第2章(课件)MOS器件2006年秋季
《MOS场效应晶体管》 (2)幻灯片
在着某些交迭，故客观上存 在着Cgs和Cgd。当然，引出
图 5.3
线之间还有杂散电容20，21可/5/19
19
MOS电容的计算
Cg、Cd的值还与所加的电压有关:
1〕假设Vgs<VT，沟道未建立，MOS管漏源沟道 不通。
MOS电容 C = Cox，但C 对Cd无奉献。
Cg = Cgs + Cox
Cd = Cdb
1 2
Vds
2021/5/19
6
MOS的伏安特性—漏极饱和电流
当Vgs-VT=Vds时，满足: dIds 0
dVds
Ids达到最大值Idsmax，
其值为
Ids m 1 2 ato x ox xW LV g sV T2
Vgs-VT=Vds， 意 味 着 近 漏 端 的 栅 极 有 效 控 制 电 压 Vge=Vgs-VT-Vds=Vgs-Vds-VT = Vgd-VT =0
MOS电容凹谷特性测量
假设测量电容采用高频方法，譬如，扫频方法， 电压变化很快。共价键就来不及瓦解，反型层就 无法及时形成，于是，电容曲线就回到Cox值。
然而，在大局部场合，MOS电容与n+区接在一 起，有大量的电子来源，反型层可以很快形成， 故不管测量频率多高，电压变化多快，电容曲线 都呈凹谷形。
µ n = 650 cm2/(V.s) 电子迁移率(nMOS) µ p = 240 cm2/(V.s) 空穴迁移率(pMOS)
2021/5/19
5
MOSFET的伏安特性—方程推导
非饱和情况下，通过MOS管漏源间的电流Ids为：
I ds
Q
CVge L2
Vds
oxWL
tox
L2
MOS概述及应用PPT课件
*
（5）、控制器中的MOS经常“坏掉”，到底是什么原因？ 1. 控制器温度过高，将功率管“烧”坏，打开控制器可以看到功率管上面的塑封体被烧化了.这主要是控制器长期在大电流下运行造成的，可能是MOS与散热片上的螺丝未拧紧导致散热不良。连接MOS的螺丝和塑料粒子也容易变形烧坏，可以在塑料粒子和螺丝之间再垫上金属平垫片和弹簧垫片，保证塑料粒子被压紧，同时散热性能也会好点。 2.另外，控制器软件和硬件保护做的又不到位，还有驱动电路与功率管不匹配都会导致这种问题。建议客户将样品寄给我们，以便匹配； 3. 电机本身设计的不好。这点从相对地波形容易看出。如果相对地波形不是梯形波，而是有明显的电压突变现象，就会使dV/dt过大，也会导致MOS管易坏，这点建议电机厂修改电机。
*
垂直导电MOSFET
根据栅氧槽形状，可分成VMOS、UMOS、TMOS、DMOS等
*
1001M导电结构
1001纵向剖面图
*
MOS主要应用范围
高压MOS： 1、 PC电源：2N60、4N60、10N60 2、节能灯：830（5A500V）、840（8A500V）、 3、 电子镇流器：830、840、5N50； 4、 充电器、笔记本适配器：1N60、2N60、4N60、5N60、6N60、7N60、8N60、10N60； 低压MOS： 5、 电动工具：60N06、； 6、 电动车： 1001、1808 ； 7、 锂电池保护：8205； 8、 UPS：1001、1707；
MOS动态参数
*
MOS参数中英文对照表
*
MOS动态参数
gfs---正向跨导 。表示栅源电压UGS — 对漏极电流ID的控制能力，即漏极电流ID变化量与栅源电压UGS变化量的比值. dv/dt---电压上升率（控制器电路参数） 由于MOSFET的封装电感和线路的杂散电感的存在，在MOSFET反向恢复电流Irr突然关断时，MOSFET上的电压Vds会出现振铃，导致Vds超过MOSFET的BVDSS从而发生雪崩现象。 若MOSFET的米勒电容Cgd 偏大的同时且VTH又偏小，则MOSFET在关闭的瞬间，将在GS端感应出电压（与dv/dt、Cgd、Cgs、RG相关），若该电压大于VTH，则将导致Cdv/dt感应导通。
《mos管工作原理》ppt课件
用一个箭头表示一个mos管，箭头的一端是源极（s），另一端是漏极（d） ，中间是控制极（g）。
Mos管的开关原理
导通状态
当在控制极上加正电压时，氧化层下方的半导体层中的电子被排斥，形成一条从 源极到漏极的导电通道，电流可以通过这个通道流动。
关断状态
当在控制极上加负电压时，氧化层下方的半导体层中的电子被吸引，导电通道被 切断，电流无法通过。
《Mos管工作原理》ppt课件
2023-10-27
contents
目录
• Mos管简介 • Mos管的结构与原理 • Mos管的特性与参数 • Mos管的驱动与控制 • Mos管的应用实例 • Mos管的未来发展与趋势 • 总结与展望
01
Mos管简介
Mos管的概念
Mos管是金属氧化物半导体管的缩写，是一种具有极高开关 速度和低功耗的半导体器件。
Mos管在马达驱动中的应用
1 2
直流马达驱动
Mos管在直流马达驱动中作为开关器件，通过 控制电流的方向和大小来驱动马达运转。
步进马达驱动
步进马达驱动中，Mos管作为开关器件，控制 电流的方向和大小来驱动马达运转。
3
伺服马达驱动
伺服马达驱动中，Mos管作为开关器件，控制 电流的方向和大小来驱动马达运转。
集成元件控制电路
02
使用集成元件（如运算放大器、比较器等）构成开关控制电路
。
数字信号控制电路
03
使用数字信号（如TTL、CMOS等）构成开关控制电路。
Mos管的保护电路
过电压保护电路
当Mos管承受过电压时，保护电路可以保护Mos管不被损坏。
过电流保护电路
当Mos管承受过电流时，保护电路可以保护Mos管不被损坏。
MOS晶体管PPT演示文稿
图2.1.1 NMOS晶体管
•10
图2.1.2 NMOS管截面图
•11
图2.1.3 实际的NMOS管衬底引线
•12
（a）增强型
（b）耗尽型
图2.1.4 MOS管在电路中的符号
耗尽型MOS管与增强型MOS管不同之处在于，耗尽型MOS管
在vGS=0时，导电沟道已经存在，它是通过加工过程中的离子注
图2.2.1 导电沟道没有形成
•15
图2.2.2 栅-源电压vGS控制导电沟道宽窄
•16
（a） vDSvGSVT
•17
（b） vDSvGSVT
•18
（c） vDSvGSVT
图2.2.3 NMOS管的工作状态示意图
•19
2.3 MOS晶体管的电流电压关系
1、非饱和区（线性电阻区）
IDK W L vG SV TvD S1 2vD2S （2.3.8）
[3] 陈中建主译. CMOS电路设计、布局与仿真.北京：机械工 业出版社，2006.
[4]（美）Wayne Wolf. Modern VLSI Design System on Silicon. 北京：科学出版社，2002.
[5] 朱正涌. 半导体集成电路. 北京：清华大学出版社，2001. [6] 王志功，沈永朝.《集成电路设计基础》电子工业出版
•8
2.1 MOS晶体管结构
根据导电沟道的不同，MOS晶体管可分为P沟道MOS晶体 管（简称为PMOS管）和N沟道MOS晶体管（简称为NMOS管）， 而根据在没有外加电压条件下导电沟道形成与否又可分为耗尽型 MOS管和增强型MOS管。
图2.1.1所示的是一只增强型NMOS管，它是在适度掺杂的 P型衬底上制作两个掺杂浓度较高的N型区，分别作为漏区和源 区，在漏区和源区之的区域上面制作一层绝缘层（一般是二氧 化硅物质），绝缘层上面沉积一层多晶硅作为栅区。我们把源区 和漏区两个掺杂区之间的距离称为沟道长度L，而垂直于沟道长 度的有效源漏区尺寸称为沟道宽度W。
《数字电子技术》教学课件(高教社) 第二章 门电路与组合逻辑电路 2.2.2知识点：CMOS门电路-教学文稿
3. CMOS电路的正确使用
（3）CMOS传输门组成的双向模拟开关 • 为了使输入保护电路电流容量不超限（一般为lmA），在可能出现较大输入 电流的场合，应采取以下保护措施： 3）在输入端接有长线时，可能因分布电容、分布电容产生寄生振荡，亦应 在长线与输入端之间加限流电阻，其阻值可按UDD/lmA计算，如图所示：
3. CMOS电路的正确使用
（3）CMOS传输门组成的双向模拟开关 • 为了使输入保护电路电流容量不超限（一般为lmA），在可能出现较大输入 电流的场合，应采取以下保护措施： 1）在输入端接低内阻信号源时，应在输入端与信号源之间串大限流电阻， 以保证输入保护二极管导通时，电流不超过lmA。 2）在输入端接有大电容时，应在输入端与电容之间接保护电阻RP，其阻值 可按UC/1mA计算。此处UC为电容上的电压(单位为V)。如图
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主 讲：
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讲授内容
第二章：门电路与组合逻辑电路 知识点 CMOS门电路
1. 常用CMOS逻辑门
（1）CMOS非门电路
负载管 P 沟道 +UDD
GS
T2
A
D
Y
T1
GS 驱动管 N 沟道
Y= A
A= 1 时，T1导通， T2截止，Y = 0 PMOS管
3. CMOS电路的正确使用
（3）CMOS传输门组成的双向模拟开关 • 因为CMOS电路存在寄生三极管效应而产生的锁定效应，使其在电源电压 UDD超限、UI超限和UO超限时不能正常工作，所以首先应保证电源电压的波动 不超过限度，输入、输出电压不超过电源电压的范围。还可以采取以下的防护 措施： 2）在电源输入端UDD处加去耦电路，如图2-21所示，以确保UDD可能出现的 瞬间高压得到缓解。
MOS场效应晶体管的结构 工作原理幻灯片PPT
B G
B
N沟道增强型MOSFET的符号
如左图所示。左面的一个衬底在内部
S
S
与源极相连，右面的一个没有连接，
使用时需要在外部连接。动画2-3
2 N沟道增强型MOSFET的工作原理
对N沟道增强型MOS场效应三极管的工作原理，分两个方面进展讨
论，一是栅源电压UGS对沟道会产生影响，二是漏源电压UDS也会对
2．漏源电压UDS的控制作用
设UGS＞UGS(th)，增加UDS，此时沟道的变化如下。
U DS
U G S＞ U G S (th )
ID
SG
预夹断
D
++ ++
S iO 2
N+
N+
P 型衬底
空穴 电子 正离子 负离子
显然漏源电压会对沟道产生影响，因 为源极和衬底相连接，所以参加UDS后， UDS将沿漏到源逐渐降落在沟道内，漏极 和衬底之间反偏最大，PN结的宽度最大。 所以参加UDS后，在漏源之间会形成一个 倾斜的PN结区，从而影响沟道的导电性。
I D/ m A
4 3 2 1
O 123
U th(on)
U DS 10V
4
U GS /V
N沟道增强型MOSFET的转移 特性曲线如左图所示，它是说明栅源
电压UGS对漏极电流ID的控制关系，
可用这个关系式来表达，这条特性曲 线称为转移特性曲线。
转移特性曲线的斜率gm反映了
栅源电压对漏极电流的控制作用。
当UGS=0时，对应的漏极电流用IDSS表示。当UGS＞0时，将使ID进 一步增加。UGS＜0时，随着UGS的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0。 对应ID=0的UGS称为夹断电压，用符号UGS(off)表示，有时也用UP表示。
MOS管介绍概要PPT课件
预夹断点开始， ID基本不随VDS
极电流。
增加而变化。
.
18
增强型MOSFET的工作原理
.
19
MOSFET的特性曲线
1.漏极输出特性曲线
V V V
DS
GS T
.
20
2.转移特性曲线— VGS对ID的控制特性
ID=f(VGS)VDS=常数 转移特性曲线的斜 率 gm 的大小反映了栅 源电压对漏极电流的控 制作用。 其量纲为 mA/V，称gm为跨导。
VGD=VGS-VDS，比源端耗尽 层所受的反偏电压VGS 大,(如:VGS=-2V, VDS =3V, VP=-9V,则漏端耗尽层受反 偏当V电DS压继续为增-5加V时，，源预端夹耗断尽点向层
受源极反方偏向电伸压长为为预-2夹V断),使区靠。由近于
漏预夹端断的区耗电尽阻层很比大，源使端主厚要，VD沟S 道降落比在源该端区窄，，由此故产VD生S对的强沟电道场
用途：做无触点的、 接通状态的电子开关。
条件：整个沟道都夹断
V V
GS
P
击穿区
当漏源电压增大到
V V 时，漏端PN结
DS
(BR)DS
发生雪崩击穿，使iD 剧增的区域。其值一般为
（20— 50）V之间。由于VGD=VGS-VDS, 故vGS越负，
对应的VP就越小。管子不能在. 击穿区工作。
9
i ②转移特性曲线 Df(VGS)VDSC
输入电压VGS对输出漏极电流ID的控制
iD / v G Q S d D /d iG Q v S g m m s
.
10
结型场效应管的特性小结
N 沟 道 耗
结尽 型型
场
效P 应沟 管道
CMOS课件
正常 放大 时外 加偏 置电 压的 要求
VGS 0 VDS 0
以N沟道增强 型MOS管为
例
VDS 0
VGS 0
2-21
模拟CM;VTN时（ VTN 称为开启电压)
当VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管， 在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。
-
1 2
VDS 2
]
三极管区(线性区)
每条曲线在VDS＝VGS－VTH时
取最大值，且大小为：
ID
=
nCox
2
W L
(VGS
- VTH )2
VDS＝VGS－VTH时沟道刚好被夹断
2-34
模拟CMOS集成电路设计
饱和区的MOSFET（VDS ≥ VGS－VT）
Qd(x) WCox(VGS V(x) VTH)
ID 0 截止区，Vgs<VTH
ID
=
nCoxW
2L
[2(VGS
- VTH )VDS
- VDS2 ]
线性区,Vgs >VTH VDS< Vgs - VTH
ID
=
nCoxW
2L
(VGS
- VTH )2
饱和区,Vgs >VTH VDS >Vgs - VTH
2-36
模拟CMOS集成电路设计
MOSFET的I/V特性
1阈值电压（Threshold Voltage Concept）
G
VGS
+
S
D
-
n+
n+
n channel p substrate
depletion region
模拟cmos集成电路设计(拉扎维)第2章MOS器件物理基础PPT课件
Q d ( x ) W o ( V x G C V S ( x ) V T )H
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
16
I/V特性—推导I(VDS,VGS)
I D W o [ V G x C V S ( x ) V T ] v H
Givv E ea nn E (x d ) d(x V ) dx d(x V )
数字电路设计师一般不需要进入器件内 部，只把它当开关用即可
AIC设计师必须进入器件内部，具备器 件物理知识
❖MOS管是AIC的基本元件 ❖MOS管的电特性与器件内部的物理机制密
切相关，设计时需将两者结合起来考虑
器件级与电路级联系的桥梁？
❖器件的电路模型
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
5
本讲
基本概念
I D n C o W L ( x V G V T S ) V D H , V D S 2 S ( V G V T S )
等效为一个线性电阻
RONnCoxW L(V 1GSVTH)
在AIC设计中会用到
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
深三极管区
19
I/V特性—当VDS>VGS-VTH时？
与电源无关、与温度无关、PTAT电流、 恒Gm、速度与噪声
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
2
上一讲
研究模拟电路的重要性 模拟电路设计的难点 研究AIC的重要性 研究CMOS AIC的重要性 电路设计一般概念
❖抽象级别 ❖健壮性设计 ❖符号
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
3
上一讲
数字电路无法完全取代模拟电路，模拟 电路是现代电路系统中必不可少的一部 分
提供载流子的端口为源，收集载流子的端口为漏
MOS管原理ppt课件
11
电路符号
S极 G极
D极 S极 G极
N沟道
上面方法不太好记， 一个简单的识别方法是：
（想像DS边的三节断续线是连通的）
P沟道
不论N沟道还是P沟道MOS管， 中间衬底箭头方向和寄生二极管的箭 头方向总是一致的：
要么都由S指向D， 要么都由D指向S。
D极
12
电路符号
4 它能干吗用呢？
++169VV G极
截止条件：
导通
UG=US=19V。
D极 +01V9V
导通条件： UG比US小10V以上， UG=US-13V=6V。
24
电路符号
隔离作用：
如果我们想实现线路上电流的单向流通， 比如只让电流由A-B，阻止由B-A 请问可以怎么做？
A
B
方法1：加入一个二级管
A
B
25
电路符号
方法2：加入MOS管
回顾前面的例子，你找到它们的规律了吗？
小提示： MOS管中的寄生二极管方向是关键。
17
电路符号
小结：“MOS管用作开关时在电路中的连接方法”
NMOS管：
D极接输入； S极接输出。
PMOS管：
S极接输入； D极接输出。
输出端
S极
G极
N沟道
输入端
S极
G极
P沟道
D极
输入端
导通时
D极
输出端
导通时
18
电路符号
30
电路符号
讨论：“不用Q2隔离，或者是Q2被击穿短路时大电流的原因”
电池电压一般是在12V以下，我们就将其看作12V。19V电 源呢，我们也可以当作一个大电池，那么一个19V的电池和一 个12V的电池如下相连，导线中电流会是多少呢？
二章MOS器件物理基础-资料
分类
插座
有 源 器 件
电阻器
无
电感
源
晶体管
器
变压器
运算放大器
件
晶闸管
参考电压源
1.MOSFET的基本结构
2.MOSFET的结构
MOSFET的结构
Ldrawn：沟道总长度 LD：横向扩散长度
衬底 （bulk、body）
Leff：沟道有效长度， Leff＝ Ldrawn－2 LD
MOS模拟开关
MOS管为什么可用作模拟开关？ •MOS管D、S可互换，电流可以双向流动。 •可通过栅源电源（Vgs）方便控制MOS管的 导通与关断。关断后Id≈0
4.二级效应
MOS管的开启电压VT及体效应
V T H=Φ M S+2Φ F+Q dep,w here C ox
Φ M S = Φ g a te-Φ s ilic o n
MOS管正常工作的基本条件
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！
同一衬底上的NMOS和PMOS器件
MOS管所有pn结必须反偏: *N-SUB必须接最高电位VDD！ *P-SUB必须接最低电位VSS！
*阱中MOSFET衬底常接源极S
寄生二极管
例：判断制造下列电路的衬底类型
线性区,Vgs >VTH VDS< Vgs - VTH
ID=nC 2o L xW(VGS-VTH)2
饱和区,Vgs >VTH VDS >Vgs - VTH
MOS管饱和的判断条件
d
g
g
d
NMOS饱和条件：Vgs>VTN；Vd≥Vg-VTHN PMOS饱和条件: Vgs<VTP ；Vd≤Vg＋| VTP | 判断MOS管是否工作在饱和区时，不必考虑Vs
《MOS管教程》课件
OR门
利用两个或多个MOS管的 串并联，可以实现或逻辑 功能。
NOT门
通过一个MOS管可以实现 非逻辑功能。
04
MOS管的驱动与保护
驱动电路
栅极驱动电路
提供合适的栅极电压，使MOS管正常工作。
源极驱动电路
控制源极的电压，使MOS管在正确的状态下工作。
音频放大
音频功率放大
利用MOS管的放大特性，可以用于音 频信号的功率放大，广泛应用于音响 设备中。
耳机驱动
音频信号处理
在音频信号处理电路中，MOS管可以 作为运算放大器或比较器使用，实现 音频信号的滤波、均衡等处理。
通过控制MOS管的导通和截止，可以 实现耳机的音量控制和音源切换。
数字逻辑门
AND门
漏极驱动电路
控制漏极的电流，使MOS管在合适的电流下工作。
保护电路
01
过流保护电路
当电流过大时，自动切断电源， 防止MOS管烧毁。
02
过压保护电路
03
欠压保护电路
当电压过高时，自动切断电源， 防止MOS管损坏。
当电压过低时，自动切断电源， 防止MOS管工作异常。
安全工作区
电压安全工作区
确保MOS管在正常工作电压范围内工作，避免过压或欠压。
预防措施
在电路设计时，应充分考虑导通电阻的影响，并留有一定的余量。
开关噪声
总结词
开关过程中产生的噪声
详细描述
MOS管在开关过程中会产生噪声，这种噪 声可能会对周围电路产生干扰。
解决方案
预防措施
采用低噪声的MOS管产品，并合理设计电 路布局和布线，减小电磁干扰。
2 第二章 MOS器件物理基础
2010-3-161 CMOS模拟集成电路设计第二章MOS器件物理基础金湘亮博士xiangliangjin@2010-3-1622010-3-1632010-3-1642010-3-165CMOS模拟集成电路设计内容简介⏹集成电路的学习方法探讨⏹WHY⏹内容简介2010-3-1662010-3-1672010-3-1682010-3-1692010-3-16102010-3-16112010-3-1612问题的提出：Vg的值是多少时器件导通？也就是阈值电压是多少？在管子导通/截止时源漏电阻是多少？电阻和各端电压是什么关系？源漏间是否可以只用一个简单的模型？管子的速度由什么决定？2010-3-16132010-3-16142010-3-1615MOSFET2010-3-1616开启电压：沟道形成的栅－源电压。
)(th GS U ++++++2010-3-1617(2)对的影响.DS th GS GS u U u 时)(>D i )(th GS GS DS U u u -<①(th GS GS DS U u u -=②(th GS GS DS U u u ->③↑DS u →线性增大D i →沟道从s-d 逐渐变窄↑DS u (GS GD U u =→→沟道预夹断↑DS u →夹断区延长→几乎不变D i →恒流区2010-3-16183. 特性曲线与电流方程2)(1⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=th GS GS DO D UuI i 时的是，其中，th GS GS DO i U u I )(2=2010-3-16192010-3-1620DQDOthGSmDQDDDOthGSUthGSGSthGSDOUGSDIIUgIiiIUUuUIuiDSDS)()()()(2.212=⇒≈=⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=∂∂小信号作用时，2010-3-1621 2.1 MOSFET的基本概念2.1.1 MOSFET阈值电压是多少？当器件导通时，漏源之间的电阻有多大？这个电阻与端电压的关系是怎样的？总是可以用简单的线性电阻来模拟漏和源之间的通道？器件的速度受什么因素限制？2010-3-16221. MOSFET的三种结构简图图2.1 NMOS FET结构简图2.1.2 MOSFET的结构2010-3-1623图2.2 PMOS FET结构简图2010-3-1624图2.3 CMOS FET的结构简图2010-3-16252. MOS FET结构尺寸的通用概念W: gate widthL drawn(L): gate length(layout gate length)S,D,G,B: source,drain,gate,body(bulk)2010-3-1626 D SNMOS PMOS2010-3-1627(a) V=02010-3-1628(b) V GS>0(c)2010-3-1629(d)V G↑多晶硅和硅衬底的功函数差费米势,MOS强反型时的表面势为费米势的2倍耗尽区电荷(2.1)2010-3-16302010-3-16312010-3-1632MOS结构等效为一个由poly-Si和反型沟道构成的平板电2010-3-1633如果从S到D有一电压差VDS，假设平板电容在L方向上x点的2010-3-1634⎦⎣2L2010-3-1635(2.7)）电压，只有过驱动电压⎦22010-3-16362010-3-1637)(TH GS ox n DDS on V V LW C I V R -==μ1(2.9)此时D, S 间体现为一个电阻，其阻值为：2010-3-1638称为“压控晶体管”。
《MOS存储器系统》课件
MOS存储器可根据存储介质的不同进行分类，包括DRAM、SRAM、闪存和EEPROM等。
按存储方式分类
除了根据存储介质，MOS存储器也可以根据存储方式进行分类，例如随机存储器（RAM）和 只读存储器（ROM）。
MOS存储器原理
MOSFET基本特性、MOS存储器结构与原理以及存储单元的特点是理解MOS存储器系统运作原理 的关键。
MOS存储器设计与制造技术
了解MOS存储器的电路设计和制造技术对于实现高性能、高密度存储器至关重要。
MOS存储器电路设计
MOS存储器的电路设计需要 考虑功耗、响应时间和稳定 性等因素，并要求在有限的 芯片面积上实现高存储密度。
MOS存储器制造过程
MOS存储器的制造过程包括 光刻、沉积、蚀刻和离子注 入等步骤，关键是实现精确 的层次结构和接触孔。
1 MOS存储器系统的优缺点
MOS存储器系统具有快速、高可靠性和较低功耗等优点，但也受限于存储容量和刷新要 求。
2 未来发展趋势
随着技术的进步，MOS存储器将继续发展，以满足日益增长的数据处理和存储需求。
1 MOSFET基本特性
MOSFET是பைடு நூலகம்种三端装置，由栅极、漏极和源极组成，具有非常高的输入阻抗和较低的功 耗。
2 MOS存储器结构与原理
MOS存储器由一系列的存储单元组成，每个存储单元用于存储一个二进制位的数据，通 过改变栅极电荷来表示不同的数据状态。
3 存储单元特点
MOS存储器的存储单元有较小的结构尺寸、大容量和较快的读写速度，但需要定期刷新 以保持数据的有效性。
2
属氧化物半导体场效应晶体管）构建的 存储器系统，具有快速、高可靠性和较
MOS存储器系统经历了多年的发展，从
模拟集成电路课件 第2章CMOS技术
栅电压相对背栅为负时，多子被向上抽取积累在栅氧化层下。 （沟道没形成积累型）
开始正偏时，多数载流子被排斥，形成耗尽区，随着偏压增 大，耗尽区加宽，电容减小。（耗尽区电阻大）
一旦偏压等于阈值电压，沟道弱反型（沟道电阻大）
适中（沟道电阻逐渐减小）
正偏压进一步加大，沟道强反型，Cj和Cox并联
这种电容器在低电压时，电容值很小。
2. MOS器件的工作原理
nMOS管沟道的形成 MOS晶体管的分类 MOS管的阈值电压 MOS管的版图和结构
nMOS管沟道的形成
反型层和n型硅都依靠自由电子
导电，但电子产生的方法不同。
n型硅自由电子是在制造过程中由 扩散掺杂工艺产生 反型层自由电子则由栅极电压感应 产生
故MOS管又称场效应晶体管
0 vDS 2 iD (vGS VT )vDS 2 (vGS VT ) 2 2
Vi Vss V o Vdd
N+
N+
P+
P+
P+
T2
P-Well
RW 压降
p-
T1
压降
RS
Vss Vss
n-si
Vdd
③采用保护环 保护环可以有效地降低横向电阻和横向电流密 度。同时，由于加大了 P-N-P 管的基区宽度使 βpnp下降。
Vi Vss Vdd
Vo
P+
N+
N+
P+
N+
P+
P+
N+
T2
SOI/CMOS电路
下图示出理想的SOI/CMOS结构。业已应用兰宝石衬底外延硅结构 (SOS-Silicon on Sapphire结构)。 SOI结构是针对亚微米CMOS器件提出的，以取代不适应要求的常规 结构，SOI结构在高压集成电路和三维集成电路中也有广泛应用。
微电子概论 第2章集成器件物理基础6 图文
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MOS器件的表征：
沟道宽度
沟道长度
第2章 集成器件物理基础
L w
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MOSFET工作原理（NMOS为例）
半导体表面场效应 1. P型半导体
图1 P型半导体
第2章 集成器件物理基础
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2、表面电荷减少（施加正电压）
图 2 表面电荷减少
2.54（b）所示。
第2章 集成器件物理基础
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2.6.2 MOS晶体管工作原理
第2章 集成器件物理基础
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2.6.2 MOS晶体管工作原理
（2）阈值电压
开始形成沟道时在栅极上所加的电压成为MOS晶体管的阈 值电压，记为VT。必须在栅极上加有电压才能形成沟道的 MOS晶体管，称为增强型MOS晶体管。
表面场效应形成反型层（MOS电容结构）
第2章 集成器件物理基础
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NMOS工作原理
Vds < Vgs - Vt
Vds = Vgs - Vt
Vds > Vgs - Vt
第2章 集成器件物理基础
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2.6.1 MOS晶体管结构
2．MOS结构
虽然MOS晶体管与JFET都是电压控制器件，即通 过栅源电压控制导电沟道来控制漏源之间的电流 。但是MOS晶体管是采用电场控制感应电荷的方 式控制导电沟道。为了形成电场，在沟道区的表 面覆盖了一层很薄的二氧化硅层，称为栅氧化层 。栅氧化层上方程盖的一层金属铝，形成栅电极 。这样从上往下，构成一种金属（Metal）—氧化 物（Oxide）— 半导体（Semiconductor）结构， 故称为MOS结构，这一结构是MOS晶体管的核心 。目前栅电极大多采用多晶硅。
MOS场效应晶体管ppt课件
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2. MOS管的基本工作原理
MOS 场效应晶体管的工作原理示意图
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4.2.2 MOS 场效应晶体管的转移特性
MOS 场效应晶体管可分为以下四种类型:N沟增强型、 N沟耗尽型、P沟增强型、P沟耗尽型。 1. N沟增强型MOS管及转移特性
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2. N沟耗尽型MOS管及转移特性 3.P沟增强型MOS管及转移特性
理想 MOS 二极管不同 偏压下的能带图及 电荷分布
a) 积累现象 b) 耗尽现象 c) 反型现象
3
2.表面势与表面耗尽区 下图给出了P型半导体MOS结构在栅极电压UG>>0情况 下更为详细的能带图。
4
在下面的讨论中，定义与费米能级相对应的费米势为
F
(Ei
EF )体内 q
因此，对于P型半导体， F
如图所示，当漏源电压UDS增高到某一值时，漏源电流 就会突然增大，输出特性曲线向上翘起而进入击穿区。 关于击穿原因，可用两种不同的击穿机理进行解释：漏 区与衬底之间PN结的雪崩击穿和漏-源之间的穿通。
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1. 漏区-衬底之间的PN结击穿 在MOS晶体管结构中，栅极金属有一部分要覆盖在漏极上。 由于金属栅的电压一般低于漏区的电位，这就在金属栅极 与漏区之间形成附加电场，这个电场使栅极下面PN结的耗 尽区电场增大，如下图，因而使漏源耐压大大降低。
a) N 沟 MOS b) P 沟 MOS
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3. 衬底杂质浓度的影响
衬底杂质浓度对阀值电压的影响
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4. 功函数差的影响
功函数差也将随衬底杂质浓度的变化而变化。但实验证明， 该变化的范围并不大。 从阀值电压的表示式可知，功函数越大，阀值电压越高。 为降低阀值电压，应选择功函数差较低的材料，如掺杂多 晶体硅作栅电极。
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IPinch-0ffMOS 晶体管的类型与符号-2.50.40.450.50.550.60.650.70.750.80.850.9V T(V )功函数差注入表面电荷耗尽层电荷衬偏效应系数衬底费米势MOSFET 的电流与电压的关系（长沟道）线性区：饱和区：其中工艺跨导参数沟长调制V GS -V T > 0V GS -V T > 0P 衬底电阻N 阱电阻P 衬底N 阱电阻P 衬底电阻P 源端N 源端Latch-up的起因等效电路（一）短沟效应：（1）有效沟道长度L L L L poly diff drawn ∆−−=22（2）耗尽电荷共享沟道耗尽电荷= 栅耗尽区+ 源漏耗尽区第二节MOS 器件中的二级效应源漏电流（Ids）与温度的关系I dsI dsat (µA)温度升高V gs温度2006 Fall清华大学微电子所《 数字大规模集成电路》周润德第 2 章 第 11 页（4）速度饱和 速度并不总是与电场强度成正比 迁移率在高电场强度时减小： υ n (m/s)载流子速度 V :υsat = 105速度为常数 迁移率为常数 (斜率= µ)Ε c = 1.52006 FallE (V/µm)周润德 第 2 章 第 12 页清华大学微电子所《 数字大规模集成电路》饱和速度 V 的计算： BSIMv3 取精确的 n 值并采用台劳级数 逐段线性近似： n 为 2 时不易求解 E 手工计算时可取 n ＝ 1（足够精确） 载流子速度 考虑两个区域在Ec 处连续时：2006 Fall清华大学微电子所《 数字大规模集成电路》周润德第 2 章 第 13 页迁移率减小时的电流－电压关系：E=EC 时达到速度饱和， 此时VDS = VDSat ，IDS = IDSatI DSat同时， I DS =W = L⎞ V C OX ⎛ ⎜ ⎟ DSat − − ⎜V GS V Th ⎟V DSat 2 ⎜ ⎟ V DSat ⎝ ⎠ 1+ EC Lµ（1 ）WL Q n ( x)t= vW Q n ( x)＝vW C OX (V GS − V Th − V C ( x))E=EC 时达到速度饱和， 此时 v = v sat =I DSat＝v sat WC OX (V GS − V Th − V DSat )＝µ EC2µ EC2WC OX (V GS − V Th − V DSat ) （2）使（1）式与（2）式相等，可得到 VDSat ，IDSat 的表达式。
2006 Fall清华大学微电子所《 数字大规模集成电路》 周润德 第 2 章 第 14 页即：E=EC 时达到速度饱和时，VDS = VDSat ，IDS = IDSat 饱和电压为： 饱和电流为：或常常近似地看成是常数： 当 很大时， 开始增大趋近于 因此，IDSat 与 （VGS－VTh）成线性关系2006 Fall清华大学微电子所《 数字大规模集成电路》 周润德 第 2 章 第 15 页深亚微米MOSFET的电流与电压的关系2.5 x 10-4提前饱和2VGS= 2.5 VVGS= 2.0 V1.5 ID (A)线性关系1VGS= 1.5 V0.5VGS= 1.0 V000.51 VDS (V)1.522.52006 Fall清华大学微电子所《 数字大规模集成电路》周润德第 2 章 第 16 页0.13 微米MOSFET的电流与电压的关系2006 Fall清华大学微电子所《 数字大规模集成电路》周润德第 2 章 第 17 页长沟与短沟器件电流比较ID长沟器件 VGS = VDD 短沟器件V DSAT2006 FallVGS - V T周润德VDS第 2 章 第 18 页清华大学微电子所《 数字大规模集成电路》ID 与 VGS 的关系6 5 4ID (A)x 10-4x 10 2.5-42线性关系平方关系1.5ID (A)3 2 1 0 010.5平方关系0.5 1VGS(V)1.522.50 00.51VGS(V)1.522.5长沟器件2006 Fall清华大学微电子所《 数字大规模集成电路》短沟器件周润德 第 2 章 第 19 页ID 与VDS 的关系x 10-46 5 4 ID (A) 3 2 1VGS= 2.5 Vx 10 2.5-4VGS= 2.5 V2电阻区饱和区ID (A)VGS= 2.0 V1.5VGS= 2.0 VVDS = VGS - VTVGS= 1.5 V1VGS= 1.5 V0.5VGS= 1.0 VVGS= 1.0 V0.5 1 VDS(V) 1.5 2 2.5 0 0 0.5 1 VDS(V) 1.5 2 2.50 0长沟器件2006 Fall清华大学微电子所《 数字大规模集成电路》短沟器件周润德 第 2 章 第 20 页速度饱和Velosity Saturation3. 当源漏电压上升时, 饱和点向源端移动Pinch-0ff沟道夹断饱和B 当当其中：器件模型和模拟结果之间存在差别（1）I DS～V DS 的曲线形状不同（2）饱和点不同（3）输出电阻不同Shockley（理想模型）Simulated-lawα（五）漏感应势垒下降及源漏穿通（DIBL ）（1）增加会使源端势垒下降V DS （2）沟道长度缩短会使源端势垒下降（3）源漏穿通：发射流加大并以扩散形式到达漏端，不受栅压控制增加会使源端势垒下降V DS沟道长度缩短会使源端势垒下降短沟器件的源漏距离已与耗尽区宽度可比拟，此时漏端电压将对阈值电压产生调制作用：（六）器件漏电I 1 : pn结反向偏置电流I 2 : 弱反型电流（亚阈值电流）I 3 : DIBL（漏极感应势垒降低）I 4 : GIDL（栅极感应漏端漏电）I 5 : Punchthrough（源漏穿通）I 6 :窄宽度效应I 7 :栅氧隧穿I 8 :热电子注入栅氧隧穿热电子注入pn 结反向偏置电流亚阈值电流DIBL窄宽度效应源漏穿通GIDLWeek Inversion , Junction Leakage , DIBL 及GIDL注：漏电电流（I OFF），单位：安培线性平方指数亚阈值斜率典型值60~90 mV /十倍电流亚阈值斜率系数S 为使电流下降10倍（I D 2/I D 1=10）时所需电压V GS 的下降∆V GSDS D ⎟⎠⎜⎝栅极漏电流栅氧厚度栅极漏电流1/E（1）器件级：沟道工程•栅工程–栅材料：阻止栅耗尽–栅氧材料：高κ介质•阱工程–纵向逆掺杂(Retrograde)阱–横向晕环(Halo)掺杂•应力工程：应变硅，提高迁移率（2）电路级•自反偏技术：利用晶体管串联的堆叠效应可大幅度降低漏电•多阈值V th 设计：高V th 用于降低I off ，低V th 用于提高速度性能实现方法：采用多沟道掺杂；多栅氧厚度；多沟道长度；多衬偏效应•电路型式–多阈值CMOS ：MTCMOS–双阈值(Dual-T)CMOS ：关键路径上采用低V th ，非关键路径上采用高V th –变阈值CMOS ：VTCMOS –动态阈值CMOS ：DTCMOSV th 跳变：V th -hopping scheme(VTH)V th 缩放：Dynamic V th -scaling scheme (DVTS)解决方法纳米尺度时IC的漏电流问题纳米尺度下，MOS管静态漏电成为影响功耗的严重问题90nm工艺下，IC漏电功耗约为总功耗的1/365nm工艺下，IC漏电功耗约为总功耗的3/4必须在体系结构、电路、器件结构、材料各层次综合考虑和优化，把漏电流功耗比例控制在1/3 左右水平MOSFET 工作区域（弱反型区＋强反型区）•弱反型（亚阈值）V GS ≤V T–与V GS 呈指数关系，与V DS 呈线性关系•强反型V GS >V T–线性（电阻区）V DS <V DSAT –饱和（常数电流）V DS ≥V DSAT（七）热载流子效应（1）原因：1．漏端强电场引起高能热电子与晶格碰撞产生电子/空穴对，引起衬底电流．2．电子在强纵向电场作用下穿过栅氧，引起栅电流（2）影响:1. 使器件参数变差，特性不稳，电路失效2. 衬底电流引起噪声，Latch-up, 以及动态节点漏电（3）LDD （lightly doped drain ）: 在源漏区与沟道间加一段电阻率较高的轻掺杂区n −1. 优点：可减小热电子效应，提高源漏电压2. 缺点：区使器件跨导和减小I DS n −3. 引起静态功耗沟道热载流子释放出光子，光子射入衬底激发出少子。
高能载流子与晶格碰撞产生电子空穴对，空穴形成衬底电流。
（八）体效应：（Body Effect）衬底电流在衬底电阻上的压降造成衬偏电压衬偏引起的体效应使开启电压随衬偏变化（SCBE ─S ubstrate C urrent Induced B ody E ffect ）Triode CLM DIBL SCBE输出电阻源漏电流源漏电压输出电阻源漏电流R S R D （十）源漏寄生电阻，源漏电阻取决于：1. 源漏区PN结电阻2. 接触孔电阻（2）纵向非均匀掺杂引起之间存在非线性关系（十三）其它（1）体电荷效应（2）耗尽层宽度不均匀引起阈值电压沿沟道分布不均匀（3）参数随几何尺寸变化（4）参数取决于源漏电压第三节MOS器件模型建立MOS 器件模型的目的和要求建立模型的目的与意义为减少设计时间和制造成本，需要精确、有效的模型对模型的要求：（1）精确：适合全工作范围，电流及其它小信号参数（2）有物理基础：全面理解物理过程，能预测器件性能（3）可扩展性：能预见不同尺寸器件的性能（4）高效率：收敛，连续，减少迭代次数和模拟时间MOS模型的发展进程（一）MOS1 模型（Shichman-Hodges 模型）（1）一阶模型，适合精度要求不高的长沟道（10 ）MOS 管µm（2）考虑以下效应：1．横向扩散（有效沟道长度）λ2．沟道长度调制系数3．衬偏效应（二）MOS2 模型（二维解析模型）µ（1）适合于6 ─7m（2）考虑以下效应：1．沟道长度对阈值的影响2．沟道宽度对阈值的影响3．迁移率随表面电场的变化4．载流子速度饱和引起源漏电流饱和5．沟道夹断引起的沟长调制效应6．弱反型导电7．漏区静电反馈对阈值的影响（3）收敛性与效率：1.载流子速度饱和引起源漏电流饱和的模型将在饱和区和线性区的边界处引入导数不连续，使计算不精确，会引起不收敛2.弱反型导电可使电流在边界处连续，但导数不连续，在模拟强反型区到弱反型区之间的过渡区时精度不高。