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第二讲第二讲 MOS器件物理器件物理(续续)MOS管的电特性管的电特性主要指：主要指：o阈值电压阈值电压oI/V特性特性o输入输出转移特性输入输出转移特性o跨导等电特性跨导等电特性 MOS管的电特性管的电特性 阈值电压（阈值电压（NMOS）o在漏源电压的作用下刚开始有电流产生时的在漏源电压的作用下刚开始有电流产生时的VG为阈值电压为阈值电压Vth：MS：指多晶硅栅与硅衬底间的接触电势差：指多晶硅栅与硅衬底间的接触电势差称为费米势，其中称为费米势，其中q是电子电荷是电子电荷Nsub：衬底的掺杂浓度：衬底的掺杂浓度Qb：耗尽区的电荷密度，其值为，其中：耗尽区的电荷密度，其值为，其中是硅的介电常数是硅的介电常数Cox：单位面积的栅氧电容，：单位面积的栅氧电容，Qss：氧化层中单位面积的正电荷：氧化层中单位面积的正电荷VFB：平带电压，：平带电压，VFB MOS管的电特性管的电特性 阈值电压阈值电压o同理同理PMOS管的阈值电压可表示为：管的阈值电压可表示为：o注意：注意：n器件的阈值电压主要通过改变器件的阈值电压主要通过改变衬底掺杂浓度衬底掺杂浓度、衬底表面浓度衬底表面浓度或或改变氧改变氧化层中的电荷密度化层中的电荷密度来调整，对于增强型来调整，对于增强型MOS管，适当增加衬底浓度，管，适当增加衬底浓度，减小氧化层中的正电荷即可使其阈值大于减小氧化层中的正电荷即可使其阈值大于0；而氧化层中的正电荷较；而氧化层中的正电荷较大或衬底浓度太小都可形成耗尽型大或衬底浓度太小都可形成耗尽型NMOS。n实际上，用以上方程求出的实际上，用以上方程求出的“内在内在”阈值在电路设计过程中可能不适阈值在电路设计过程中可能不适用，在实际设计过程中，常通过改变多晶与硅之间的接触电势即：用，在实际设计过程中，常通过改变多晶与硅之间的接触电势即：在在沟道中注入杂质沟道中注入杂质，或通过，或通过对多晶硅掺杂金属对多晶硅掺杂金属的方法来调整阈值电压。的方法来调整阈值电压。比如：若在比如：若在p型衬底中掺杂三价离子形成一层薄的型衬底中掺杂三价离子形成一层薄的p区，为了实现耗区，为了实现耗尽，其栅电压必须提高，从而提高了阈值电压。尽，其栅电压必须提高，从而提高了阈值电压。MOS管的电特性管的电特性输出特性（输出特性（I/V特性）特性）oMOS晶体管的输出电流电压特性的经典描述是萨氏方程。晶体管的输出电流电压特性的经典描述是萨氏方程。o忽略二次效应忽略二次效应，对于，对于NMOS管导通时的萨氏方程为：管导通时的萨氏方程为：VGSVth：MOS管的管的“过驱动电压过驱动电压”L：指沟道的有效长度：指沟道的有效长度W/L称为宽长比称为宽长比，称为，称为NMOS管的导电因子管的导电因子oID的值取决于工艺参数：的值取决于工艺参数：nCox、器件尺寸、器件尺寸W和和L、VDS及及VGS。MOS管的电特性管的电特性输出特性（输出特性（I/V特性）特性）o截止区：截止区：VGSVth，ID0；o线性区：线性区：VDSVGSVth，漏极电流即为萨氏方程。漏极电流即为萨氏方程。o深三极管区：深三极管区：VDS1是一非理想的因子；是一非理想的因子；ID0为特征电流：为特征电流：，m为工艺因子，因此为工艺因子，因此ID0与工艺有关；与工艺有关；而而VT称为热电压：称为热电压：。亚阈值效应亚阈值效应亚阈值工作特点：亚阈值工作特点：o在亚阈值区的漏极电流与栅源电压之间呈指数关系在亚阈值区的漏极电流与栅源电压之间呈指数关系，这，这与双极型晶体管相似。与双极型晶体管相似。o亚阈值区的跨导为：亚阈值区的跨导为：由于由于1，所以，所以gmID/VT，即，即MOS管的最大跨导管的最大跨导比双极型晶体管（比双极型晶体管（IC/VT）小。且根据跨导的定义，）小。且根据跨导的定义，ID不不变而增大器件宽变而增大器件宽W可以提高跨导，但可以提高跨导，但ID保持不变的条件保持不变的条件是必须降低是必须降低MOS管的过驱动电压管的过驱动电压。亚阈值效应亚阈值效应o因此在亚阈值区域，因此在亚阈值区域，大器件宽度（存在大大器件宽度（存在大的寄生电容）或小的漏极电流的的寄生电容）或小的漏极电流的MOS管具管具有较高的增益。有较高的增益。o为了得到亚阈值区的为了得到亚阈值区的MOS管的大的跨导，管的大的跨导，其工作速度受限（大的器件尺寸引入了大的其工作速度受限（大的器件尺寸引入了大的寄生电容）。寄生电容）。温度效应温度效应 o温度效应对温度效应对MOS管的性能的影响主要体现管的性能的影响主要体现在阈值电压在阈值电压Vth与载流子迁移率随温度的变与载流子迁移率随温度的变化。化。o阈值电压阈值电压Vth随温度的变化：以随温度的变化：以NMOS管为管为例，阈值电压表达式两边对温度例，阈值电压表达式两边对温度T求导可以求导可以得到得到温度效应温度效应o上式一直为负值，即上式一直为负值，即阈值电压随温度上升而阈值电压随温度上升而下降下降。o对于对于PMOS管则管则dVth/dT总为正值，即总为正值，即阈值阈值电压随温度的上升而增大电压随温度的上升而增大。温度效应温度效应载流子迁移率随温度的变化载流子迁移率随温度的变化 o实验表明，对于实验表明，对于MOS管，如果其表面电场小管，如果其表面电场小于于105V/cm，则沟道中电子与空穴的有效，则沟道中电子与空穴的有效迁移率近似为常数，并约为半导体体内迁移迁移率近似为常数，并约为半导体体内迁移率的一半。率的一半。o实验还发现，在器件工作的正常温度范围内，实验还发现，在器件工作的正常温度范围内，迁移率与温度近似成反比关系迁移率与温度近似成反比关系。温度效应温度效应o漏源电流漏源电流IDS随温度的变化随温度的变化 o根据以上的分析，温度的变化会引起阈值电压根据以上的分析，温度的变化会引起阈值电压与迁移率的变化，进而影响其漏源电流。由萨与迁移率的变化，进而影响其漏源电流。由萨氏公式两边对氏公式两边对T求导得：求导得：温度效应温度效应o则有：则有：o由于温度的变化对阈值电压与迁移率的影响正好是反由于温度的变化对阈值电压与迁移率的影响正好是反向的，漏源电流向的，漏源电流IDS随温度的变化取决于这两项的综随温度的变化取决于这两项的综合，因此，合，因此，MOS管的电性能的温度稳定性比双极型管的电性能的温度稳定性比双极型的晶体管好的晶体管好。