3-9，实际IV特性饱和区电流不饱和原因：图1-3-8对电流方程的修正：在下式中,2000-9-20,VLSI CAD,CHP.0,24,沟道长度调制效应,2000-9-20,VLSI CAD,CHP.0,25,9-4 MOS晶体管的瞬态特性,9-4-1 MOS晶体管的本征电容 定义：由沟道区内的耗尽层电荷和反型层电荷随外电压变化引起的电容。9-4-2 MOS晶体管的寄生电容源漏区PN结电容：CjSB、C

10、jDB，图1-4-6覆盖电容：CGS、CGD,图1-4-9,CGB,图1-4-9,9-4-3 MOS晶体管瞬态分析的等效电路*大信号瞬态模型：图1-4-10简化模型：图1-4-119-4-4 MOS晶体管的本征频率*本征频率fM,是晶体管的最高工作频率结论：频率和沟道长度的平方成反比：L下降，速度提高。,2000-9-20,VLSI CAD,CHP.0,26,9-4-本征电容，源漏区结电容,2000-9-20,VLSI CAD,CHP.0,27,9-4-覆盖电容,2000-9-20,VLSI CAD,CHP.0,28,9-4-大信号瞬态模型，简化模型,2000-9-20,VLSI CAD,CH

11、P.0,29,9-5 MOS晶体管的其它电学参数1,阈值电压 VT漏极电流 ID工作速度跨导沟道电阻其它,2000-9-20,VLSI CAD,CHP.0,30,9-5 MOS晶体管的其它电学参数2,工作速度切换时间：电子从源到漏的所需要的时间公式：=L2/(*VDS)跨导Gm=(dIDS/dVGS)|VDS不变 图1-1-5沟道电导Gd=(dIDS/dVDS)|VGS不变 图1-1-6,2000-9-20,VLSI CAD,CHP.0,31,9-5 MOS晶体管的其它电学参数2,导电因子、增益因子,导电因子K因子、本征导电因子K,结论：导电因子由工艺参数 K和设计参数 W/L决定。,2000-9-20,VLSI CAD,CHP.0,32,第九章小结,MOS晶体管的结构特点和基本原理MOS晶体管的阈值电压和影响因素MOS晶体管的简单电流方程和输出曲线MOS晶体管的电学参数,2000-9-20,VLSI CAD,CHP.0,33,第九章讨论,由简单电流方程求出饱和区沟道电阻和跨导。描述你的理想MOS晶体管模型就实际晶体管的输出曲线，试述饱和区电流不饱和的原因,