第5章MOS反相器MOS晶体管课件.ppt

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1、半导体半导体集成电路集成电路夏炜炜夏炜炜扬州大学物理科学与技术学院扬州大学物理科学与技术学院E-mail：1/8/2023 MOSFET晶体管晶体管2023/1/8q MOS晶体管晶体管本节课主要内容本节课主要内容v 器件结构器件结构v电流方程电流方程v电流电压特性电流电压特性v衬底偏压效应衬底偏压效应v短沟道效应短沟道效应vMOSFET的电容的电容vMOSFET的导通电阻的导通电阻2023/1/8MOSFET2023/1/8MOS晶体管的动作晶体管的动作 MOS晶体管实质上是一种使晶体管实质上是一种使电流时而流过，时而切断的电流时而流过，时而切断的开关开关开关开关n+n+p型硅基板型硅基板栅

2、极栅极绝缘层（绝缘层（SiO2）半半导导体体基基板板漏极漏极源极源极N N沟沟沟沟MOSMOS晶体管的基本结构晶体管的基本结构晶体管的基本结构晶体管的基本结构MOSFET的基本结构的基本结构2023/1/8MOSMOS晶体管的符号晶体管的符号晶体管的符号晶体管的符号源极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)源极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)VDID非饱和区非饱和区饱和区饱和区VGNMOSPMOS源极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)(a)(b)NMOSPMOS源极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)2023/1/82023/1/8非饱和区的电流方程非饱和区的电流方程2023/1/

3、8饱和区的电流方程饱和区的电流方程 MOS晶体管L沟道长度调制效应沟道长度调制效应2023/1/8VDSID非饱和区非饱和区饱和区饱和区VDSsat=VGS-VTHn+n+p型硅基板型硅基板GSD非饱和区的电流方程非饱和区的电流方程:饱和区的电流方程饱和区的电流方程:记住记住2023/1/8VDSID非饱和区非饱和区饱和区饱和区VDSsat=VGS-VTHID(0VDSVGS-VTH)(0 VGS-VTH VDS)NMOS晶体管的I/V特性-12023/1/8漏极栅极源极SiO2WLm mnCoxWLCox常令常令 Knm mnCox,Kpm mpCox导电因子导电因子2023/1/8MOS晶

4、体管的阈值电压晶体管的阈值电压-1EcEiEFEiEVVG=VFB(=0)+VG0+EcEiEFEiEVVoxsVGEFmwEFmEcEiEFEiEVVGwmaxVGVTH+最大耗尽层最大耗尽层EFm2023/1/8MOS晶体管的阈值电压晶体管的阈值电压-2反型层反型层感应电子感应电子VGVTH+EFmEcEiEFEiEVVGwmax最大耗尽层最大耗尽层Voxfs2023/1/8MOS晶体管的阈值电压晶体管的阈值电压-3EFEiEcEVfFfs=2fFEcEiEFEiEVVG=VFB(=0)+VFB0EFm2023/1/8MOS晶体管的阈值电压晶体管的阈值电压-42023/1/8VGVTH+最

5、大耗尽层最大耗尽层VoxfsVBSfs-VBS2023/1/8影响影响影响影响MOSMOS晶体管特性的几个重要参数晶体管特性的几个重要参数晶体管特性的几个重要参数晶体管特性的几个重要参数 MOSMOS晶体管的宽长比（晶体管的宽长比（晶体管的宽长比（晶体管的宽长比（W/L)W/L)MOSMOS晶体管的开启电压晶体管的开启电压晶体管的开启电压晶体管的开启电压V VTH TH 栅极氧化膜的厚度栅极氧化膜的厚度栅极氧化膜的厚度栅极氧化膜的厚度t toxox沟道的掺杂浓度（沟道的掺杂浓度（沟道的掺杂浓度（沟道的掺杂浓度（N NA A)衬底偏压（衬底偏压（衬底偏压（衬底偏压（V VBSBS)功函数差功函数

6、差功函数差功函数差SiOSiO2 2表面电荷表面电荷表面电荷表面电荷费米势费米势费米势费米势衬底偏压衬底偏压衬底偏压衬底偏压ID(0VDSVGS-VTH)(0 VGS-VTH 1m mm)饱和区饱和区饱和区饱和区非饱和区非饱和区非饱和区非饱和区1.0V1.5V2.0V2.5VIDSVDSVGS2023/1/8PMOS的的IDS-VDS特性特性（沟道长（沟道长1m mm)2023/1/8MOS管的电流解析方程（管的电流解析方程（L1m mm)工艺参数工艺参数工艺参数工艺参数ID(0VDSVGS-VTH)(0 VGS-VTH VDS)沟道长度调制系数沟道长度调制系数VTH 阈值电压阈值电压2023

7、/1/8源极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)VGVDIDnMOS晶体管的晶体管的I-V特性特性VTHIDVG增强型（增强型（E)VTHIDVG耗尽型耗尽型(D)NMOS晶体管的晶体管的I/V特性特性-2（转移特性）（转移特性）2023/1/8VTHVTHIDVGIDVG增强型（增强型（E)耗尽型耗尽型(D)NMOS的的ID-VG特性特性(转移特性）转移特性）VGS=02023/1/8阈值电压的定义阈值电压的定义饱和区外插饱和区外插V VTHTH在晶体管的漏源极加上接近在晶体管的漏源极加上接近在晶体管的漏源极加上接近在晶体管的漏源极加上接近电源电源电源电源VDDVDDVDDVDD的电压，画

8、出的电压，画出的电压，画出的电压，画出V V V VGSGSGSGS-I-I-I-IDSDSDSDS的关系曲线，找出该曲线的的关系曲线，找出该曲线的的关系曲线，找出该曲线的的关系曲线，找出该曲线的最大斜率，此斜率与最大斜率，此斜率与最大斜率，此斜率与最大斜率，此斜率与X X X X轴的交轴的交轴的交轴的交点定义为阈值电压。点定义为阈值电压。点定义为阈值电压。点定义为阈值电压。以漏电流为依据以漏电流为依据定义定义V VTHTH在晶体管的漏源极加上接在晶体管的漏源极加上接在晶体管的漏源极加上接在晶体管的漏源极加上接近电源近电源近电源近电源VDDVDDVDDVDD的电压，画出的电压，画出的电压，画出

9、的电压，画出V V V VGSGSGSGS-Log(I-Log(I-Log(I-Log(IDSDSDSDS)的关系曲线，的关系曲线，的关系曲线，的关系曲线，从该曲线中找出电流为从该曲线中找出电流为从该曲线中找出电流为从该曲线中找出电流为1 1 1 1微安时所对应的微安时所对应的微安时所对应的微安时所对应的V V V VGSGSGSGS定义为定义为定义为定义为阈值电压。阈值电压。阈值电压。阈值电压。MOS晶体管2023/1/8MOS管的跨导管的跨导gm（饱和区）饱和区）表征电压转换电流的能力表征电压转换电流的能力2023/1/8衬底偏压效应衬底偏压效应 通常衬底偏压通常衬底偏压通常衬底偏压通常衬

10、底偏压V VBSBS=0,=0,即即即即NMOSNMOS的衬底和源都接地，的衬底和源都接地，的衬底和源都接地，的衬底和源都接地，PMOS PMOS衬底和源都接电源。衬底和源都接电源。衬底和源都接电源。衬底和源都接电源。衬底偏压衬底偏压衬底偏压衬底偏压V VBSBS00时，阈值电压增大。时，阈值电压增大。时，阈值电压增大。时，阈值电压增大。MOS晶体管VBS(V)2023/1/8 MOS管短沟道效应管短沟道效应 I IDS DS 正比于正比于 W/L,LW/L,L要尽可能小要尽可能小当沟道长度变短到可以与源漏的当沟道长度变短到可以与源漏的耗尽层宽度相比拟时，发生短沟耗尽层宽度相比拟时，发生短沟道

11、效应。道效应。栅下耗尽区电荷不再完全受栅控栅下耗尽区电荷不再完全受栅控制，其中有一部分受源、漏控制，制，其中有一部分受源、漏控制，并且随着沟道长度的减小，受栅并且随着沟道长度的减小，受栅控制的耗尽区电荷不断减少，因控制的耗尽区电荷不断减少，因此，只需要较少的栅电荷就可以此，只需要较少的栅电荷就可以达到反型，使阈值电压降低达到反型，使阈值电压降低 MOS晶体管2023/1/8耗尽层耗尽层耗尽层耗尽层耗尽层耗尽层耗尽层耗尽层GateGate可控制的区域可控制的区域可控制的区域可控制的区域沟道长度沟道长度沟道长度沟道长度阈值电压阈值电压阈值电压阈值电压短沟道短沟道MOSFETGateGate可控制的

12、区域可控制的区域可控制的区域可控制的区域长沟道长沟道MOSFET“漏致势垒降低漏致势垒降低”(Drain-Induced Barrier Lowering,DIBL)2023/1/8载流子的饱和速度引起的载流子的饱和速度引起的 Early Saturation微小MOS晶体管 沟道长小于沟道长小于沟道长小于沟道长小于1 1微米时，微米时，微米时，微米时，NMOSNMOS饱和饱和饱和饱和 NMOSNMOS和和和和PMOSPMOS的饱和速度基本相同的饱和速度基本相同的饱和速度基本相同的饱和速度基本相同 PMOSPMOS不显著不显著不显著不显著饱和早期开始饱和早期开始饱和早期开始饱和早期开始2023

13、/1/8速度饱和效应速度饱和效应 (V/m)n(m/s)sat=105Constant velocityConstant mobility(slope=)c=n 引起速度饱和效应的主要原因引起速度饱和效应的主要原因l 速度饱和速度饱和 散射引起散射引起载流子的速度饱和载流子的速度饱和(大电大电场作用下载流子碰撞场作用下载流子碰撞)52023/1/8Long Channel I-V Plot(NMOS)ID(A)VDS(V)X 10-4VGS=1.0VVGS=1.5VVGS=2.0VVGS=2.5V LinearSaturationVDS=VGS-VTQuadratic dependenceNM

14、OS transistor,0.25um,Ld=10um,W/L=1.5,VDD=2.5V,VT=0.4Vcut-off2023/1/8Short Channel I-V Plot(NMOS)ID(A)VDS(V)X 10-4VGS=1.0VVGS=1.5VVGS=2.0VVGS=2.5VLinear dependenceNMOS transistor,0.25um,Ld=0.25um,W/L=1.5,VDD=2.5V,VT=0.4VEarly VelocitySaturation LinearSaturation2023/1/8速度饱和效应速度饱和效应 速度饱和效应导致驱动能力的降低速度饱和

15、效应导致驱动能力的降低2023/1/8速度饱和Long channel devicesShort channel devicesVDSATVGS-VTl VDSAT VT)固定时,IDS 是 以下参数的函数沟道长：L沟道宽 W阈值电压 VTSiO2厚度 tox栅极氧化膜的介电常数(SiO2)ox载流子迁移率nN型材料:n=500 cm2/V-secnP型材料:p=180 cm2/V-sec2023/1/8短沟道短沟道MOS晶体管电流解析式晶体管电流解析式微小MOS晶体管2023/1/8Subthreshold Conductance（亚阈值特性）（亚阈值特性）ID(A)VGS(V)10-121

16、0-2Subthreshold exponential regionQuadratic regionLinear regionVTl 晶体管从导通到关断是晶体管从导通到关断是一个缓变过程一个缓变过程 l亚阈值摆幅亚阈值摆幅S：漏极电流：漏极电流IDS下降下降10倍对应的倍对应的VGS的减少量的减少量l亚阈值电流对电路功耗亚阈值电流对电路功耗影响较大影响较大ID IS e(qVGS/nkT)where n 12023/1/8n+n+p型硅基板型硅基板类似于横向晶体管类似于横向晶体管0.10.1之间之间亚阈值振幅系数亚阈值振幅系数S=n(kT/q)ln(10)(典型值典型值 60 to 100 m

17、V/decade)VT降低，降低，Isub增大增大但但VT增加，速度减慢增加，速度减慢存在速度和存在速度和功耗的折中功耗的折中考虑考虑2023/1/8MOSFET的电容的电容GateGateCgCgCgdCgdCgsCgsCjCjCjCjCdCdSUBSUBGGS SD DR RS SC CGSGSC CGDGDC CGBGBR RGGR RDDC CDBDBC CSBSBB BMOSFETMOSFET的电容决定其瞬态特性的电容决定其瞬态特性的电容决定其瞬态特性的电容决定其瞬态特性寄生电阻与管子的导通电阻寄生电阻与管子的导通电阻寄生电阻与管子的导通电阻寄生电阻与管子的导通电阻 （数十（数十（数

18、十（数十KKW WW W）相比，通常可）相比，通常可）相比，通常可）相比，通常可 以忽略不计以忽略不计以忽略不计以忽略不计例如：例如：例如：例如：栅极电容栅极电容栅极电容栅极电容 C CGSGS,C,CGDGD,C,CGBGB (各为各为各为各为1.01.0fFfF)漏源电容漏源电容漏源电容漏源电容 C CDBDB,C,CSB SB (各为各为各为各为0.50.5fFfF)栅极电阻栅极电阻栅极电阻栅极电阻 R RGG (40(40W WW W)源漏电阻源漏电阻源漏电阻源漏电阻 R RD D,R,RS S (各各各各1 1W WW W)2023/1/8MOSFET栅极电容栅极电容GateGate

19、P_SUBP_SUBn n+S Sn n+D DC CGCGCC CGDOGDOC CGSOGSOvvC CGSOGSO和和和和C CGDOGDO交叠电容，由源漏横向扩散形成，值一定交叠电容，由源漏横向扩散形成，值一定交叠电容，由源漏横向扩散形成，值一定交叠电容，由源漏横向扩散形成，值一定vv大多数情况下，忽略电压的影响，大多数情况下，忽略电压的影响，大多数情况下，忽略电压的影响，大多数情况下，忽略电压的影响，C CGCGC近似为近似为近似为近似为CoxWLCoxWLCoxWLCoxWL。根据根据根据根据MOSFETMOSFETMOSFETMOSFET的工作区域，的工作区域，的工作区域，的工作

20、区域，C C C CGCGCGCGC分配给分配给分配给分配给C C C CGDGDGDGD,C,C,C,CGSGSGSGS和和和和C C C CGBGBGBGB。2023/1/8GateGateP_SUBP_SUBn n+S Sn n+D DC CGCGCC CGDOGDOC CGSOGSO截止截止(VGSVTH,VDSVTH,VDS VGS-VTH)2023/1/8MOS晶体管的扩散晶体管的扩散(PN结结)电容电容2023/1/8MOS晶体管的导通电阻晶体管的导通电阻2023/1/8n导通电阻是一个非线性电阻，与器件的工作状态有关导通电阻是一个非线性电阻，与器件的工作状态有关,平平均电阻一般取均电阻一般取0.75R0n在非饱和区，导通电阻近似为线性电阻在非饱和区，导通电阻近似为线性电阻 即即Ron=1/gmn导通电阻反比于（导通电阻反比于（W/L)，W每增加一倍，电阻减小一半每增加一倍，电阻减小一半D DS SGG电流电流电流电流I IDSDS2023/1/8