第2章MOS器件物理基础
第2章MOS器件物理基础
❖ 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
半导体物理与器件(尼曼第四版)答案
半导体物理与器件(尼曼第四版)答案第一章：半导体材料与晶体1.1 半导体材料的基本特性半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料。
它的基本特性包括：1.带隙：半导体材料的价带与导带之间存在一个禁带或带隙，是电子在能量上所能占据的禁止区域。
2.拉伸系统：半导体材料的结构是由原子或分子构成的晶格结构，其中的原子或分子以确定的方式排列。
3.载流子：在半导体中，存在两种载流子，即自由电子和空穴。
自由电子是在导带上的，在外加电场存在的情况下能够自由移动的电子。
空穴是在价带上的，当一个价带上的电子从该位置离开时，会留下一个类似电子的空位，空穴可以看作电子离开后的痕迹。
4.掺杂：为了改变半导体材料的导电性能，通常会对其进行掺杂。
掺杂是将少量元素添加到半导体材料中，以改变载流子浓度和导电性质。
1.2 半导体材料的结构与晶体缺陷半导体材料的结构包括晶体结构和非晶态结构。
晶体结构是指材料具有有序的周期性排列的结构，而非晶态结构是指无序排列的结构。
晶体结构的特点包括：1.晶体结构的基本单位是晶胞，晶胞在三维空间中重复排列。
2.晶格常数是晶胞边长的倍数，用于描述晶格的大小。
3.晶体结构可分为离子晶体、共价晶体和金属晶体等不同类型。
晶体结构中可能存在各种晶体缺陷，包括：1.点缺陷：晶体中原子位置的缺陷，主要包括实际缺陷和自间隙缺陷两种类型。
2.线缺陷：晶体中存在的晶面上或晶内的线状缺陷，主要包括位错和脆性断裂两种类型。
3.面缺陷：晶体中存在的晶面上的缺陷，主要包括晶面位错和穿孔两种类型。
1.3 半导体制备与加工半导体制备与加工是指将半导体材料制备成具有特定电性能的器件的过程。
它包括晶体生长、掺杂、薄膜制备和微电子加工等步骤。
晶体生长是将半导体材料从溶液或气相中生长出来的过程。
常用的晶体生长方法包括液相外延法、分子束外延法和气相外延法等。
掺杂是为了改变半导体材料的导电性能，通常会对其进行掺杂。
常用的掺杂方法包括扩散法、离子注入和分子束外延法等。
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！
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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
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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)
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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
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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
半导体器件物理II必背公式 考点摘要
半二复习笔记1.1MOS结构1.费米势：禁带中心能级(EFi)与费米能级(EF)之差的电势表示2.表面势：半导体表面电势与体内电势之差，体内EFi和表面EFi之差的电势表示3.金半功函数差4.P沟道阈值电压注意faifn是个负值1.3 MOS原理1. MOSFET非饱和区IV公式2. 跨导定义：VDS一定时，漏电流ID随VGS变化率，反映了VGS 对ID 的控制能力3. 提高饱和区跨导途径4.衬底偏置电压VSB>0，其影响5. 背栅定义：衬底能起到栅极的作用。
VSB变化，使耗尽层宽度变化，耗尽层电荷变化；若VGS不变，则反型沟道电荷变化，漏电流变化1.4 频率特性1. MOSFET频率限制因素：①沟道载流子的沟道运输时间（通常不是主要的限制因素）②栅电容充放电需要时间2. 截止频率：器件电流增益为1时的频率高频等效模型如下：栅极总电容CG看题目所给条件。
若为理想，CgdT为0，CgsT约等于Cox，即CG=Cox；非理想情况即栅源、栅漏之间有交叠，产生寄生电容：①CgdT的L为交叠部分长度②CgsT的L为L+交叠部分长度（CgsT=Cgs+Cgsp）。
3. 提高截止频率途径1.5 CMOS1.开关特性2.闩锁效应过程2.1 非理想效应1. MOSFET亚阈特性①亚阈值电流：弱反型态：势垒较低→电子有一定几率越过势垒→形成亚阈值电流②关系式：③注：若VDS>4（kT/e），最后括号部分≈1，IDsub近似与VDS无关④亚阈值摆幅S：漏电流减小一个数量级所需的栅压变化量，S是量化MOS管能否随栅压快速关断的参数。
⑤快速关断：电流降低到Ioff所需VGS变化量小。
因此S越小越好⑥亚阈特性的影响：开关特性变差：VGS=0时不能理想关断；静态功耗增加⑦措施：提高关断/待机状态下器件的阈值电压VT（如通过衬底和源之间加反偏压，使VT增加）、减小亚阈值摆幅2. 沟长调制效应（VDS↑⇒ID↑）①机理理想长沟：L`≈L，导电沟道区的等效电阻近似不变，饱和区电流饱和；实际器件(短沟)：L` <L ，导电沟道区的等效电阻减小，ID增加,②夹断区长度③修正后的漏源电流④影响因素衬底掺杂浓度N 越小⇒ΔL的绝对值越大⇒沟道长度调制效应越显著；沟道长度L越小⇒ΔL的相对值越大⇒沟道长度调制效应越显著3. 迁移率变化①概念：MOSFET载流子的迁移率理想情况下：近似为常数；实际受沟道内电场的影响，迁移率非常数。
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
模拟集成电路设计教学大纲
模拟集成电路设计教学大纲目录一、课程开设目的和要求2二、教学中应注意的问题2三、课程内容及学时分配2第一章模拟电路设计绪论2第二章MOS器件物理基础2第三章单级放大器3第四章差动放大器3第五章无源与有源电流镜3第六章放大器的频率特性3第八章反馈3第九章运算放大器3高级专题3四、授课学时分配4五、实践环节安排4六、教材及参考书目5课程名称：模拟集成电路设计课程编号：055515英文名称：Analog IC design课程性质：独立设课课程属性：专业限选课应开学期：第5学期学时学分：课程总学时___48,其中实验学时一-一8。
课程总学分--3学生类别：本科生适用专业：电子科学与技术专业的学生。
先修课程：电路、模拟电子技术、半导体物理、固体物理、集成电路版图设计等课程。
一、教学目的和要求CMOS模拟集成电路设计课程是电子科学与技术专业（微电子方向）的主干课程，在教学过程中可以培养学生对在先修课程中所学到的有关知识和技能的综合运用能力和CMOS模拟集成电路分析、设计能力，掌握微电子技术人员所需的基本理论和技能，为学生进一步学习硕士有关专业课程和日后从事集成电路设计工作打下基础。
二、教学中应注意的问题1、教学过程中应强调基本概念的理解，着重注意引导和培养学生的电路分析能力和设计能力2、注重使用集成电路设计工具对电路进行分析仿真设计的训练。
3、重视学生的计算能力培养。
三、教学内容第一章模拟电路设计绪论本课程讨论模拟CMOS集成电路的分析与设计，既着重基本原理，也着重于学生需要掌握的现代工业中新的范例。
掌握研究模拟电路的重要性、研究模拟集成电路以及CMOS模拟集成电路的重要性，掌握电路设计的一般概念。
第二章MOS器件物理基础重点与难点：重点在于MOS的I/V特性以及二级效应。
难点在于小信号模型和SPICE模型。
掌握MOSFET的符号和结构，MOS的I/V特性以及二级效应，掌握MOS 器件的版图、电容、小信号模型和SPICE模型，会用这些模型分析MOS电路。
MOS器件物理(2)
饱和区MOS管的跨导与导纳
讨论2：
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
dI C 双极型三极管的跨导为： g m dV BE
VCE C
IC VT
，
与电流成正比，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。
MOS管的电特性－输出特性（I/V特性）
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：
W 1 2 I D n C ox (VGS Vth )V DS 2 V DS L 2 K N 2(VGS Vth )V DS V DS
漏极电流随栅源电压的变化率，即：
I D gm VGS 2 K N VGS Vth
VDS C
2I D 2 KN ID 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），也可以通过增大ID来实 现，但以增大宽长比为最有效。
I D 2 K 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： VDS 1 Ron ID 2 K N VGS Vth
微电子学概论复习(知识点总结)
第一章 绪论1.画出集成电路设计与制造的主要流程框架。
2.集成电路分类情况如何？答：3.微电子学的特点是什么？答：微电子学：电子学的一门分支学科微电子学以实现电路和系统的集成为目的，故实用性极强。
微电子学中的空间尺度通常是以微米(μm, 1μm ＝10－6m)和纳米(nm, 1nm = 10-9m)为单位的。
微电子学是信息领域的重要基础学科微电子学是一门综合性很强的边缘学科涉及了固体物理学、量子力学、热力学与统计物理学、材料科学、电子线路、信号处理、计算⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧按应用领域分类数字模拟混合电路非线性电路线性电路模拟电路时序逻辑电路组合逻辑电路数字电路按功能分类GSI ULSI VLSI LSI MSI SSI 按规模分类薄膜混合集成电路厚膜混合集成电路混合集成电路BiCMOS BiMOS 型BiMOS CMOS NMOS PMOS 型MOS 双极型单片集成电路按结构分类集成电路机辅助设计、测试与加工、图论、化学等多个学科微电子学是一门发展极为迅速的学科，高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微电子学发展的方向微电子学的渗透性极强，它可以是与其他学科结合而诞生出一系列新的交叉学科，例如微机电系统(MEMS)、生物芯片等第二章半导体物理和器件物理基础1.什么是半导体？特点、常用半导体材料答：什么是半导体？金属：电导率106～104(W∙cm-1)，不含禁带；半导体：电导率104~10-10(W∙cm-1)，含禁带；绝缘体：电导率<10-10(W∙cm-1)，禁带较宽；半导体的特点：（1）电导率随温度上升而指数上升；（2）杂质的种类和数量决定其电导率；（3）可以实现非均匀掺杂；（4）光辐照、高能电子注入、电场和磁场等影响其电导率；半导体有元素半导体，如：Si、Ge（锗）化合物半导体，如：GaAs（砷化镓）、InP （磷化铟）硅：地球上含量最丰富的元素之一，微电子产业用量最大、也是最重要的半导体材料。
CMOS模拟集成电路设计拉扎维课件
.endHIT Microelectronics
25
王永生
2009-1-16
MOS SPICE模型
例：采样spice进行TRAN分析
* TRAN analysis for AMP M1 2 1 0 0 MOSN w=5u l=1.0u M2 2 3 4 5 MOSP w=5u l=1.0u M3 3 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0u R1 3 0 100K *CL 2 0 5p
CMOS模拟集成电路设计
绪论、MOS器件物理基础
王永生 Harbin Institute of Technology Microelectronics Center
2009-1-16
提纲
2
提纲
1、绪论 2、MOS器件物理基础
HIT Microelectronics
王永生
2009-1-16
chapter11带隙基准
chapter6频率特性
chapter7噪声
chapter8反馈
chapter3单级放大器 simple Circuits
chapter4差动放大器
Devices
chapter2 MOS器件物理
chapter5电流源
HIT Microelectronics
chapter1绪论
2.2.1 阈值电压
（以N型FET为例）
耗尽（b）；反型开始（c）；反型（d）
HIT Microelectronics
王永生
2009-1-16
MOS器件物理基础
模拟CMOS
21()ds on ds n gs thV R I K V V ==-12()ds on ds n gs th V R I K V V ==-12()ds on dsn gs th dsVR I K V V V ==--第二章：MOS 器件物理1．概念：熟悉增强型NMOS 管的工作原理，画出NMOS 输出特性曲线并指出线性区和饱和区NMOS 漏电流随V GS 的变化曲线：当Vgs 小于Vth 时，NMOS 管截止；当Vgs 大于Vth 时，在NMOS管漏极和源极间形成反型层，即导电沟道。
这时在Vds 的正向电压的作用下，NMOS 管漏极和源极间有电流产生。
当Vds<Vgs-Vth 时, NMOS 管工作在线性区;当Vds ≧Vgs-Vth 时, NMOS 管工作在饱和区。
画出NMOS 截止区，线性区和饱和区的实际物理结构图：2．直流导通电阻：⑴ 线性区的直流导通电阻（Vgs>Vth, Vds<Vgs-Vth ）:⑵ 深线性区的直流导通电阻（Vgs>Vth, Vds<<2(Vgs-Vth ）:⑶ 饱和区的直流导通电阻 （Vgs>Vth, Vds ≧Vgs-Vth ）:3．衬底效应：由于V bs 不为0而引起阈值电压的变化的效应。
)|2||2|(0f BS f th th V V V Φ--Φ+=γ4．沟道调制效应：在MOS 管工作于饱和状态时，MOS 管的导电沟道会发生夹断，且夹断点的位置随栅漏间的电压差的增加而向源极移动，既有效沟道、长度实际上是Vds 的函数。
这一效应称为“沟道调制效应”。
21()(1)2n ox gs th ds W Id C V V V L μλ≈-+ ， 211()ds o ds n gs th d V r I K V V I λλ∂===∂- 5．亚阈值效应：当MOS 管的Vgs 略小于Vth 时，在实际中MOS 管已开始导通，仍会在MOS 管的导电沟道产生一个弱反型层，从而产生由漏极向源极的电流，该现象称为NMOS 管的亚阈值效应，且Id 与Vgs 呈指数关系。
MOS器件物理基础考点
例：求下列电路的低频小信号输出电阻(γ＝0)
VX = (IX - gmVgs )r0 = (I X - gmVX )r0
(1 + gmr0 )VX = I X r0
r0 VX 1 Rin = = IX (1 + g m r0 ) gm
例：求下列电路的低频小信号输出电阻(γ＝0)
Vgs = VX - I X RD VX = (I X - g mVgs )r0 + I X RD
对于图(c)
、 (b)
VX R D + r0 RD 1 = + IX (g + g ) 1 1+(g m + g mb )r0 (g m + g mb )r0 g m + g mb m mb r0
1
RD r0
MOS二极管连接负载的共源极
Rin=[1/(gm2+gmb2)]//r02
NMOS负载时，λ≠0，γ≠0
Gm RDVin Av Gm RD
负载电阻
g mRD RD Av 1 g mRS 1/gm R S
从源级看进去的阻抗 源级反馈电阻
Rin= 1/gm2
• 注意到 M2 连接为二极管， 故其小信号等效电阻 为 1/gm2。 • 于是，AV=-RD/(1/gm1+1/gm2)
Vgs = -VX
VX = (IX + gmVgs )r0 + IX RD (IX - gmVX )r0 + I X RD
r0 + RD VX 1 RD Rin = = IX 1 + g mr0 g m g mr0
小信号电阻总结（γ＝0）
对于图（A）： Rin 1 / gm 对于图（B）： Rin
第二章 MOS器件的物理基础
22
2.2 MOS的I/V特性
2.2.4 I/V特性总结：
VDS < VGS − VTH 线性区
红色部分：沟道在源 漏之间连续存在
VDS ≥ VGS − VTH 饱和区
灰色部分：沟道在某点被夹 断，用作恒流源
MOS的I/V特性曲线
CMOS模拟集成电路设计 第二章 MOS器件物理基础
VDS << 2(VGS − VTH ) 深线性区
VG
S
VD
n+ 0 P型衬底
x=L' L
n+
V ( x) = VGS − VTH
V DS ≥ VGS − VTH 时， 反型层在沟道中某点x处被夹断
CMOS模拟集成电路设计 第二章 MOS器件物理基础
Copyright 2011 Zhengran
21
2.2 MOS的I/V特性
当 VDS > VGS − VTH 时，则 VGD = VGS − VDS < VTH ，也就意味着沟道在 漏端不存在。 沟道在x点被夹断，将式（课本2.7）的积分区间换 VGS − VTH ]，得到： 为[0，
CMOS模拟集成电路设计
Design of Analog CMOS Integrated Circuits
Feb.2011 郑然 zhengran@
西北工业大学航空微电子中心 教育部嵌入式系统集成工程研究中心
第二章 MOS器件的物理基础
CMOS模拟集成电路设计 第二章 MOS器件物理基础
13
2.2 MOS的I/V特性
四个合理的假设： 一、电流的大小由沟道内移动的电荷决定。 二、沟道中某点垂直于沟道的电场决定了该点移动电荷的 数量。 三、载流子的运动速率与横向电场大小成正比 v = µE。 四、认为 VGS = VTH 时反型层开始形成。 注意：栅极电势和沟道中某点的电势之差决定了该点 垂直于沟道的电场
模拟cmos集成电路设计(拉扎维)第2章MOS器件物理基础
电流近似只 于W/L和VGS 有关， 不随 VDS变化
22
I/V特性—当VDS>VGS-VTH时
用作电流源或电流沉（current sink）
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
23
I/V特性—PMOS管
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/V-s
US Patent：5998777 V-I转换电路
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
33
沟道长度调制效应
L
L’
L' L L
1/ L' 1 (1 L / L) L
假设： L / L与VDS是线性关系
1/ L' 1 (1 VDS), VDS L / L 短沟道MOS管时该近似
10
MOS管的符号
？ 电流方向
四端器件
省掉B端
数字电路用
AIC设计中一般 应采用该符号？
在Cadence
analogLib库
中，当B、S端短接时
需明确体端连接
只需区别 开MOS管 类型即可
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
11
本讲
基本概念
简化模型－开关 结构 符号
I/V特性
阈值电压 I-V关系式 跨导
二级效应
体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性
器件模型
版图、电容、小信号模型等
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
12
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
MOS器件物理基础
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
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），
半导体器件物理-第二章1-3
外延工艺： 外延是一种薄膜生长工艺，外延生长是在单晶衬 底上沿晶体原来晶向向外延伸生长一层薄膜单晶层。 外延工艺可以在一种单晶材料上生长另一种单晶 材料薄膜。
外延工艺可以方便地形成不同导电类型，不同杂质浓度， 杂质分布陡峭的外延层。
外延技术：汽相外延、液相外延、分子束外延 （MBE）、热壁外延（HWE）、原子层外延技术。
a
np np0eV VT 和
pn pn0eV VT
➢ 在注入载流子的区域，假设电中性条件完全得到满足，则少数载流子由于 被中和，不带电，通过扩散运动在电中性区中输运。这称为扩散近似。于
是稳态载流子输运满足扩散方程
2.3 理想P-N结的直流电流-电压特性
突变结的杂质分布
N区有均匀施主杂质，浓度为ND， P区有均匀受主杂质，浓度为NA。 势垒区的正负空间电荷区的宽度分别为xn和-xp。 同样取x=0处为交界面，如下图所示，
明的外延工艺。 • 1970年斯皮勒（E.Spiller）和卡斯特兰尼(E.Castellani)
发明的光刻工艺。正是光刻工艺的出现才使硅器件制 造技术进入平面工艺技术时代，才有大规模集成电路 和微电子学飞速发展的今天。 • 上述工艺和真空镀膜技术，氧化技术加上测试，封装 工艺等构成了硅平面工艺的主体。
光刻工艺： 光刻工艺是为实现选择掺杂、形成金属电极和布线，表面钝化 等工艺而使用的一种工艺技术。 光刻工艺的基本原理是把一种称为光刻胶的高分子有机化合物 （由光敏化合物、树脂和有机溶剂组成）涂敷在半导体晶片表 面上。受特定波长光线的照射后，光刻胶的化学结构发生变化。 如果光刻胶受光照（曝光）的区域在显影时能够除去，称之为 正性胶；反之如果光刻胶受光照的区域在显影时被保留，未曝 光的胶被除去称之为负性胶；
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MOS器件物理基础
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饱和区MOS器件的I/V特性曲线
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PMOS
ID参考电流方向
截止区 三极管区（线性区）
饱和区
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4）跨导的定义 漏电流的变化量除以栅源电压的变化量，数学表达式为：
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阈值电压（VTH）定义 NMOS的VTH通常定义为界面的电子浓度等于P型衬 底的多子浓度时的栅压。
多晶硅栅和硅衬底的功函数之差
反型层与氧化硅层的表面势
(q是电子电荷，Nsub是衬底掺杂浓度，Qdep是耗尽区电荷) Cox是单位面积的栅氧化层电容
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εsi表示硅介电常数。
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“本征”阈值电压
通过以上公式求得的阈值电压，通常称为“本征(native)”阈值 电压，典型值为-0.1V. 在器件制造工艺中，通常通过向沟道区注入杂质来调整VTH 对于NMOS，通常调整到0.7V（依工艺不同而不同）
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MOS SPICE模型
在电路模拟（simulation）中，SPICE要求每个器件都有一 个精确的模型。 种类
1st 代：Level1，Level2，Level3； 2nd代：BSIM，HSPICE level＝28，BSIM2 3rd代：BSIM3，MOS model9，EKV(Enz-Krummenacher-Vittoz)
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耗尽区电荷随衬底电压的变化
其中，γ为体效应系数
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2.3.2 沟道长度调制效应
当沟道夹断后，当VDS增大时，沟道长度逐渐减小， 即有效沟道长度L‟是VDS的函数。
定义L‟=L-ΔL
（以n型为例）
2.1.1
栅（G: gate）、源（S: source）、漏（D: drain）、衬底（B: bulk、body) 衬底材料是单晶硅片，起支撑作用。
表面的晶体管源、栅、漏区域统称有源区，栅电极下的衬底表面区域称沟道区。
有源区以外的区域称为场区，场区表面是厚氧化层。 器件的源漏区是相互对称的，可互换。 模拟CMOS集成电路设计
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例：采样spice进行DC分析
* DC analysis for AMP M1 2 1 0 0 MOSN w=5u l=1.0u M2 2 3 4 5 MOSP w=5u l=1.0u M3 3 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0u R1 3 0 100K
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2.4.2 MOS器件电容
源/漏与衬底之间的结电容C5，C6，可以分解为两部分：
Cj：与结的底部相关的下极板电容 Cjsw：由于结周边引起的侧壁电容
E
W
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等效电容： 器件关断时，CGD=CGS=CovW，
CGB由氧化层电容和耗尽区电容串连得到
跨导表示电压的变化引起多大的电流的变化
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小结——I-V特性
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2.3 二级效应
2.3.1体效应
对于NMOS，当VB<VS时，随VB下降，在没反型前， 耗尽区的电荷Qd增加，造成VTH增加，也称为“背 栅效应”
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例：采样spice进行TRAN分析
* TRAN analysis for AMP M1 2 1 0 0 MOSN w=5u l=1.0u M2 2 3 4 5 MOSP w=5u l=1.0u M3 3 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0u R1 3 0 100K *CL 2 0 5p Vdd 4 0 DC 5.0 Vin 1 0 DC 1.07 sine(2v 2v 100KHz) .op .tran .1u 10u .plot tran V(2) V(1) .probe *model .MODEL MOSN NMOS VTO=0.7 KP=110U +LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7 .MODEL MOSP PMOS VTO=-0.7 KP=50U +LAMBDA=0.05 GAMMA=0.57 PHI=0.8 模拟CMOS集成电路设计 .end
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2.1.2 MOS符号
模拟电路设计中,建议采用图(a)的符号,明确的将源,漏和衬底表示出来
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2.2 MOS的I/V特性
2.2.1 阈值电压
（以N型FET为例）
耗尽（b）；反型开始（c）；反型（d）
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例：Hspice模拟MOS管的I/V特性
*Output Characteristics for NMOS M1 2 1 0 0 N50 w=5u l=1.0u VGS 1 0 1.0 VDS 2 0 5 .op .dc vds 0 5 .2 Vgs 1 3 0.5 .plot dc -I(vds) .probe *model *.lib „. /ms018_v1p4.lib‟ tt .MODEL MNMOS NMOS VTO=0.7 KP=110U +LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7 .end 模拟CMOS集成电路设计
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深线性区（VDS<<2(VGS-VTH)
源漏之间的通道可以用一个线性的电阻表示
电阻的阻值等于
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3）饱和区(VGS ≥ VTH， VDS≥VGS-VTH）
如果 L‟ 近似等于 L ，则 ID 与 VDS 无关。工作在饱和区的 MOS 管构 成一个连接源和漏的电流源。
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2.3.4 电压限制
栅氧击穿 过高的GS电压。 “穿通”效应 过高的DS电压，漏极周围的耗尽层变宽，会到达源 区周围，产生很大的漏电流。
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2.4
MOS器件模型
2.4.1 MOS器件的版图
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例：采样spice进行AC分析
* AC analysis for AMP M1 2 1 0 0 MOSN w=5u l=1.0u M2 2 3 4 5 MOSP w=5u l=1.0u M3 3 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0u R1 3 0 100K CL 2 0 5p Vdd 4 0 DC 5.0 Vin 1 0 DC 1.07 AC 1.0 .op .ac DEC 20 100 100MEG .plot ac VDB(2) VP(2) .probe *model .MODEL MOSN NMOS VTO=0.7 KP=110U +LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7 .MODEL MOSP PMOS VTO=-0.7 KP=50U +LAMBDA=0.05 GAMMA=0.57 PHI=0.8 模拟CMOS集成电路设计 .end
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2.4 MOS器件模型
2.4.2 MOS器件电容
栅和沟道之间的氧化层电容
衬底和沟道之间的耗尽层电容 多晶硅栅与源和漏交叠而产生的电容C3，C4，每单 位宽度交叠电容用Cov表示
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ΔL/L=λVDS λ为沟道长度调制系数，表示给定 的Vds增量所引起的沟道长度的相 对变化量 。
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2.3.3亚阈值导电性
当VGSVTH时和略小于VTH ，“弱”反型层依然存在， 与VGS呈现指数关系。当VDS大于200mV时，
这里ζ>1，VT＝kT/q
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2.4.1 MOS器件的版图
N-well Active Poly-Si P/N Select Contact
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2.4.1 MOS器件的版图