MOS晶体管基础
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MOS晶体管
一. MOS晶体管
本节课主要内容 MOS晶体管
❖ 器件结构 ❖ 电流电压特性 ❖ 电流方程 ❖ 沟道长、短沟道效应、衬底偏压效应
2
MOSFET
MOS晶体管
3
栅极(G)
源极(S) N沟MOS晶体管的基本结构
漏极(D) 源极
栅极（金属）
绝缘层（SiO2）
漏极
n+ MOS晶体管的动作
n+
半
导
体
p型硅基板
基
板
MOS晶体管实质上是一种使
电流时而流过，时而切断的开关4
栅极(G)
源极(S)
漏极(D)
VG=3.3V VS=0 VD=0
栅极电压为3.3V时，表面的 电位下降，形成了连接源漏 的通路。
3.3V
++++++++
5
栅极(G)
源极(S)
漏极(D)
VG=3.3V VS=0
VD=3.3V
饱和区外插VTH
在晶体管的漏源极加上接近电源 VDD的电压，画出VGS-IDS的关 系曲线，找出该曲线的最大斜率， 此斜率与X轴的交点定义为阈值 电压。
以漏电流为依据定义VTH
在晶体管的漏源极加上接近电源 VDD的电压，画出VGS-Log(IDS) 的关系曲线，从该曲线中找出电 流为1微安时所对应的VGS定义 为阈值电压。
MOS寄生元素
25
MOS晶体管的导通电阻
D
导通电阻：
Req
G
电流
IDS
S
29
MOS晶体管的导通电阻
30
更进一步，在漏极加上3.3V的 电压，漏极的电位下降，从源 极有电子流向漏极，形成电流。 （电流是由漏极流向源极）
3.3V
++++++++
电流
3.3V
6
栅极(G)
源极(S)
漏极(D)
VG=0V VS=0V VD=3.3V
漏极保持3.3V的电压，而将栅 极电压恢复到0V，这时表面的 电位提高，源漏间的通路被切 断。
如果源极是浮 动的，由于衬 底效应，阈值 电压就会增大。
MOS晶体管
16
微小MOS晶体管的静态特性(沟道长小于1mm) 长沟道MOS晶体管
短沟道MOS晶体管
与栅源电压 的平方成正比
1至1.4次方成正比
1至1.4次方成正比 平方成正比 17
微小MOS晶体管
载流子的饱和速度引起的 Early Satutation
◙ 散乱引起速度饱和 ◙ 沟道长小于1微米时，NMOS饱和 ◙ NMOS和PMOS的饱和速度基本相同 ◙ PMOS不显著
饱和早期开始
18
微小MOS晶体管
短沟道MOS晶体管电流解析式
19
微小MOS晶体管
微小MOS晶体管的静态特性(沟道长小于1mm)
NMOS ▪当VDSAT=1V,速度饱和
PMOS ▪电流是NMOS的一半 ▪没有速度饱和
5V
7
ID 非饱和区
饱和区
VDsat=VG-VTH
VD
ID
mnCoxW 2L
[2(VG-VTH)VD-VD2]
(0<VD<VG-VTH)
mnCoxW 2L
(VG-VTH) 2
(0< VG-VTH < VD)
8
源极
mnCoxW 2L
mn ：为Si中电子的迁移率 Cox : 为栅极单位电容量 W : 为沟道宽 L : 为沟道长
RS S
RD D
RG (40W) 源漏电阻
RD, RS (各1W)
CSB
B CDB
MOS寄生元素
21
22
MOSFET栅极电容
典型参数：COX=6fF/mm2, CO=0.3fF/mm2(0.25mm工艺；NMOS,PMOS共通）
MOS寄生元素
23
有关栅极电容的知识
➢阈值电压附近，栅极电容变动较大
源自文库
栅极 SiO2 漏极
Cox
Cox=eox/tOX
9
VTH
VTH
= VFB
+ 2fF
+1 COX
2KS
e 0
qN
(
A
2
f F
+VBS)
影响MOS晶体管特性的几个重要参数
• MOS晶体管的宽长比（W/L)
• MOS晶体管的开启电压VTH
栅极氧化膜的厚度tox
沟道的掺杂浓度（NA) 衬底偏压（VBS)
10
▪ 栅极电容从衬底向源漏极转变 ▪ 电容值减小到一半。 因此，电路中如果要利用栅极电容，设计时需应使 电路避开在阈值电压附近的工作。
➢晶体管饱和时
栅极电容的对象主要为源极 电容值减小到2/3程度
由上可知，在饱和区，栅漏电容主要由CGDO决定， 其值大约为栅极电容的20%左右。
MOS寄生元素
24
MOS晶体管的扩散电容
20
微小MOS晶体管
MOSFET的寄生效应
Gate
Cgs
Cg
Cgd
Cj
Cd Cj
SUB
G
CGS
RG CGD CGB
➢寄生电容不可忽视 ➢寄生电阻与管子的导通电阻 （数十KW）相比，通常可 以忽略不计 例如：
栅极电容
CGS, CGD, CGB (各为1.0fF) 漏源电容
CDB, CSB (各为0.5fF) 栅极电阻
PMOS的IDS-VDS特性（沟道长>1mm)
MOS晶体管
11
MOS管的电流解析方程（L〉1mm)
工艺参数
与（VGS-VTH) 的平方成正比
MOS晶体管
12
VG nMOS晶体管的I-V特性
源极(S)
栅极(G)
ID VD
漏极(D)
ID
增强型（E)
ID
耗尽型(D)
VTH
VTH
VG
VG
13
阈值电压的定义
MOS晶体管
14
MOS管短沟道效应
➢ IDS W/L, L要尽可能小
➢短沟道效应由器件的沟道 长决定
➢沟道变短时，漏极能带的 影响变大，电流更易流过 沟道，使得阈值电压降低
MOS晶体管
15
衬底偏压效应
★ 通常衬底偏压VBS=0, 即NMOS的衬底接地， PMOS衬底接电源。
★ 衬底偏压VSB<0时，阈值电压增大。
一. MOS晶体管
本节课主要内容 MOS晶体管
❖ 器件结构 ❖ 电流电压特性 ❖ 电流方程 ❖ 沟道长、短沟道效应、衬底偏压效应
2
MOSFET
MOS晶体管
3
栅极(G)
源极(S) N沟MOS晶体管的基本结构
漏极(D) 源极
栅极（金属）
绝缘层（SiO2）
漏极
n+ MOS晶体管的动作
n+
半
导
体
p型硅基板
基
板
MOS晶体管实质上是一种使
电流时而流过，时而切断的开关4
栅极(G)
源极(S)
漏极(D)
VG=3.3V VS=0 VD=0
栅极电压为3.3V时，表面的 电位下降，形成了连接源漏 的通路。
3.3V
++++++++
5
栅极(G)
源极(S)
漏极(D)
VG=3.3V VS=0
VD=3.3V
饱和区外插VTH
在晶体管的漏源极加上接近电源 VDD的电压，画出VGS-IDS的关 系曲线，找出该曲线的最大斜率， 此斜率与X轴的交点定义为阈值 电压。
以漏电流为依据定义VTH
在晶体管的漏源极加上接近电源 VDD的电压，画出VGS-Log(IDS) 的关系曲线，从该曲线中找出电 流为1微安时所对应的VGS定义 为阈值电压。
MOS寄生元素
25
MOS晶体管的导通电阻
D
导通电阻：
Req
G
电流
IDS
S
29
MOS晶体管的导通电阻
30
更进一步，在漏极加上3.3V的 电压，漏极的电位下降，从源 极有电子流向漏极，形成电流。 （电流是由漏极流向源极）
3.3V
++++++++
电流
3.3V
6
栅极(G)
源极(S)
漏极(D)
VG=0V VS=0V VD=3.3V
漏极保持3.3V的电压，而将栅 极电压恢复到0V，这时表面的 电位提高，源漏间的通路被切 断。
如果源极是浮 动的，由于衬 底效应，阈值 电压就会增大。
MOS晶体管
16
微小MOS晶体管的静态特性(沟道长小于1mm) 长沟道MOS晶体管
短沟道MOS晶体管
与栅源电压 的平方成正比
1至1.4次方成正比
1至1.4次方成正比 平方成正比 17
微小MOS晶体管
载流子的饱和速度引起的 Early Satutation
◙ 散乱引起速度饱和 ◙ 沟道长小于1微米时，NMOS饱和 ◙ NMOS和PMOS的饱和速度基本相同 ◙ PMOS不显著
饱和早期开始
18
微小MOS晶体管
短沟道MOS晶体管电流解析式
19
微小MOS晶体管
微小MOS晶体管的静态特性(沟道长小于1mm)
NMOS ▪当VDSAT=1V,速度饱和
PMOS ▪电流是NMOS的一半 ▪没有速度饱和
5V
7
ID 非饱和区
饱和区
VDsat=VG-VTH
VD
ID
mnCoxW 2L
[2(VG-VTH)VD-VD2]
(0<VD<VG-VTH)
mnCoxW 2L
(VG-VTH) 2
(0< VG-VTH < VD)
8
源极
mnCoxW 2L
mn ：为Si中电子的迁移率 Cox : 为栅极单位电容量 W : 为沟道宽 L : 为沟道长
RS S
RD D
RG (40W) 源漏电阻
RD, RS (各1W)
CSB
B CDB
MOS寄生元素
21
22
MOSFET栅极电容
典型参数：COX=6fF/mm2, CO=0.3fF/mm2(0.25mm工艺；NMOS,PMOS共通）
MOS寄生元素
23
有关栅极电容的知识
➢阈值电压附近，栅极电容变动较大
源自文库
栅极 SiO2 漏极
Cox
Cox=eox/tOX
9
VTH
VTH
= VFB
+ 2fF
+1 COX
2KS
e 0
qN
(
A
2
f F
+VBS)
影响MOS晶体管特性的几个重要参数
• MOS晶体管的宽长比（W/L)
• MOS晶体管的开启电压VTH
栅极氧化膜的厚度tox
沟道的掺杂浓度（NA) 衬底偏压（VBS)
10
▪ 栅极电容从衬底向源漏极转变 ▪ 电容值减小到一半。 因此，电路中如果要利用栅极电容，设计时需应使 电路避开在阈值电压附近的工作。
➢晶体管饱和时
栅极电容的对象主要为源极 电容值减小到2/3程度
由上可知，在饱和区，栅漏电容主要由CGDO决定， 其值大约为栅极电容的20%左右。
MOS寄生元素
24
MOS晶体管的扩散电容
20
微小MOS晶体管
MOSFET的寄生效应
Gate
Cgs
Cg
Cgd
Cj
Cd Cj
SUB
G
CGS
RG CGD CGB
➢寄生电容不可忽视 ➢寄生电阻与管子的导通电阻 （数十KW）相比，通常可 以忽略不计 例如：
栅极电容
CGS, CGD, CGB (各为1.0fF) 漏源电容
CDB, CSB (各为0.5fF) 栅极电阻
PMOS的IDS-VDS特性（沟道长>1mm)
MOS晶体管
11
MOS管的电流解析方程（L〉1mm)
工艺参数
与（VGS-VTH) 的平方成正比
MOS晶体管
12
VG nMOS晶体管的I-V特性
源极(S)
栅极(G)
ID VD
漏极(D)
ID
增强型（E)
ID
耗尽型(D)
VTH
VTH
VG
VG
13
阈值电压的定义
MOS晶体管
14
MOS管短沟道效应
➢ IDS W/L, L要尽可能小
➢短沟道效应由器件的沟道 长决定
➢沟道变短时，漏极能带的 影响变大，电流更易流过 沟道，使得阈值电压降低
MOS晶体管
15
衬底偏压效应
★ 通常衬底偏压VBS=0, 即NMOS的衬底接地， PMOS衬底接电源。
★ 衬底偏压VSB<0时，阈值电压增大。