第2章MOS器件物理基础
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第2章MOS器件物理基础 11
2.2 Mห้องสมุดไป่ตู้S的MIO/VS特管性工-作工原作原理理与阈值电压
当VG等于某个电压值时，p型衬底中的少子（电子）被 吸引到衬底表面。这些电子形成n型薄层，把在p型硅表 面形成的n型薄层称为反型层，该电压值称为阈值电压。
这个反型层实际上就构成了源极和漏极间的n型导电沟道， 原来被p型衬底隔开的两个n＋型区（源极和漏极）被n型 导电沟道连接。因此，在正的漏极电压作用下，将产生 漏极电流ID。
通）的条件？
第2章MOS器件物理基础 13
2.2 MOS的MIO/VS管特性工-作工作原原理理与阈值电压
当VD增大到一定数值，靠近漏端被夹断，VD继续增加， 将形成一夹断区，且夹断点向源极靠近，沟道被夹断后， VD上升时，其增加的电压基本上加在沟道厚度为零的耗 尽区上，而沟道两端的电压保持不变，所以ID趋于饱和 而不再增加。
2.1 基本概念-MOSFET的结构
NMOS器件简化图，制作在P衬底(P型半导体)，两 个重掺杂的n区(n型半导体)形成源端(S)和漏端(D)， 重掺杂的多晶硅作为栅(G),一层薄的SiO2(绝缘体) 使栅与衬底隔开 ❖栅极会有电流流入源极和漏极吗
第2章MOS器件物理基础 3
2.1 基本概念-MOSFET的结构
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。
提供载流子的端口为S(源)，收集载流子的端口 为D(漏)。源漏极可以互换，取决与各端口的电压
第2章MOS器件物理基础 5
2.1 基本概念-MOSFET的结构
寄生二极管
MOS管正常工作的基本条件是:所有衬源(B、S)
、衬漏(B、D)PN结必须反偏！因此对于NMOS管衬
底必须接低电位
第2章MOS器件物理基础
6
2.1 基本概念-MOSFET的结构
PMOS第管2章做MO在S器件N物阱理基中础
7
2.1 基本概念-MOSFET的结构
MOS管所有pn结必须反偏: *N-SUB必须接最高电位
寄生二极管
*P-SUB必须接最低电位
第2章MOS器件物理基础 8
2.1 基本概念-MOSFET符号
？ 电流方向，NMOS为正,PMOS为负
输出电流（漏电流）
举例
❖VGS
=VG-VS
=1-0.2=0.8V
1V
❖VDS=VD-VS=1V
G
第2章MOS器件物理基础
D
1.2V 0.2V
S
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2.2 MOS的I/V特性-I/V特性推导
MOS晶体管的输出电流－电压特性的经典描述是萨氏方程。
忽略二次效应，对于NMOS管导通时的萨氏方程为：
ID
Ldrawn：沟道总长度, LD：横向扩散长度 Leff：沟道有效长度， Leff＝ Ldrawn－2 LD； 长度Leff(以后表示为L)代表工艺的线宽 例如0.18um工艺,90nm工艺; W: 器件的宽度
第2章MOS器件物理基础 4
2.1 基本概念-MOSFET的结构
Bulk（body）
源漏在物理结构上是完全对称的，为什么一边 称为S(源)极，另外一边有是漏极呢，怎么区分
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
15
2.2 MOS的I/V特性-I/V特性推导
介绍几个概念
❖ VGS 或者 VGS ❖ VDS 或者 VDS ❖ ID 或者 ID，
回答以下几个问题：
❖ VG取多大值时器件导通，换句话说阈值电压是多少？ ❖ 当MOS管导通（断开）时，源和漏之间的电阻有多
大呢？ ❖ 这个电阻和端电压（漏极和源极电压大小）的关系
是怎样的，是简单的线性关系吗？ ❖ 是什么限制了器件的速度呢？因此需要分析晶体管
结构和物理特性。
第2章MOS器件物理基础 2
第2章MOS器件物理基础
17
2.2 MOS的I/V特性-I/V特性推导
截止区：VGS≤Vth，ID＝0； 线性区（三极管区）：VDS≤VGS－Vth，漏极电流
即为萨氏方程。
ID
nCox
W L
(VGS
四端器件 需明确体端连接
省掉B端 在Cadence analogLib库 中，默认B、S端短接
第2章MOS器件物理基础
数字电路用
9
第2章 MOS器件物理基础
2.1 基本概念
❖ 简化模型－开关 ❖ 结构 ❖ 符号
2.2 I/V特性
❖ 阈值电压 ❖ I-V关系式 ❖ 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
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C基o础x上、下面板，单位面积
12
2.2 MOS的I/V特性-工作原理与阈值电压
当VG大于VTH，且VD大于VS时
原来被p型衬底隔开的两个n＋型区（源极和漏极）被n型
导电沟道连接。因此，在正的漏极电压作用下，将产生
漏极电流ID。 但是导电沟道不均匀。
问题：有电流 流过NMOS管（导
2.2 Mห้องสมุดไป่ตู้S的MIO/VS特管性工-作工原作原理理与阈值电压
当VG等于某个电压值时，p型衬底中的少子（电子）被 吸引到衬底表面。这些电子形成n型薄层，把在p型硅表 面形成的n型薄层称为反型层，该电压值称为阈值电压。
这个反型层实际上就构成了源极和漏极间的n型导电沟道， 原来被p型衬底隔开的两个n＋型区（源极和漏极）被n型 导电沟道连接。因此，在正的漏极电压作用下，将产生 漏极电流ID。
通）的条件？
第2章MOS器件物理基础 13
2.2 MOS的MIO/VS管特性工-作工作原原理理与阈值电压
当VD增大到一定数值，靠近漏端被夹断，VD继续增加， 将形成一夹断区，且夹断点向源极靠近，沟道被夹断后， VD上升时，其增加的电压基本上加在沟道厚度为零的耗 尽区上，而沟道两端的电压保持不变，所以ID趋于饱和 而不再增加。
2.1 基本概念-MOSFET的结构
NMOS器件简化图，制作在P衬底(P型半导体)，两 个重掺杂的n区(n型半导体)形成源端(S)和漏端(D)， 重掺杂的多晶硅作为栅(G),一层薄的SiO2(绝缘体) 使栅与衬底隔开 ❖栅极会有电流流入源极和漏极吗
第2章MOS器件物理基础 3
2.1 基本概念-MOSFET的结构
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。
提供载流子的端口为S(源)，收集载流子的端口 为D(漏)。源漏极可以互换，取决与各端口的电压
第2章MOS器件物理基础 5
2.1 基本概念-MOSFET的结构
寄生二极管
MOS管正常工作的基本条件是:所有衬源(B、S)
、衬漏(B、D)PN结必须反偏！因此对于NMOS管衬
底必须接低电位
第2章MOS器件物理基础
6
2.1 基本概念-MOSFET的结构
PMOS第管2章做MO在S器件N物阱理基中础
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2.1 基本概念-MOSFET的结构
MOS管所有pn结必须反偏: *N-SUB必须接最高电位
寄生二极管
*P-SUB必须接最低电位
第2章MOS器件物理基础 8
2.1 基本概念-MOSFET符号
？ 电流方向，NMOS为正,PMOS为负
输出电流（漏电流）
举例
❖VGS
=VG-VS
=1-0.2=0.8V
1V
❖VDS=VD-VS=1V
G
第2章MOS器件物理基础
D
1.2V 0.2V
S
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2.2 MOS的I/V特性-I/V特性推导
MOS晶体管的输出电流－电压特性的经典描述是萨氏方程。
忽略二次效应，对于NMOS管导通时的萨氏方程为：
ID
Ldrawn：沟道总长度, LD：横向扩散长度 Leff：沟道有效长度， Leff＝ Ldrawn－2 LD； 长度Leff(以后表示为L)代表工艺的线宽 例如0.18um工艺,90nm工艺; W: 器件的宽度
第2章MOS器件物理基础 4
2.1 基本概念-MOSFET的结构
Bulk（body）
源漏在物理结构上是完全对称的，为什么一边 称为S(源)极，另外一边有是漏极呢，怎么区分
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
15
2.2 MOS的I/V特性-I/V特性推导
介绍几个概念
❖ VGS 或者 VGS ❖ VDS 或者 VDS ❖ ID 或者 ID，
回答以下几个问题：
❖ VG取多大值时器件导通，换句话说阈值电压是多少？ ❖ 当MOS管导通（断开）时，源和漏之间的电阻有多
大呢？ ❖ 这个电阻和端电压（漏极和源极电压大小）的关系
是怎样的，是简单的线性关系吗？ ❖ 是什么限制了器件的速度呢？因此需要分析晶体管
结构和物理特性。
第2章MOS器件物理基础 2
第2章MOS器件物理基础
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2.2 MOS的I/V特性-I/V特性推导
截止区：VGS≤Vth，ID＝0； 线性区（三极管区）：VDS≤VGS－Vth，漏极电流
即为萨氏方程。
ID
nCox
W L
(VGS
四端器件 需明确体端连接
省掉B端 在Cadence analogLib库 中，默认B、S端短接
第2章MOS器件物理基础
数字电路用
9
第2章 MOS器件物理基础
2.1 基本概念
❖ 简化模型－开关 ❖ 结构 ❖ 符号
2.2 I/V特性
❖ 阈值电压 ❖ I-V关系式 ❖ 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
nCox
W L
(VGS
Vth )VDS
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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C基o础x上、下面板，单位面积
12
2.2 MOS的I/V特性-工作原理与阈值电压
当VG大于VTH，且VD大于VS时
原来被p型衬底隔开的两个n＋型区（源极和漏极）被n型
导电沟道连接。因此，在正的漏极电压作用下，将产生
漏极电流ID。 但是导电沟道不均匀。
问题：有电流 流过NMOS管（导