《MOS器件物理》PPT课件
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第2章MOS器件物理基础
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。
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
❖ 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。
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
半导体器件物理MOSFETPPT课件
I Dsub只有纳安到微安量级。但大规模IC中包含有上千万甚至数亿个器件，总的
I Dsub可能达到数个安培. 减小I Dsub影响的措施
增大COX，减小亚阈值摆幅，使器件可以快速关断 提高关断/待机状态下器件的阈值电压VT：通过衬底和源之间加反偏，使VT
增加， 从而使VGS<<VT.
VGS下器件脱离弱反型，处于耗尽区，无I Dsub ，静态功耗大幅降低
的耗尽层电荷需要栅压产生
实际情况(窄沟器件)：两侧空间电荷的量相对多，不可忽略，阈值反型
点需VGS产生的耗尽层电荷增多，VT增大
2021/9/244
VTN
|
Q'SD max Cox
|
VFB＋2
fp
第二十一页，编辑于星期五：九点 十分。
4.3 MOSFET VT随W的变化:表面电荷
理想模型(适用宽沟道）： 受VGS控制的表面总电荷｜Q｜B eNa xdTWL 单位面积的表面电荷｜QBma｜x eNa xdT
2021/9/24
第三页，编辑于星期五：九点 十分。
4.3 MOSFET
亚阈电流表达式:
亚阈值电流:对器件的影响
ID与VGS有关，且随VGS指数增加，
当VGS改变60mV，I D（sub) 改变一个数量级 若VDS>4（kT/e），最后括号部分将近似等于1，
IDsub近似与VDS>无关
半对数坐标中亚阈电流 与VGS之间呈现直线
2021/9/24
第十七页，编辑于星期五：九点 十分。
4.3 MOSFET 阈值电压修正： VT与L、W的相关性
长、宽沟道MOSFET的阈值电压
VTN
|
Q'SD max Cox
I Dsub可能达到数个安培. 减小I Dsub影响的措施
增大COX，减小亚阈值摆幅，使器件可以快速关断 提高关断/待机状态下器件的阈值电压VT：通过衬底和源之间加反偏，使VT
增加， 从而使VGS<<VT.
VGS下器件脱离弱反型，处于耗尽区，无I Dsub ，静态功耗大幅降低
的耗尽层电荷需要栅压产生
实际情况(窄沟器件)：两侧空间电荷的量相对多，不可忽略，阈值反型
点需VGS产生的耗尽层电荷增多，VT增大
2021/9/244
VTN
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Q'SD max Cox
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VFB＋2
fp
第二十一页，编辑于星期五：九点 十分。
4.3 MOSFET VT随W的变化:表面电荷
理想模型(适用宽沟道）： 受VGS控制的表面总电荷｜Q｜B eNa xdTWL 单位面积的表面电荷｜QBma｜x eNa xdT
2021/9/24
第三页，编辑于星期五：九点 十分。
4.3 MOSFET
亚阈电流表达式:
亚阈值电流:对器件的影响
ID与VGS有关，且随VGS指数增加，
当VGS改变60mV，I D（sub) 改变一个数量级 若VDS>4（kT/e），最后括号部分将近似等于1，
IDsub近似与VDS>无关
半对数坐标中亚阈电流 与VGS之间呈现直线
2021/9/24
第十七页，编辑于星期五：九点 十分。
4.3 MOSFET 阈值电压修正： VT与L、W的相关性
长、宽沟道MOSFET的阈值电压
VTN
|
Q'SD max Cox
MOS器件物理基础
西安电子科技大学
17
MOS管在饱和区电流公式
西安电子科技大学
18
西安电子科技大学
Thanks！
19
MOS管所有pn结必须反偏: *N-SUB接VDD！
4 *P-SUB接VSS！ *阱中MOSFET衬底常接源极S，why？
电路中的符号表征
西安电子科技大学
MOS管等效于一个开关!
5
西安电子科技大学
(a)栅压控制的MOSFET (b)耗尽区的形成(c)反型的开始
6 (d)反型层的形成
西安电子科技大学
西安电子科技大学
MOS器件物理基础
西安电子科技大学 刘术彬
1
西安电子科技大学
2
基本结构
西安电子科技大学
Ldrawn：沟道总长度 LD：横向扩散长度
*D、S是对称的，可互换？ *所有pn结必须反偏！
Leff：沟道有效长度， Leff＝ Ldrawn－2 LD
3
西安电子科技大学
CMOS结构 (P、N基于同一衬底)
沟道单位长度电荷(C/m) 电荷移 动速度 (m/s)
12
I/V特性的推导（3）
西安电子科技大学
13
I/V特性的推导（4）
西安电子科技大学
14
西安电子科技大学 NMOS管VGS>VT、VDS> VGS+VT时的示意图
15
I/V特性的推导（5）
西安电子科技大学
16
饱和区MOSFET的I/V特性
NMOS管VGS>VT、VDS=0时的示意图
7
西安电子科技大学 NMOS管VGS>VT、0<VDS< VGS-VT时的示意图
8
模拟cmos集成电路设计拉扎维MOS器件物理基础PPT课件
定义从D流 向S为正 PMOS管电流驱动能力比NMOS管差 0.8 m nwell：p=250cm2/V-s, n=550cm2/Vs 0.5 m nwell：p=100cm2/V-s, n=350cm2/V-
第23页/共61页
跨导gm
VGS对IDS的控制能力 IDS对VGS变化的灵敏度
gm ID VGS VDS cons tant
• 直流关系式－I/V特性 • 交流关系式－小信号电路中的参数
第6页/共61页
MOS管简化模型
简化模型——开关 由VG控制的一个开关
第7页/共61页
MOS管的结构
Bulk（body）
源漏在物理结构上是完全对称的，靠什么区分开？
提供载流子的端口为源，收集载流子的端口为漏
最重要的工作区域？
受VG控制的沟道区
• 小信号模型 • 信号相对于偏置工作点而言比较小、不会显著影响偏置工作点时用该模型简化计算 • 由gm、 gmb、rO等构成低频小信号模型，高频时还需加上 CGS等寄生电容、寄生电阻（接触孔电阻、 导电层电阻等）
沟道电荷的产生
当VG大到一定 程度时，表面势 使电子从源流向 沟道区 VTH定义为表面电 子浓度等于衬底 多子浓度时的VG
第12页/共61页
阈值电压
0 栅与衬底功函数差
COX
OX
TOX
常通过沟道注入把VTH0调节到合适值 工艺确定后，VTH0就固定了，设计者无法改变
第13页/共61页
I/V特性－沟道随VDS的变化
第3页/共61页
掌握器件物理知识的必要性
• 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
第23页/共61页
跨导gm
VGS对IDS的控制能力 IDS对VGS变化的灵敏度
gm ID VGS VDS cons tant
• 直流关系式－I/V特性 • 交流关系式－小信号电路中的参数
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MOS管简化模型
简化模型——开关 由VG控制的一个开关
第7页/共61页
MOS管的结构
Bulk（body）
源漏在物理结构上是完全对称的，靠什么区分开？
提供载流子的端口为源，收集载流子的端口为漏
最重要的工作区域？
受VG控制的沟道区
• 小信号模型 • 信号相对于偏置工作点而言比较小、不会显著影响偏置工作点时用该模型简化计算 • 由gm、 gmb、rO等构成低频小信号模型，高频时还需加上 CGS等寄生电容、寄生电阻（接触孔电阻、 导电层电阻等）
沟道电荷的产生
当VG大到一定 程度时，表面势 使电子从源流向 沟道区 VTH定义为表面电 子浓度等于衬底 多子浓度时的VG
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阈值电压
0 栅与衬底功函数差
COX
OX
TOX
常通过沟道注入把VTH0调节到合适值 工艺确定后，VTH0就固定了，设计者无法改变
第13页/共61页
I/V特性－沟道随VDS的变化
第3页/共61页
掌握器件物理知识的必要性
• 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
硕士第二章 MOS器件物理基础
ln Nsub kT ΦF = q ni
Qdep = 4qεsi ΦF Nsub
Cox：单位面积栅氧化层电容
ΦMS：多晶硅栅与硅衬底功函数之差 Qdep：耗尽区的电荷,是衬源电压VBS的函数
MOS管的开启电压VT及体效应
VTH = VTH0 + γ
2ΦF +VSB - 2ΦF
I D gm = VGS
MOSFET的跨导gm
VDS=const
W = μnCox (VGS - VTH ) L
W g m = 2μnCox ID L 2I D = VGS - VTH
2.3 二级效应
• 体效应 • 沟道长度调制
• 亚阈值导电性
• 电压限制
MOS管的开启电压VT及体效应
Qdep VTH = ΦMS + 2ΦF + , where Cox ΦMS = Φgate - Φsilicon
I/V特性的推导（1）
沟道单位长度电荷(C/m)
Qd = WCox (VGS - VTH ) Qd (x) = WCox (VGS - V(x) - VTH )
I = Qd .v
电荷移动 速度(m/s)
Qd：沟道电荷密度 Cox：单位面积栅电容
WCox：MOSFET单位长度的总电容 Qd(x)：沿沟道点x处的电荷密度 V(x)：沟道x点处的电势 V(x)|x=0=0, V(x)|x=L=VDS
Ron = 1 W nCox (VGS - VTH ) L
等效为一个 压控电阻
I/V特性的推导（3）
W 1 2 I D = nCox [(VGS - VTH )VDS - VDS ] L 2
MOS器件物理(3)
无源器件
在模拟集成电路中的无源器件主要是指 电阻、电容等，精密的电阻、电容是 电阻、电容等，精密的电阻、电容是MOS模 模 拟电路设计所要求的主要基本元件，电阻或电 拟电路设计所要求的主要基本元件， 容在电路应用中最关键的是要提供精确的元件 值，但在大多数情况下，电阻或电容的绝对值 但在大多数情况下， 不如它们的比值那么重要。 不如它们的比值那么重要。
有源电阻
2）考虑衬底偏置效应 ） 如果考虑体效应，如下图（ ）所示， 如果考虑体效应，如下图（a）所示，由于衬底接地电 则有： ＝－V， ＝－V， 位，则有：V1＝－ ，Vbs＝－ ，其等效电路如下图 （b）所示。 ）所示。
（a)
(b)
有源电阻
根据KCL定理，由上图（b）可以得到： 定理，由上图（ ）可以得到： 根据 定理
有源电阻
1）漏输出，源极交流接地 ）漏输出，
VGS是固定的，当MOS管的漏源电压大于栅极的 是固定的， 管的漏源电压大于栅极的 过驱动电压时， 管工作于饱和区， 过驱动电压时，MOS管工作于饱和区，忽略沟道 管工作于饱和区 调制效应时，其阻值为无穷大， 调制效应时，其阻值为无穷大，但实际阻值应考 虑沟道调制效应，可用饱和萨氏方程求出： 虑沟道调制效应，可用饱和萨氏方程求出：
MOS管交流小信号模型 高频 管交流小信号模型---高频 管交流小信号模型
在高频应用时， 在高频应用时，MOS管的分布电容就不能 管的分布电容就不能 忽略。 忽略。即在考虑高频交流小信号工作时必须 考虑MOS管的分布电容对电路性的影响， 管的分布电容对电路性的影响， 考虑 管的分布电容对电路性的影响 所以MOS管的高频小信号等效电路可以在 管的高频小信号等效电路可以在 所以 其低频小信号等效电路的基础上加入MOS 其低频小信号等效电路的基础上加入 管的级间电容实现，如图所示。 管的级间电容实现，如图所示。
MOS管原理_非常详细PPT课件
如果MOS管用作隔离时，（不论N沟道还是P沟道）， 寄生二极管的方向一定是和主板要实现的单向导通方向 一致。
笔记本主板上用PMOS做隔离管的最常见，但也有极少 的主板用NMOS来实现。
第32页/共58页
电路符号
5 做个挑错游戏吧
有没有发现过笔记本电路图上的MOS管也有画错的？
通过前面的学习， 我们来做个挑错 游戏吧， 看看你能发现多 少错误？
AON6428L，AON6718L，AO4496，AO4712，AO6402A，AO3404，SI3456DDV， MDS1660URH，MDS2662URH，RJK0392DPA，RJK03B9DP。
PMOS管则和NMOS条件刚好相反。
第20页/共58页
电路符号
示例1：
NMOS管： 2N7002E
第25页/共58页
电路符号
示例1：
19V
Adapter
PMOS管： AOL1413
接地
6V 19V
5V
导通
作用： 隔离
19V
截导止通
19V
隔离
19V
BAT
大家有兴趣可分析一下：拔掉适配器后第只26用页电/共池58供页电时AOL1413的工作情况，试试吧！
电路符号
笔记本主板上的隔离，其实质是将适配器电压（+19V） 和电池电压（+12V左右）分隔开来。不让它们直接相通。 但又能在拔除任意一种电源时，保证电脑都有持续的供电，实 现电源无缝切换。
第7页/共58页
电路符号
S极
P沟道MOSFET
G极 箭头背向G极的是P沟道
D极
当然也可以先判断沟道类型，再判断三个脚极性。
第8页/共58页
笔记本主板上用PMOS做隔离管的最常见，但也有极少 的主板用NMOS来实现。
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电路符号
5 做个挑错游戏吧
有没有发现过笔记本电路图上的MOS管也有画错的？
通过前面的学习， 我们来做个挑错 游戏吧， 看看你能发现多 少错误？
AON6428L，AON6718L，AO4496，AO4712，AO6402A，AO3404，SI3456DDV， MDS1660URH，MDS2662URH，RJK0392DPA，RJK03B9DP。
PMOS管则和NMOS条件刚好相反。
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电路符号
示例1：
NMOS管： 2N7002E
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电路符号
示例1：
19V
Adapter
PMOS管： AOL1413
接地
6V 19V
5V
导通
作用： 隔离
19V
截导止通
19V
隔离
19V
BAT
大家有兴趣可分析一下：拔掉适配器后第只26用页电/共池58供页电时AOL1413的工作情况，试试吧！
电路符号
笔记本主板上的隔离，其实质是将适配器电压（+19V） 和电池电压（+12V左右）分隔开来。不让它们直接相通。 但又能在拔除任意一种电源时，保证电脑都有持续的供电，实 现电源无缝切换。
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电路符号
S极
P沟道MOSFET
G极 箭头背向G极的是P沟道
D极
当然也可以先判断沟道类型，再判断三个脚极性。
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半导体器件物理PPT课件
解
11
练习 假使面心结构的原子是刚性的小球，且面中心原子与 面顶点四个角落的原子紧密接触，试算出这些原子占此面 心立方单胞的空间比率。
解
12
例1-2 硅（Si）在300K时的晶格常数为5.43Å。请计算出每立方厘米体 积中硅原子数及常温下的硅原子密度。（硅的摩尔质量为 28.09g/mol）
解
13
29
●允带
允许电子存在的一系列准 连续的能量状态
● 禁带
禁止电子存在的一系列能 量状态
● 满带
被电子填充满的一系列准 连续的能量状态 满带不导电
● 空带
没有电子填充的一系列准 连续的能量状态 空带也不导电
图1-5 金刚石结构价电子能带图（绝对零度）
30
●导带
有电子能够参与导电的能带， 但半导体材料价电子形成的高 能级能带通常称为导带。
电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转到另一个原子周围，即 同一个电子可以被多个原子共有，电子不再完全局限在某一个原子上， 可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。
27
共有化运动
由于晶体中原子的周期性 排列而使电子不再为单个 原子所有的现象，称为电 子共有化。
在晶体中，不但外层价电 子的轨道有交叠，内层电 子的轨道也可能有交叠， 它们都会形成共有化运动；
杂质来源
一）制备半导体的原材料纯度不够高； 二）半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的沾污； 三）为了半导体的性质而人为地掺入某种化学元素的原子。
40
金刚石结构的特点
原子只占晶胞体积的34%，还有66%是空隙， 这些空隙通常称为间隙位置。
杂质的填充方式
一）杂质原子位于晶格 间隙式杂质 原子间的间隙位置， 间隙式杂质/填充；
11
练习 假使面心结构的原子是刚性的小球，且面中心原子与 面顶点四个角落的原子紧密接触，试算出这些原子占此面 心立方单胞的空间比率。
解
12
例1-2 硅（Si）在300K时的晶格常数为5.43Å。请计算出每立方厘米体 积中硅原子数及常温下的硅原子密度。（硅的摩尔质量为 28.09g/mol）
解
13
29
●允带
允许电子存在的一系列准 连续的能量状态
● 禁带
禁止电子存在的一系列能 量状态
● 满带
被电子填充满的一系列准 连续的能量状态 满带不导电
● 空带
没有电子填充的一系列准 连续的能量状态 空带也不导电
图1-5 金刚石结构价电子能带图（绝对零度）
30
●导带
有电子能够参与导电的能带， 但半导体材料价电子形成的高 能级能带通常称为导带。
电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转到另一个原子周围，即 同一个电子可以被多个原子共有，电子不再完全局限在某一个原子上， 可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。
27
共有化运动
由于晶体中原子的周期性 排列而使电子不再为单个 原子所有的现象，称为电 子共有化。
在晶体中，不但外层价电 子的轨道有交叠，内层电 子的轨道也可能有交叠， 它们都会形成共有化运动；
杂质来源
一）制备半导体的原材料纯度不够高； 二）半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的沾污； 三）为了半导体的性质而人为地掺入某种化学元素的原子。
40
金刚石结构的特点
原子只占晶胞体积的34%，还有66%是空隙， 这些空隙通常称为间隙位置。
杂质的填充方式
一）杂质原子位于晶格 间隙式杂质 原子间的间隙位置， 间隙式杂质/填充；
器件物理MOSFET ppt课件
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区
Q S Q I Q B Q I qa x N dm
n型MOS电容的不同偏置下的能带图和对应的电荷块图
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区
结论
n型衬 底
INV（反型） DEPL（耗尽） ACC(积累）
VG
VT
0
ACC(积累） DEPL（耗尽） INV（反型）
xd
(2ss
qNA
1
)2
最大耗尽层宽度
xdm(4qsNAFp)12
6.2 理想MOS电容器
6.2 理想MOS电容器
教学要求 1.导出公式（6－2-24）、（6-2-25）。 2..了解电荷QI的产生机制 3.了解积累区、耗尽区、反型区和强反型情况下，MOS电容的变 化规律及影响MOS电容的主要因素
P型
0
VT
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区
结论
耗尽-反型过渡点 平带
n型(F<0) INV（反型） DEPL（耗尽） ACC(积累）
s
2 F
0
P型(F>0)
ACC(积累） DEPL（耗尽） INV（反型）
s
0
2 F
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区
例题：两个理想MOS电容的电荷块图分布如下图所示，对每 一种情况：完成以下三个问题：
表面势
s
1 q
Ei (体内）
Ei (表面）
费米势
F
1 q
Ei (体内）
EF
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷 区
F的正负和大小与Si衬底的导电类型和掺杂浓度有关
p型半导体 n型半导体
F
KT q
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器件物理基础
tox=50 Å, Cox6.9fF/μm2(1 Å=10-10 m, 1fF= 10-15 F) ∴tox=90 Å, Cox6.9*50/90=3.83fF/μm2
gmN = 2 350 10-4 3.83 10-15/10-12 100 5 10-4 3.6mA/V
23
MOS管的开启电压VT及体效应
VTH = ΦMS + 2ΦF + Qdep , where Cox
ΦMS = Φgate - Φsilicon
ΦF = kT q ln
Nsub ni
Qdep = 4qεsi ΦF Nsub
Cox：单位面积栅氧化层电容
ΦMS：多晶硅栅与硅衬底功函数之差
- VTH )VDS
-
1 2
VDS 2
]
ID
=
nCox
W L
(VGS
- VTH )VDS
VDS << 2(VGS - VTH )
Ron
=
nCox
W L
1 (VGS
- VTH )
等效为一个压控 电阻
2019/11/15
13
I/V特性的推导（3）
ID
=
nCox
W L
[(VGS
- VTH )VDS
5
例：判断制造下列电路的衬底类型
2019/11/15
6
NMOS器件的阈值电压VTH
(a)栅压控制的MOSFET (c)反型的开始
(b)耗尽区的形成 (d)反型层的形成
2019/11/15
7
NMOS管VGS>VT、VDS=0时的示意图
2019/11/15
8
NMOS管VGS>VT、 0<VDS< VGS-VT时的示意图
gmN = 2 350 10-4 3.83 10-15/10-12 100 5 10-4 3.6mA/V
23
MOS管的开启电压VT及体效应
VTH = ΦMS + 2ΦF + Qdep , where Cox
ΦMS = Φgate - Φsilicon
ΦF = kT q ln
Nsub ni
Qdep = 4qεsi ΦF Nsub
Cox：单位面积栅氧化层电容
ΦMS：多晶硅栅与硅衬底功函数之差
- VTH )VDS
-
1 2
VDS 2
]
ID
=
nCox
W L
(VGS
- VTH )VDS
VDS << 2(VGS - VTH )
Ron
=
nCox
W L
1 (VGS
- VTH )
等效为一个压控 电阻
2019/11/15
13
I/V特性的推导（3）
ID
=
nCox
W L
[(VGS
- VTH )VDS
5
例：判断制造下列电路的衬底类型
2019/11/15
6
NMOS器件的阈值电压VTH
(a)栅压控制的MOSFET (c)反型的开始
(b)耗尽区的形成 (d)反型层的形成
2019/11/15
7
NMOS管VGS>VT、VDS=0时的示意图
2019/11/15
8
NMOS管VGS>VT、 0<VDS< VGS-VT时的示意图
《第五章MOS器件》PPT课件
• 对于MOSFET来说，最令人关注的是反型的 表面状态。当栅偏压VG 0时，P型半导 体表面的电子浓度将大于空穴浓度，形成 与原来半导体导电类型相反的N型导电层， 它不是因掺杂而形成的，而是由于外加电 压产生电场而在原P型半导体表面感应出来 的，故称为感应反型层。这一反型层与P型 衬底之间被耗尽层隔开，它是MOSFET的导 电沟道，是器件是否正常工作的关键。反 型层与衬底间的P－N结常称为感应结。
电荷。单位为C/cm2。 QGQS 0
• 由于Q0是不变的，因此
2021/4/27
实用文档
15
中国科学技术大学物理系微电子专业
6、半导体表面状态
2021/4/27
实用文档
16
积累:
电荷分布 QS
中国科学技术大学物理系微电子专业
积累情况下能带图及电荷分布
-d
x
Qm
EiEF
PP nie
kT
E(X) 电场分布 靠近氧化层的半导体表面
形成空穴积累
x
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实用文档
17
耗尽:
Vg>0
EF
2021/4/27
中国科学技术大学物理系微电子专业
Ec
Ei EF E
v
(x) Qm
电荷分布
wx -d
电场分布
QscqNAW
E(X)
实用文档
x
18
强反型:
中国科学技术大学物理系微电子专业
2021/4/27
np nieEFEik T
实用文档
氧化物陷阱电荷Qot：和SiO2的缺陷有关，分布在SiO2 层内，和工艺过程有关的Qot可以通过低温退火除掉 大部分。
可动离子电荷Qm：如Na＋等碱金属离子，在高温和高 压下工作时，它们可以在氧化层内移动。因此，在
MOS器件物理
有源器件－MOS管
MOS管的工作原理及表示符号（5）
NMOS D G S B G S PMOS D B G S NMOS D G D PMOS S G S NMOS D G S PMOS D G S NMOS D G D PMOS S
MOS管的高频小信号电容
MOS管的电容（1）
G S
Cbs
d
C1
的交叠电容记为Col）：
包括栅源交叠电容C1＝WdCol与栅漏交叠电容C4=WdCol： 由于是环状的电场线， C1与C4不能简单地写成WdCox， 需通过更复杂的计算才能得到，且它的值与衬底偏置有关。
MOS管的高频小信号电容
MOS管的电容（3）：
源漏区与衬底间的结电容：Cbd、Cbs
即为漏源对衬底的PN结势垒电容，这种电容一般由两部分组成：一个 是垂直方向（即源漏区的底部与衬底间）的底层电容Cj，另一个是横 向即源漏的四周与衬底间构成的圆周电容Cjs，因为不同三极管的几何 尺寸会产生不同的源漏区面积和圆周尺寸值，一般分别定义Cj与Cjs为 单位面积的电容与单位长度的电容。而每一个单位面积PN结的势垒电 容为：
也存在导电沟道。
这两类MOS管的基本工作原理一致，都是利用 栅源电压的大小来改变半导体表面感生电荷的 多少，从而控制漏极电流的大小 。
有源器件－MOS管
MOS管的工作原理及表示符号（2）：
当栅源电压VGS=0时，源区（n＋型）、衬底（p型）和漏区（n＋型）
形成两个背靠背的PN结，不管VDS的极性如何，其中总有一个PN结 是反偏的，所以源漏之间的电阻主要为PN结的反偏电阻，基本上无 电流流过，即漏电流ID为0，此时漏源之间的电阻很大，没有形成导 电沟道。 当栅源之间加上正向电压，则栅极和p型硅片之间构成了以二氧化硅 为介质的平板电容器，在正的栅源电压作用下，介质中便产生了一 个垂直于半导体表面的由栅极指向p型衬底的电场（由于绝缘层很薄， 即使只有几伏的栅源电压VGS，也可产生高达105~106V/cm数量 级的强电场），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），
(完整)半导体器件物理MOSFET精品PPT资料精品PPT资料
器件预VD 夹 SVD 断 (Ssa),t， IDID(sa)t VD(Ssa)tVGS VT
沟道夹断点X： 反型层电荷密度刚好≈0→VGX=VT,
→ VGS-VXS=VT
→ VXS=VGS-VT=VDS(sat)
2021/8/13
4.1 MOSFET
ID随VDS的变化(4)
饱和区
原沟道区：导电沟道区和夹断区。电流被夹断了吗？ 导电沟道区可导电，又有电势差，所以有电流，根据电流连续性原理，
4.1 MOSFET
0栅压是否存在反型沟道分：
MOSFET分类(2)
n沟增强型MOSFET
零栅压时不存在反型沟道， VTN>0， 加栅压VGS>VTN, 沟道开启
n沟耗尽型MOSFET
零栅压时已存在反型沟道， VTN<0 加栅压VGS<VTN, 沟道关闭
思考：不进行专门的N型掺杂，能否形成耗尽型NMOS？
1 MOSFET MOSFET分类（5）
1 MOSFET
跨导:模型
p沟增强型MOSFET
1 MOSFET
I-V特性:基本假设
漂移到夹断点的电子在夹断区大电场的作用下被扫向漏极，形成ID
VDS<0, ID<0
n沟道MOSFET：NMOS
加栅压VGS>VTP, 沟道关闭
单位 S(西门子)，一般为几毫西 (mS)
2021/8/13
4.1 MOSFET
MOSFET分类(3)
p沟增强型MOSFET
零栅压时不存在反型沟道 VTP<0 加栅压VGS<VTP, 沟道开启
2021/8/13
p沟耗尽型MOSFET
零栅压时存在反型沟道 VTP>0 加栅压VGS>VTP, 沟道关闭
第三章MOS管ppt课件
)
第3章
场效应管
饱和区(放大区)外加电压极性及数学模型
VDS 极性取决于沟道类型 N 沟道：VDS > 0， P 沟道：VDS < 0 VGS 极性取决于工作方式及沟道类型 增强型 MOS 管： VGS 与 VDS 极性相同。 耗尽型 MOS 管： VGS 取值任意。 饱和区数学模型与管子类型无关
第3章
场效应管
由于 MOS 管 COX 很小，因此当带电物体(或人)靠近 金属栅极时，感生电荷在 SiO2 绝缘层中将产生很大的电 压 VGS(= Q /COX)，使绝缘层击穿，造成 MOS 管永久性损 坏。 MOS 管保护措施： 分立的 MOS 管：各极引线短接、烙铁外壳接地。 MOS 集成电路：
VGS
ID/mA
D N+
G
VUS = 0 -2V -4V
P
O
VGS /V
若| VUS | 阻挡层宽度 耗尽层中负离子数
因 VGS 不变(G 极正电荷量不变) 表面层中电子数 ID 根据衬底电压对 ID 的控制作用，又称 U 极为背栅极。
第3章
场效应管
P 沟道 EMOS 管
第3章
场效应管
3.1.3 四种 MOS 场效应管比较
电路符号及电流流向
D
ID
U G
D
ID
U G
D
ID
U G
D
ID
U
G
S NEMOS
S NDMOS
S PEMOS
S PDMOS
转移特性
ID ID
ID ID
O VGS(th)
VGS
VGS(th) O
VGS
VGS(th) O V GS
第3章
场效应管
饱和区(放大区)外加电压极性及数学模型
VDS 极性取决于沟道类型 N 沟道：VDS > 0， P 沟道：VDS < 0 VGS 极性取决于工作方式及沟道类型 增强型 MOS 管： VGS 与 VDS 极性相同。 耗尽型 MOS 管： VGS 取值任意。 饱和区数学模型与管子类型无关
第3章
场效应管
由于 MOS 管 COX 很小，因此当带电物体(或人)靠近 金属栅极时，感生电荷在 SiO2 绝缘层中将产生很大的电 压 VGS(= Q /COX)，使绝缘层击穿，造成 MOS 管永久性损 坏。 MOS 管保护措施： 分立的 MOS 管：各极引线短接、烙铁外壳接地。 MOS 集成电路：
VGS
ID/mA
D N+
G
VUS = 0 -2V -4V
P
O
VGS /V
若| VUS | 阻挡层宽度 耗尽层中负离子数
因 VGS 不变(G 极正电荷量不变) 表面层中电子数 ID 根据衬底电压对 ID 的控制作用，又称 U 极为背栅极。
第3章
场效应管
P 沟道 EMOS 管
第3章
场效应管
3.1.3 四种 MOS 场效应管比较
电路符号及电流流向
D
ID
U G
D
ID
U G
D
ID
U G
D
ID
U
G
S NEMOS
S NDMOS
S PEMOS
S PDMOS
转移特性
ID ID
ID ID
O VGS(th)
VGS
VGS(th) O
VGS
VGS(th) O V GS
半导体器件物理(第五章 MOS场效应晶体管)
5.1 MOS型晶体管的结构与分类
空穴沟道
I DS
I DS
D
p
D
B
VGS
G
VDS
G
B
S
VDS
S
p
VGS
N Si
(g)
(h)
图(g)展示了pMOS晶体管工作原理电路图，当在栅极G施加 负栅压时，且满足︱VGS︱ >︱VT︱时，便形成空穴沟道，这时 在 D 端施加一漏极电压，注意应有 VDS<0 ，即负的漏极电压， 就会形成漏极电流IDS，注意电流实际方向为S到D。
5.2.1 MOS型晶体管阈值电压的定义
VGS
S G
定义：
D
I DS
n
电子沟道
n
P Si
B
耗尽层
当 MOS 晶体管位于近源端 处的沟道区出现强反型层时， 施加于栅源两电极之间的电压 称为 MOS 晶体管的阈值电压， 用VT表示。
5.2.2 理想情况下MOS管阈值电压的表达式
（所谓理想情况，其情形完全类似于理想MOS结构）
5.1 MOS型晶体管的结构与分类
I DS VT 0 O
VGS
pMOS管 (增强型)
I DS
O
VT 0
VGS
pMOS管 (耗尽型)
(i) pMOS管转移特性曲线 （增强型）
(j) pMOS管转移特性曲线 （耗尽型）
特点：
1）VGS < VT（阈值电压）； 2）VT < 0（增强型）; 3）MOS 管输入电阻 Ri →∞。
微电子技术专业
第5章 MOS型场效应晶体管
本章要点
MOS型晶体管的结构与分类 MOS型晶体管的阈值电压
MOS器件物理转移特性曲线ppt课件
成正比，而MOS管的跨导与成正比，所以在同
样工作电流情况下，MOS管的跨导要比双极型
三极管的跨导小。
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
饱和区MOS管的跨导与导纳
• 对于MOS管的交流小信号工作还引入了导 纳的概念，导纳定义为：当栅源电压与衬 底电压为一常数时的漏极电流与漏源电压 之比，即可表示为：
衬底偏置效应（体效应） 严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。
• 例：
VDD
M1
Vo
Vi
Vo
I1
Vi
衬底偏置效应（体效应） 严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
饱和区MOS管的跨导与导纳
讨论2：
•
双极型三极管的跨导为：gmddVBC I EVCEC
IC VT
，两种
跨导相比可得到如下结论：
• 对于双极型，当IC确定后，gm就与几何形状无 关，而MOS管除了可通过IDS调节跨导外，gm还 与几何尺寸有关；双极型三极管的跨导与电流
衬底偏置效应（体效应） 严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。
• 根据阈值电压的定义及MOS管的工作原理可知， MOS管要形成沟道必须先中和其耗尽层的电荷， 假设VS＝VD＞VB，当0＜VGB＜Vth时则在栅下面 产生了耗尽但没产生反型层，保持MOS管的三端 电压不变，而降低衬底电压VB，则VGB增大，更 多的空穴被排斥到衬底，而留下了更多的负电荷， 从而使其耗尽区变得更宽，即当VB下降、Qb上升 时，Vth也会增大。这种由于VBS不为0而引起阈值 电压的变化的效应就称为“衬底效应”，也称为 “背栅效应”。
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si 0
QVFsBs：：氧平化带层电中压单，位VF面B＝积的正M电S 荷 CQossx
MOS管的电特性 －阈值电压
同理PMOS管的阈值电压可表示为：
Vth
MS
2 f
Qb Cox
Qss C ox
Qb C ox
2 f
VFB
注意：
器件的阈值电压主要通过改变衬底掺杂浓度、衬底表面浓度或改变氧 化层中的电荷密度来调整，对于增强型MOS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0；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NMOS 。
gm
I D VGS
VDS C
2KN
VGS
Vth
2
KNID
2ID VGS Vth
饱和区跨导的倒数等于深三极管区的导通电阻Ron
饱和区MOS管的跨导与导纳
讨论1： 在KN（KP）为常数（W/L为常数）时，跨导与过驱动电压成正比，或与漏
极电流ID的平方根成正比。 若漏极电流ID恒定时，则跨导与过驱动电压成反比，而与KN的平方根成正比。 为了提高跨导，可以通过增大KN（增大宽长比，增大Cox等），也可以通过
的栅电压
从物理意义上而言，Vt为h' 0 沟道刚反型时的栅电压，仅
与沟道浓度、氧化层电荷等有关；而Vth0与人为定义
开启后的IDS有关。
转移特性曲线
从转移特性曲线可以得到导电因子KN（或KP），根据饱和萨氏方程可知： 即有：
I K (V V ) 所以KND即S为转移特性N曲线的G斜S 率。 th 2
第二讲 MOS器件物理(续)
MOS管的电特性
主要指： 阈值电压 I/V特性 输入输出转移特性 跨导等电特性
MOS管的电特性 －阈值电压（NMOS）
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Vth ：
Vth
MS
2 f
Qb Cox
Qss Cox
Qb Cox
2f
VFB
ΦMS：指多晶硅栅与硅衬底间的接触电势差
f (kT q) ln( N sub ni ) 称为费米势，其中q是电子电荷
Nsub：衬底的掺杂浓度
Qb：耗尽区的电荷密度，其值为 Qb
4q si f
N
，其中
sub
si
是硅的介电常数
Cox：单位面积的栅氧电容， Cox n ox / tox ， ox
实际上，用以上方程求出的“内在”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：在 沟道中注入杂质，或通过对多晶硅掺杂金属的方法来调整阈值电压。 比如：若在p型衬底中掺杂三价离子形成一层薄的p＋区，为了实现耗 尽，其栅电压必须提高，从而提高了阈值电压。
MOS管的电特性－输出特性（I/V特性）
MOS管的电特性－输出特性（I/V特性）
饱和区：VDS≥VGS－Vth：
漏极电流并不是随VDS增大而无限增大的，在VDS＞VGS－Vth 时，MOS管进入饱和区：此时在沟道中发生了夹断现象。
萨氏方程两边对VDS求导，可求出当VDS＝VGS－Vth时，电流
有最大值，其值为：
这I就D 是饱K12和N萨nVC氏Go方Sx 程WLV。tVh G2S Vth 2
增大ID来实现，但以增大宽长比为最有效。
饱和区MOS管的跨导与导纳
讨论2：
双极型三极管的跨导为：
，两种跨导相比可得到如下结论：
பைடு நூலகம்
对跨于导双外极，型gm，还当与I几C确何定尺后寸，有g关m就；与双几极何型形三状极无g管m关的，跨而d导dVMI与BCOE电S管V流CE除成了C正可比通VI，CT过而IMDSO调S节管
I D 2K N VGS Vth VDS
上式表明在VDS较小时，ID是VDS的线性函数，即这时MOS管可等 效为一个电阻，其阻值为：
Ron
VDS ID
2K N
1 VGS
Vth
即：处于深三极管区的MOS管可等效为一个受过驱动电压控制的
可控电阻，当VGS一定时，沟道直流导通电阻近似为一恒定的电阻。
MOS管的电特性－输出特性（I/V特性）
ID 三极管区
饱和区
VGS3
VGS2 VGS1
VDS
VGS1-Vth VGS2-Vth VGS3-Vth
转移特性曲线
在一个固定的VDS下的MOS管饱和区的漏极电流与栅 源电压之间的关系称为MOS管的转移特性。
IDS
IDS
I DS
Vthn
VGS
增强型NMOS转移特性
Vthn
VGS
Vth0 Vthn VGS
耗尽型NMOS转移特性 转移特性的另一种表示方式
转移特性曲线
在实际应用中，生产厂商经常为设计者提供的参数中，
经常给出的是在零电流下的开启电压
Vth' 0
注意 Vth' 0 ，VtVh0th0为无衬偏时的开启电压，而 是在Vt与h' 0
VGS特性曲线中与VGS轴的交点电压，实际上为零电流
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
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
KN
VDS ID
2K N
1 VGS Vth
饱和区MOS管的跨导与导纳
工作在饱和区的MOS管可等效为一压控电流源，故可用跨导 gm来表示MOS管的电压转变电流的能力，跨导越大则表示
该MOS管越灵敏，在同样的过驱动电压（VGS－Vth）下能引
起更大的电流，根据定义，跨导为漏源电压一定时，漏极电
流随栅源电压的变化率，即：
1
W
2 n C ox L
，称为NMOS管的导电因子
ID的值取决于工艺参数：μnCox、器件尺寸W和L、VDS及VGS。
MOS管的电特性－输出特性（I/V特性）
截止区：VGS≤Vth，ID＝0； 线性区：VDS≤VGS－Vth，漏极电流即为萨氏方程。
深三极管区：VDS<<2（VGS－Vth）时称MOS管工作在，萨氏方程 可近似为：
KN IDS /(VGS Vth)2
MOS管的直流导通电阻
定义：MOS管的直流导通电阻是指漏源电压与漏源电
流之比。 饱和区：
Ron
VDS I DS
1 KN
VDS (VGS Vth ) 2
线性区：
Ron
VDS I DS
1 KN
1 2(VGS Vth ) VDS
深三极管区：
Ron