MOS场效应管的特性ppt课件
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4
MOS管结构
5
MOS管－符号和标志
D
D
G
G
S
S
NMOS EnhDancement
NMOS
Depletion
D
G
G
B
S
S
PMOS Enhancement
NMOS with
Bulk Contact
6
MOS管工作状态
+
S
VGS
G
D
-
n+
n+
n-channel p-substrate B
Depletion Region
所有的FET的1/f噪声都高出相应的BJT的1/f 噪声约10倍。
31
5.4 MOSFET尺寸按比例缩小
为了提高器件集成度和性能，MOS管的尺寸迅速减小 为了在缩小器件尺寸的同时，同时保持大尺寸器件的电流
VGS
G
VDS > VGS - VT
S
D
n+
- VGS - VT +
n+
10
MOS管的IV特性曲线
ID (A)
-4
x 10 6 5
VGS= 2.5 V
4
Resistive SaVtGuSr=at2i.0onV
3
VDS = VGS - VT
2
VGS= 1.5 V
1
VGS= 1.0 V
0
0
0.5
1
1.5
3.1 噪声 3.2 温度 3.3 体效应
§4. MOSFET尺寸按比例缩小 §5. MOSFET的二阶效应
3
5.1 MOSFET的结构和工作原理
集成电路中，有源元件有BJT、HBT、 PMOS、NMOS、MESFET和HEMT
鉴于当前大多数集成电路采用CMOS工 艺制造，掌握NMOS和PMOS两种元件 特性对设计集成电路具有重要意义
16
C ( 1 1 )1 Cox CSi
Cox
ox A tox
oxWL tox
17
Vgs增加达到VT值
C ( 1 1 )1达到最小值 Cox CSi 18
Vgs继续增加
C Cox 19
MOS管电容变化曲线
20
MOS电容计算
21
VGS<VT
沟道未建立，MOS管源漏沟道不通 Cg＝Cgs＋Cox Cd＝Cdb
关系，因而增加MOS的栅宽和电流
可以减小器件的热噪声
29
闪烁噪声
闪烁噪声由沟道处二氧化硅与硅界 面上电子的充放电引起的
其等效电压值表示为 V12/ f
K2tox
WL
1 f
f
增加栅长和宽，可以降低闪烁噪声
30
两点说明
有源器件的噪声特性对于小信号放大器、 振荡器等模拟电路至关重要
7
MOS管特性推导
栅极电压所感应的电荷Q为 Q CVge
这些电荷在源漏电压VDS作用下，在t时 间内通过长度为L的沟道，即
L L L2 v Eds Vds
通过MOS管源漏间的电流为
8
MOS管特性推导
I DS
Q
CVge L2
Vds
oxWL
tox
L2 VgeVds
22
VGS>VT
MOS电容是变化的 MOS电容对Cg和Cd都有贡献，贡献大小取决于
MOS管的工作状态
非饱和状态 Cg＝Cgs＋2C/3 Cd＝Cdb＋C/3 饱和状态 Cg＝Cgs＋2C/3 Cd＝Cdb
23
5.3 MOSFET的其它特性
体效应 温度特性 噪声
24
体效应
MOS场效应管的特性
1
上次课：第4章 集成电路器件工艺
§1.引言 §2.双极型集成电路的基本制造工艺 §3.MESFET工艺与HEMT工艺 §4.CMOS集成电路的基本制造工艺 §5.BiCMOS集成电路的基本制造工艺
2
第五章 MOS场效应管的特性
§1. MOSFET的结构和工作原理 §2. MOSFET的寄生电容 §3. MOSFET的其它特性
ox
tox
W L
(Vgs
VT
1 2
Vds
)Vds
ox
tox
W L
(Vgs
VT
)Vds
1 2
Vds
2
当Vgs－VT＝Vds时，近漏端的栅极有效控制电压Vge
＝ Vgs－VT－Vds＝0，感应电荷为0，沟道夹断，电流
不会增加，此时Ids为饱和电流。
9
MOS管饱和时
2
2.5
VDS (V)
11
阈值电压VT
阈值电压是MOS器件的一个重要参数 阈值电压VT是将栅极下面的Si表面反型所必
要的电压，这个电压与衬底浓度有关 按MOS沟道随栅压变化形成或消失的机理，
存在两种类型的MOS器件
耗尽型：沟道在VGS＝0时已经存在，VT≦0 增加型：沟道在VGS＝0时截止，当VGS“正”到一
定程度时才导通。 VT>0
12
阈值电压VT表达式
经过深入研究，影响VT的因素主要有四个： 材料的功函数之差
SiO2层中可移动的正离子的影响 氧化层中固定电荷的影响
界面势阱的影响
VT
2bp
q
Qd Cox
Biblioteka Baidu
ms
q
Qm m
Cox
QF Cox
Qit (Us ) Cox
13
阈值电压VT
在工艺确定之后，阈值电压VT主要决定 于衬底的掺杂浓度： P型衬底制造NMOS，杂质浓度越大，需要 赶走更多的空穴，才能形成反型层， VT值 增大，因而需要精确控制掺杂浓度 如果栅氧化层厚度越薄，Cox越大，电荷的 影响就会降低。故现在的工艺尺寸和栅氧 化层厚度越来越小
14
5.2 MOSFET的电容
MOS电容结构复杂，最上面是栅极电极， 中间是SiO2和P型衬底，最下面是衬底电极 （欧姆接触）
MOS电容大小与外加电压有关
Vgs<0 Vgs>0 Vgs增加达到VT值 Vgs继续增大
15
Vgs<0
Cox
ox A tox
oxWL tox
阈值电压VT的绝对值随温度变化的基本特 征： T升高 VT减小
VT变化与衬底杂质浓度和氧化层厚度有关
27
噪声
噪声来源于两个部分：
热噪声 闪烁噪声
28
热噪声
热噪声由沟道内载流子的无规则热
运动造成
其等效电压值表示为 Ve2g
2 T
3gm
f
由于gm与MOS的栅宽和电流成正比
很多情况下，源极和衬底都接地 实际上，许多场合源极和衬底并不连接在
一起 源极不接地会影响
VT值，这称为体效应
25
体效应
某一CMOS工艺条件下阈值电压随源极-衬底电压变化曲线
26
温度
MOS的温度特性来源于沟道中载流子的迁 移率μ和阈值电压VT随温度的变化
载流子的迁移率μ随温度的变化的基本特征： T上升 μ下降
MOS管结构
5
MOS管－符号和标志
D
D
G
G
S
S
NMOS EnhDancement
NMOS
Depletion
D
G
G
B
S
S
PMOS Enhancement
NMOS with
Bulk Contact
6
MOS管工作状态
+
S
VGS
G
D
-
n+
n+
n-channel p-substrate B
Depletion Region
所有的FET的1/f噪声都高出相应的BJT的1/f 噪声约10倍。
31
5.4 MOSFET尺寸按比例缩小
为了提高器件集成度和性能，MOS管的尺寸迅速减小 为了在缩小器件尺寸的同时，同时保持大尺寸器件的电流
VGS
G
VDS > VGS - VT
S
D
n+
- VGS - VT +
n+
10
MOS管的IV特性曲线
ID (A)
-4
x 10 6 5
VGS= 2.5 V
4
Resistive SaVtGuSr=at2i.0onV
3
VDS = VGS - VT
2
VGS= 1.5 V
1
VGS= 1.0 V
0
0
0.5
1
1.5
3.1 噪声 3.2 温度 3.3 体效应
§4. MOSFET尺寸按比例缩小 §5. MOSFET的二阶效应
3
5.1 MOSFET的结构和工作原理
集成电路中，有源元件有BJT、HBT、 PMOS、NMOS、MESFET和HEMT
鉴于当前大多数集成电路采用CMOS工 艺制造，掌握NMOS和PMOS两种元件 特性对设计集成电路具有重要意义
16
C ( 1 1 )1 Cox CSi
Cox
ox A tox
oxWL tox
17
Vgs增加达到VT值
C ( 1 1 )1达到最小值 Cox CSi 18
Vgs继续增加
C Cox 19
MOS管电容变化曲线
20
MOS电容计算
21
VGS<VT
沟道未建立，MOS管源漏沟道不通 Cg＝Cgs＋Cox Cd＝Cdb
关系，因而增加MOS的栅宽和电流
可以减小器件的热噪声
29
闪烁噪声
闪烁噪声由沟道处二氧化硅与硅界 面上电子的充放电引起的
其等效电压值表示为 V12/ f
K2tox
WL
1 f
f
增加栅长和宽，可以降低闪烁噪声
30
两点说明
有源器件的噪声特性对于小信号放大器、 振荡器等模拟电路至关重要
7
MOS管特性推导
栅极电压所感应的电荷Q为 Q CVge
这些电荷在源漏电压VDS作用下，在t时 间内通过长度为L的沟道，即
L L L2 v Eds Vds
通过MOS管源漏间的电流为
8
MOS管特性推导
I DS
Q
CVge L2
Vds
oxWL
tox
L2 VgeVds
22
VGS>VT
MOS电容是变化的 MOS电容对Cg和Cd都有贡献，贡献大小取决于
MOS管的工作状态
非饱和状态 Cg＝Cgs＋2C/3 Cd＝Cdb＋C/3 饱和状态 Cg＝Cgs＋2C/3 Cd＝Cdb
23
5.3 MOSFET的其它特性
体效应 温度特性 噪声
24
体效应
MOS场效应管的特性
1
上次课：第4章 集成电路器件工艺
§1.引言 §2.双极型集成电路的基本制造工艺 §3.MESFET工艺与HEMT工艺 §4.CMOS集成电路的基本制造工艺 §5.BiCMOS集成电路的基本制造工艺
2
第五章 MOS场效应管的特性
§1. MOSFET的结构和工作原理 §2. MOSFET的寄生电容 §3. MOSFET的其它特性
ox
tox
W L
(Vgs
VT
1 2
Vds
)Vds
ox
tox
W L
(Vgs
VT
)Vds
1 2
Vds
2
当Vgs－VT＝Vds时，近漏端的栅极有效控制电压Vge
＝ Vgs－VT－Vds＝0，感应电荷为0，沟道夹断，电流
不会增加，此时Ids为饱和电流。
9
MOS管饱和时
2
2.5
VDS (V)
11
阈值电压VT
阈值电压是MOS器件的一个重要参数 阈值电压VT是将栅极下面的Si表面反型所必
要的电压，这个电压与衬底浓度有关 按MOS沟道随栅压变化形成或消失的机理，
存在两种类型的MOS器件
耗尽型：沟道在VGS＝0时已经存在，VT≦0 增加型：沟道在VGS＝0时截止，当VGS“正”到一
定程度时才导通。 VT>0
12
阈值电压VT表达式
经过深入研究，影响VT的因素主要有四个： 材料的功函数之差
SiO2层中可移动的正离子的影响 氧化层中固定电荷的影响
界面势阱的影响
VT
2bp
q
Qd Cox
Biblioteka Baidu
ms
q
Qm m
Cox
QF Cox
Qit (Us ) Cox
13
阈值电压VT
在工艺确定之后，阈值电压VT主要决定 于衬底的掺杂浓度： P型衬底制造NMOS，杂质浓度越大，需要 赶走更多的空穴，才能形成反型层， VT值 增大，因而需要精确控制掺杂浓度 如果栅氧化层厚度越薄，Cox越大，电荷的 影响就会降低。故现在的工艺尺寸和栅氧 化层厚度越来越小
14
5.2 MOSFET的电容
MOS电容结构复杂，最上面是栅极电极， 中间是SiO2和P型衬底，最下面是衬底电极 （欧姆接触）
MOS电容大小与外加电压有关
Vgs<0 Vgs>0 Vgs增加达到VT值 Vgs继续增大
15
Vgs<0
Cox
ox A tox
oxWL tox
阈值电压VT的绝对值随温度变化的基本特 征： T升高 VT减小
VT变化与衬底杂质浓度和氧化层厚度有关
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噪声
噪声来源于两个部分：
热噪声 闪烁噪声
28
热噪声
热噪声由沟道内载流子的无规则热
运动造成
其等效电压值表示为 Ve2g
2 T
3gm
f
由于gm与MOS的栅宽和电流成正比
很多情况下，源极和衬底都接地 实际上，许多场合源极和衬底并不连接在
一起 源极不接地会影响
VT值，这称为体效应
25
体效应
某一CMOS工艺条件下阈值电压随源极-衬底电压变化曲线
26
温度
MOS的温度特性来源于沟道中载流子的迁 移率μ和阈值电压VT随温度的变化
载流子的迁移率μ随温度的变化的基本特征： T上升 μ下降