MOS场效应晶体管2000001
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2019/1/29
1
MOSFET的三个基本几何参数
poly-Si G D W S
Lmin、 Wmin和 tox 由工艺确定 Lmin： MOS工艺的特征尺寸(feature size) 决定MOSFET的速度和功耗等众多特性 L和W由设计者选定
diffusion L
tox
p+/n +
通常选取L= Lmin，由此，设计者只需选取W
Si
Si
从而得出束缚电荷层厚度
Xp
2 Si q NA
10
2019/1/29
MOS电容 —耗尽层电容
这时，在耗尽层中束缚电荷的总量为，
2 Si Q qNA X pWL qN AWL WL 2 Si qNA q NA
wk.baidu.com
它是耗尽层两侧电位差的函数，因此，耗尽层 电容为，
式中Vge是栅极有效控制电压。
2019/1/29
3
电荷在沟道中的渡越时间
非饱和时，在漏源电压Vds作用下，这些电荷Q将 在时间内通过沟道，因此有
MOS的伏安特性
L L2 Eds Vds L
为载流子速度，Eds= Vds/L为漏到源方向电场强度， Vds为漏到源电压。 为载流子迁移率：
tox
Vds
VgeVds = '. 栅极-沟道间 0 L
2
ox W
tox tox
氧化层介电常数,
1 (Vgs VT Vds )Vds L 2 1 2 Vgs VT Vds Vds L 2
' = 4.5, 0 = 0.88541851.10-11 C.V-1.m-1
耗尽区中没有可以自由活动的载流子，只有空穴被赶走 后剩下的固定的负电荷。这些束缚电荷是分布在厚度 为Xp 的整个耗尽区内，而栅极上的正电荷则集中在栅 极表面。这说明了 MOS电容器可以看成两个电容器的 串联。 以SiO2为介质的电容器——Cox 以耗尽层为介质的电容器——CSi 1 总电容C为:
1 1 C C C Si ox
2019/1/29
比原来的Cox要小些。
9
MOS电容—束缚电荷层厚度
耗尽层电容的计算方法同PN结的耗尽层电容的计算方 法相同: 1 1 2 利用泊松公式 qNA Si Si 式中NA是P型衬底中的 掺杂浓度，将上式积分 1 qN A 2 ' qN A dxdx Xp 得耗尽区上的电位差 ：
Vge是栅级对衬底的有效控制电压 其值为栅级到衬底表面的电压减VT
ox W
1 with Vge Vgs VT Vds 2
2019/1/29
5
MOS的伏安特性—漏极饱和电流
当Vgs-VT=Vds时，满足:
dIds 0 dVds
2 tox L
Ids达到最大值Idsmax， 1 ox W 2 I V V 其值为 dsmax gs T 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 感应电荷为 0 ，沟道夹断，电流不会再增大，因而， 这个 Idsmax 就是饱和电流。
5.1 MOS场效应管
5.1.1 MOS管伏安特性的推导
两个PN结： 图 5.1 1）N型漏极与P型衬底； 2）N型源极与P型衬底。 同双极型晶体管中的PN 结 一样， 在结周围由于载流 子的扩散、漂移达到动态平 衡，而产生了耗尽层。 一个电容器结构： 栅极与栅极下面的区域形成一个电容器，是 MOS 管的核 心。
2019/1/29
6
MOSFET特性曲线
在非饱和区 I ds Vds C a1Vgs b1 线性工作区
在饱和区
Ids 线性区
I ds a2 Vgs VT
2
(Ids 与 Vds无关) . MOSFET是平方律器件!
饱和区 击穿区
0
2019/1/29
Vds
7
5.1.2 MOSFET电容的组成
MOS电容是一个相当复杂的电容，有多层介质： 首先，在栅极电极下面有一层SiO2介质。SiO2下面是P型 衬底，衬底是比较厚的。最后，是一个衬底电极，它同 衬底之间必须是欧姆接触。 MOS电容还与外加电压有关。 1 ）当 Vgs<0 时，栅极上的负电荷吸引了 P 型衬底中的多 数载流子—空穴，使它们聚集在Si表面上。这些正电 荷在数量上与栅极上的负电荷相等，于是在Si表面和 栅极之间，形成了平板电容器，其容量为， oxWL oxWL
W影响MOSFET的速度，决定电路驱动能力和功耗 2019/1/29
2
p+/n +
栅长: L 栅宽: W 氧化层厚度: tox
n(p)
MOSFET的伏安特性:电容结构
当栅极不加电压或加负电压时，栅极下面的区域保持P 型导电类型，漏和源之间等效于一对背靠背的二极管， 当漏源电极之间加上电压时，除了PN结的漏电流之外， 不会有更多电流形成。 当栅极上的正电压不断升高时，P型区内的空穴被不断 地排斥到衬底方向。当栅极上的电压超过阈值电压 VT， 在栅极下的P型区域内就形成电子分布，建立起反型层， 即N型层，把同为N型的源、漏扩散区连成一体，形成 从漏极到源极的导电沟道。这时，栅极电压所感应的 电荷Q为， Q=CVge
µ n = 650 cm2/(V.s) 电子迁移率(nMOS) µ p = 240 cm2/(V.s) 空穴迁移率(pMOS)
2019/1/29
4
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 L
2
oxWL
Cox tox tox
通常， ox=3.98.85410-4 F/cm2；A 是面积，单位 是cm2；tox是厚度，单位是cm。
2019/1/29
8
MOS电容—SiO2和耗尽层介质电容
2）当Vgs>0时，栅极上的正电荷排斥了Si中的空穴， 在栅极下面的Si表面上，形成了一个耗尽区。
1
MOSFET的三个基本几何参数
poly-Si G D W S
Lmin、 Wmin和 tox 由工艺确定 Lmin： MOS工艺的特征尺寸(feature size) 决定MOSFET的速度和功耗等众多特性 L和W由设计者选定
diffusion L
tox
p+/n +
通常选取L= Lmin，由此，设计者只需选取W
Si
Si
从而得出束缚电荷层厚度
Xp
2 Si q NA
10
2019/1/29
MOS电容 —耗尽层电容
这时，在耗尽层中束缚电荷的总量为，
2 Si Q qNA X pWL qN AWL WL 2 Si qNA q NA
wk.baidu.com
它是耗尽层两侧电位差的函数，因此，耗尽层 电容为，
式中Vge是栅极有效控制电压。
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电荷在沟道中的渡越时间
非饱和时，在漏源电压Vds作用下，这些电荷Q将 在时间内通过沟道，因此有
MOS的伏安特性
L L2 Eds Vds L
为载流子速度，Eds= Vds/L为漏到源方向电场强度， Vds为漏到源电压。 为载流子迁移率：
tox
Vds
VgeVds = '. 栅极-沟道间 0 L
2
ox W
tox tox
氧化层介电常数,
1 (Vgs VT Vds )Vds L 2 1 2 Vgs VT Vds Vds L 2
' = 4.5, 0 = 0.88541851.10-11 C.V-1.m-1
耗尽区中没有可以自由活动的载流子，只有空穴被赶走 后剩下的固定的负电荷。这些束缚电荷是分布在厚度 为Xp 的整个耗尽区内，而栅极上的正电荷则集中在栅 极表面。这说明了 MOS电容器可以看成两个电容器的 串联。 以SiO2为介质的电容器——Cox 以耗尽层为介质的电容器——CSi 1 总电容C为:
1 1 C C C Si ox
2019/1/29
比原来的Cox要小些。
9
MOS电容—束缚电荷层厚度
耗尽层电容的计算方法同PN结的耗尽层电容的计算方 法相同: 1 1 2 利用泊松公式 qNA Si Si 式中NA是P型衬底中的 掺杂浓度，将上式积分 1 qN A 2 ' qN A dxdx Xp 得耗尽区上的电位差 ：
Vge是栅级对衬底的有效控制电压 其值为栅级到衬底表面的电压减VT
ox W
1 with Vge Vgs VT Vds 2
2019/1/29
5
MOS的伏安特性—漏极饱和电流
当Vgs-VT=Vds时，满足:
dIds 0 dVds
2 tox L
Ids达到最大值Idsmax， 1 ox W 2 I V V 其值为 dsmax gs T 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 感应电荷为 0 ，沟道夹断，电流不会再增大，因而， 这个 Idsmax 就是饱和电流。
5.1 MOS场效应管
5.1.1 MOS管伏安特性的推导
两个PN结： 图 5.1 1）N型漏极与P型衬底； 2）N型源极与P型衬底。 同双极型晶体管中的PN 结 一样， 在结周围由于载流 子的扩散、漂移达到动态平 衡，而产生了耗尽层。 一个电容器结构： 栅极与栅极下面的区域形成一个电容器，是 MOS 管的核 心。
2019/1/29
6
MOSFET特性曲线
在非饱和区 I ds Vds C a1Vgs b1 线性工作区
在饱和区
Ids 线性区
I ds a2 Vgs VT
2
(Ids 与 Vds无关) . MOSFET是平方律器件!
饱和区 击穿区
0
2019/1/29
Vds
7
5.1.2 MOSFET电容的组成
MOS电容是一个相当复杂的电容，有多层介质： 首先，在栅极电极下面有一层SiO2介质。SiO2下面是P型 衬底，衬底是比较厚的。最后，是一个衬底电极，它同 衬底之间必须是欧姆接触。 MOS电容还与外加电压有关。 1 ）当 Vgs<0 时，栅极上的负电荷吸引了 P 型衬底中的多 数载流子—空穴，使它们聚集在Si表面上。这些正电 荷在数量上与栅极上的负电荷相等，于是在Si表面和 栅极之间，形成了平板电容器，其容量为， oxWL oxWL
W影响MOSFET的速度，决定电路驱动能力和功耗 2019/1/29
2
p+/n +
栅长: L 栅宽: W 氧化层厚度: tox
n(p)
MOSFET的伏安特性:电容结构
当栅极不加电压或加负电压时，栅极下面的区域保持P 型导电类型，漏和源之间等效于一对背靠背的二极管， 当漏源电极之间加上电压时，除了PN结的漏电流之外， 不会有更多电流形成。 当栅极上的正电压不断升高时，P型区内的空穴被不断 地排斥到衬底方向。当栅极上的电压超过阈值电压 VT， 在栅极下的P型区域内就形成电子分布，建立起反型层， 即N型层，把同为N型的源、漏扩散区连成一体，形成 从漏极到源极的导电沟道。这时，栅极电压所感应的 电荷Q为， Q=CVge
µ n = 650 cm2/(V.s) 电子迁移率(nMOS) µ p = 240 cm2/(V.s) 空穴迁移率(pMOS)
2019/1/29
4
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 L
2
oxWL
Cox tox tox
通常， ox=3.98.85410-4 F/cm2；A 是面积，单位 是cm2；tox是厚度，单位是cm。
2019/1/29
8
MOS电容—SiO2和耗尽层介质电容
2）当Vgs>0时，栅极上的正电荷排斥了Si中的空穴， 在栅极下面的Si表面上，形成了一个耗尽区。