MOS器件物理基础
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利用栅源电压的大小控制半导体表面的感生电荷的多 少，从而改变沟道电阻，控制漏极电流的大小。
MOSFET 绝缘栅型
增强型(常闭型) 耗尽型(常开型)
N沟道 P沟道 N沟道 P沟道
2020/9/27
3
1. 结构
N沟道增强型MOSFET
2020/9/27
4
2. 工作原理 (1) uDS0时uGS对导电沟道的影响.
●在栅极加上正电压后，如 图(b)所示，P-sub靠近G的空 穴就被排斥，留下了不可动 的负离子。这时没有导电沟 道的形成，因为没有可移动 的载流子，G和衬底间仅形成 了氧化层电容和耗尽层电容 的串连,如图(c)所示。
2020/9/27
(b) VGS>0
(c)
19
●（d）当VG继续增加，界面电 势达到一定值时，就有电子从源
极流向界面并最终到达漏极，导
电沟道形成，晶体管打开。如图
（d）所示。这时，这个电压值
就是“阈值电压”－VTH .
VTHms2F
Qdep Cox
(2.1)
m sF(su)bF(ga)te
F KqTlnNsubni
(d)
功函数差
费米势,MOS强反型时的 表面势为费米势的2倍
Qdep 4qsiFNsub
令
iD uGS
g U DS
m
iD u DS
1 U GS
rds
1 Id gmUgsrdsUds
2020/9/27
8
gm与rds的求法
gmuiG DSUDSU 2G ID S (th O ) UuGGS (tSh) 1UDSUG2S (th) IDO iD 小 信 号 作iD用 ID时 Q . ，gmUG2S (th) IDO IDQ
2020/9/27
16
3. MOS FET 的四种电路符号
NMOS D
PMOS S
G
BG
B
S
D
Biblioteka Baidu(d)
2020/9/27
17
2.2 MOS的I/V特性
2.2.1.阈值电压
先看MOS器件的工作原理:以NMOS为例来分析阈值电压 产生的原理.
(a) VGS=0
2020/9/27
18
● 在 (a) 图 中 ， G 极 没 有 加 入 电压时，G极和sub表面之间， 由于Cox的存在，构成了一个 平板电容，Cox为单位面积的 栅氧电容;
(2.3)
式中Cox为栅极单位面积电容，WCox为单位长度栅电容.
2020/9/27
23
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 电位为V(x), 如上图所示
则有: Q d (x ) W o( V x G C S V T H V (x )) (2.4)
I Qd *v
(2.2)
量 C 纲 m *m sA
2020/9/27
22
● NMOS 沟道的平板电容近似与沟道电荷分布
若将MOS结构等效为一个由poly-Si和反型沟道构成的平板电 容。对均匀沟道，当VD=VS=0时，宽度为W的沟道中，单位 长度上感应的可移动电荷量为
Q dWo(x C V G SV T)H
Chapter 2 MOS器件物理基础
本章内容
MOSFET 的I-V 特性 MOSFET 的二级效应 MOSFET 的结构电容 MOSFET 的小信号模型
2020/9/27
2
绝缘栅型场效应管
Insulated Gate Field Effect Transistor MOS管：Metal Oxide Semiconductor
2020/9/27
9
gm与rds的求法
2020/9/27
10
二、基本共源放大电路的动态分析
Au U Uoi
IdRd Ugs
gmUgsRd Ugs
gmRd
Ri
Ro Rd
2020/9/27
11
2.1 MOSFET的基本概念
2.1.1 MOSFET开关
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？
(2) uGSUG(Sth)时 uDS 对 i D 的影响.
① uDS uGS UG(S th ) ② uDS uGS UG(S th ) ③ uDS uGS UG(S th )
uDS i D 线性增大
沟道从s-d逐渐变窄
u DS uGDUGS(th) u DS 夹断区延长
沟道预夹断
i D 几乎不变 恒流区
2020/9/27
6
3. 特性曲线与电流方程
2
iD IDOUuGGS(Sth) 1 ， 其 ID是 O u 中 G S2 U ， G(tS ) h 时 iD 。 的
2020/9/27
7
FET放大电路的动态分析
一、FET的低频小信号等效模型
iDfu G,S u DS dDi u iG DS U Dd S G u S u iD DS U Gd S D uS
W: gate width
Ldrawn (L): gate length(layout gate length) Leff: effective gate length LD:S/D side diffusion length W/L: aspect ratio
S,D,G,B: source,drain,gate,body(bulk)
① uGS 0 漏源为背对的PN结 无导电沟道 即使 uDS0,iD0
② uDS0,uGS0
栅极聚集正电荷 排斥衬底空穴
剩下负离子区 耗尽层
③ uDS0,uGS
耗尽层加厚 uGS 增加 吸引自由电子 反型层
++++++
++++++++++++
2020/9/27
开启电压 U GS (th )：沟道形成的栅－源电压。 5
2020/9/27
耗尽区电荷
20
PMOS器件的导通:与NFETS类似,极性相反.
VTHms2F
Qdep Cox
F KqTlnNsubni
Qde p4qsiFNsub
2020/9/27
21
2.2.2 I/V特性推导
我们用一个电流棒来辅助理解电流的概念. v I
当沿电流方向的电荷密度为Qd (C/m)的电荷以速度v沿电流 方向移动时,产生的电流为
2020/9/27
12
2.1.2 MOSFET的结构
1. MOSFET的三种结构简图
图2.1 NMOS FET结构简图
2020/9/27
13
图2.2 PMOS FET结构简图
2020/9/27
14
图2.3 CMOS FET的结构简图
2020/9/27
15
2. MOS FET结构尺寸的通用概念
MOSFET 绝缘栅型
增强型(常闭型) 耗尽型(常开型)
N沟道 P沟道 N沟道 P沟道
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3
1. 结构
N沟道增强型MOSFET
2020/9/27
4
2. 工作原理 (1) uDS0时uGS对导电沟道的影响.
●在栅极加上正电压后，如 图(b)所示，P-sub靠近G的空 穴就被排斥，留下了不可动 的负离子。这时没有导电沟 道的形成，因为没有可移动 的载流子，G和衬底间仅形成 了氧化层电容和耗尽层电容 的串连,如图(c)所示。
2020/9/27
(b) VGS>0
(c)
19
●（d）当VG继续增加，界面电 势达到一定值时，就有电子从源
极流向界面并最终到达漏极，导
电沟道形成，晶体管打开。如图
（d）所示。这时，这个电压值
就是“阈值电压”－VTH .
VTHms2F
Qdep Cox
(2.1)
m sF(su)bF(ga)te
F KqTlnNsubni
(d)
功函数差
费米势,MOS强反型时的 表面势为费米势的2倍
Qdep 4qsiFNsub
令
iD uGS
g U DS
m
iD u DS
1 U GS
rds
1 Id gmUgsrdsUds
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gm与rds的求法
gmuiG DSUDSU 2G ID S (th O ) UuGGS (tSh) 1UDSUG2S (th) IDO iD 小 信 号 作iD用 ID时 Q . ，gmUG2S (th) IDO IDQ
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3. MOS FET 的四种电路符号
NMOS D
PMOS S
G
BG
B
S
D
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2.2 MOS的I/V特性
2.2.1.阈值电压
先看MOS器件的工作原理:以NMOS为例来分析阈值电压 产生的原理.
(a) VGS=0
2020/9/27
18
● 在 (a) 图 中 ， G 极 没 有 加 入 电压时，G极和sub表面之间， 由于Cox的存在，构成了一个 平板电容，Cox为单位面积的 栅氧电容;
(2.3)
式中Cox为栅极单位面积电容，WCox为单位长度栅电容.
2020/9/27
23
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 电位为V(x), 如上图所示
则有: Q d (x ) W o( V x G C S V T H V (x )) (2.4)
I Qd *v
(2.2)
量 C 纲 m *m sA
2020/9/27
22
● NMOS 沟道的平板电容近似与沟道电荷分布
若将MOS结构等效为一个由poly-Si和反型沟道构成的平板电 容。对均匀沟道，当VD=VS=0时，宽度为W的沟道中，单位 长度上感应的可移动电荷量为
Q dWo(x C V G SV T)H
Chapter 2 MOS器件物理基础
本章内容
MOSFET 的I-V 特性 MOSFET 的二级效应 MOSFET 的结构电容 MOSFET 的小信号模型
2020/9/27
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绝缘栅型场效应管
Insulated Gate Field Effect Transistor MOS管：Metal Oxide Semiconductor
2020/9/27
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gm与rds的求法
2020/9/27
10
二、基本共源放大电路的动态分析
Au U Uoi
IdRd Ugs
gmUgsRd Ugs
gmRd
Ri
Ro Rd
2020/9/27
11
2.1 MOSFET的基本概念
2.1.1 MOSFET开关
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？
(2) uGSUG(Sth)时 uDS 对 i D 的影响.
① uDS uGS UG(S th ) ② uDS uGS UG(S th ) ③ uDS uGS UG(S th )
uDS i D 线性增大
沟道从s-d逐渐变窄
u DS uGDUGS(th) u DS 夹断区延长
沟道预夹断
i D 几乎不变 恒流区
2020/9/27
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3. 特性曲线与电流方程
2
iD IDOUuGGS(Sth) 1 ， 其 ID是 O u 中 G S2 U ， G(tS ) h 时 iD 。 的
2020/9/27
7
FET放大电路的动态分析
一、FET的低频小信号等效模型
iDfu G,S u DS dDi u iG DS U Dd S G u S u iD DS U Gd S D uS
W: gate width
Ldrawn (L): gate length(layout gate length) Leff: effective gate length LD:S/D side diffusion length W/L: aspect ratio
S,D,G,B: source,drain,gate,body(bulk)
① uGS 0 漏源为背对的PN结 无导电沟道 即使 uDS0,iD0
② uDS0,uGS0
栅极聚集正电荷 排斥衬底空穴
剩下负离子区 耗尽层
③ uDS0,uGS
耗尽层加厚 uGS 增加 吸引自由电子 反型层
++++++
++++++++++++
2020/9/27
开启电压 U GS (th )：沟道形成的栅－源电压。 5
2020/9/27
耗尽区电荷
20
PMOS器件的导通:与NFETS类似,极性相反.
VTHms2F
Qdep Cox
F KqTlnNsubni
Qde p4qsiFNsub
2020/9/27
21
2.2.2 I/V特性推导
我们用一个电流棒来辅助理解电流的概念. v I
当沿电流方向的电荷密度为Qd (C/m)的电荷以速度v沿电流 方向移动时,产生的电流为
2020/9/27
12
2.1.2 MOSFET的结构
1. MOSFET的三种结构简图
图2.1 NMOS FET结构简图
2020/9/27
13
图2.2 PMOS FET结构简图
2020/9/27
14
图2.3 CMOS FET的结构简图
2020/9/27
15
2. MOS FET结构尺寸的通用概念