第五章 MOS场效应管的特性

CD = Cdb + 0 + Cdb
1 W 2 I ds Vgs VT 2 tox L L
MOS管的电容
深亚微米CMOS IC工艺的寄生电容
21 40 86 9 15 48 36 14
Metal3 Metal2 Metal1
29 38 39 62 46
由此，设计者只需选取W
MOS管特性
n(p)
MOSFET的伏安特性:电容结构
当VGS<=0，
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VGS>0时 P 型区内的空穴被不断地排斥到衬底方向，少子电子在栅 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，当VGS>=VT时形成从漏极到源极的导电沟道。
集成电路设计基础
Basic of Integrated Circuit Design
电子信息工程系 武 斌
Science and Technology of Electronic Information
MOS管特性
第五章 MOS 场效应管的特性
5.1 MOS场效应管
5.2 MOS管的阈值电压 5.3 体效应 5.4 MOSFET的温度特性 5.5 MOSFET的噪声
MOS管特性
MOSFET的伏安特性方程
CVge oxWL MOS管漏源间的电流 ox W Q 1I 非饱和情况下，通过 I ds 2 2 VgeVds (Vgs VT V ds ds )Vds L tox L tox L 2 为： Vds
ox W tox L
这时，栅极电压所感应的电荷Q为，
Q=CVge 式中Vge是栅极有效控制电压。
MOS管特性
电荷在沟道中的渡越时间
非饱和时（沟道未夹断），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
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： n n µ n = 650 cm2/(V.s) 电子迁移率(NMOS) µ p = 240 cm2/(V.s) 空穴迁移率(PMOS)
5.6 MOSFET尺寸按比例缩小
5.7 MOS器件的二阶效应
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MOS管特性
5.1.1 MOS管伏安特性的推导
两个PN结：
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，在结周围产生了耗尽层。
MOSFET饱和特性
当Vgs-VT=Vds时，满足: Ids达到最大值Idsmax，其值为 Vgs-VT=Vds，意味着： Vge=Vgs-VT-Vds=Vgs-Vds-VT =0 沟道夹断，电流不会再增大， 因而，这个 Idsmax 就是饱和电流。
dIds 0 dVds
I dsmax 1 ox W 2 Vgs VT 2 tox L
MOS管的电容
MOS电容—凹谷特性
若测量电容的方法是逐点测量法—一种慢进程，那么将测量 到这种凹谷曲线。
① ② ⑤ ③ ④
⑥
MOS管的电容
5.1.3 MOS电容的计算
• MOS电容C
• 源极和衬底之间结电容Csb • 漏极和衬底之间结电容Cdb • 栅极与漏极、源极扩散区间 都存在着交迭，引出线之间杂 散电容，都计入Cgs和Cgd。
MOS管的电容
SiO2和耗尽层介质电容
2 ） 当 Vgs>0 时， MOS 电容器可以看成两个电容器 的串联。 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。耗尽区中空穴被赶走 后剩下的固定的负电荷，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，基底接负极。
MOS管的电容
MOS电容的计算
2）若Vgs>VT， 若处于非饱和状态，则按1/3与2/3分配，即 CG = Cgs + C •2/3 CD = Cdb +C •1/3 CMOS
因为在非饱和状态下，与栅极电荷成比例的沟道电流由Vgs 和Vds的系数可知：栅极电压Vgs与漏极电压Vds对栅极电荷 的影响力为2:1的关系，故贡献将分别为 2/3与1/3 。
G G + + + + + + tox 沟道 耗尽层 P型衬底 Vss Vss
MOS管的电容
Co 沟道 Cdep
d
MOS电容
1 ）当 Vgs<0 时，在 Si 表面和栅极之间， 形成了平板电容器，其容量为：
Cox
oxWL
tox

oxWL
tox
通 常 ， ox=3.98.85410-4 F/cm2 ； W 为栅宽， L 为栅极长， 单位是 cm2 ； tox 是厚度，单位是cm。
Us : Si表面电位;
Vox: SiO2层上的压降。
阈值电压VT
Us 的计算
电压Us 与衬底浓度Na有关。 在半导体理论中，P型半导体的费米能级是靠近满带的，而N 型半导体的费米能级则是靠近导带的。要想把P型变为N型， 外加电压必须补偿这两个费米能级之差。
已知p型半导体
bp
p 0 ni e
一个电容器结构
栅极与栅极下面区域形成一个电容器，
是MOS管的核心。
MOS管特性
MOSFET的三个基本几何参数
poly-Si G D W S diffusion L t ox
p+/n+ p+/n+
栅长:L; 栅宽: W; 氧化层厚度: tox Lmin： MOS工艺的特征尺寸(feature size) L影响MOSFET的速度， W决定电路驱动能力和功耗 L和W由设计者选定,通常选取L= Lmin，
′ = 4.5,
1 2 Vgs VT Vds Vds 2
1 Vge Vgs VT Vds 2
= '.0 栅极-沟道间氧化层介电常数,
0 = 0.88541851.10-11 C.V-1.m-1
Vge：栅级对衬底的有效控制电压
MOS管特性
1 I ds Vgs VT Vds Vds tox L 2
MOS管的电容
W
MOS电容的计算
若处于饱和状态，则表明沟道电荷已与Vds无关， 那么： CG = Cgs + C•2/3, CD = Cdb + 0
实际上在饱和状态下，沟道长度受到Vds的调制，当Vds 增加时，漏端夹断区耗尽层长度L增大，有效沟道长度LL’变小, Ids增加。然而，L的增大使得漏极耗尽层宽度有 所增加，增大了结电容。故，
(Ids与Vds无关, 与 Vgs有关)
I ds a2 V Idsgs VT
线性区


2
饱和区 击穿区
0
MOS管特性
Vds
5.1.2 MOSFET电容的组成
MOS 电容是一个相当复杂的电容，具有多层介 质，在栅极电极下面有一层 SiO2 介质， SiO2 下面是 P 型衬底，最后是衬底电极，同衬底之间是欧姆接触。
MOS管特性
MOSFET特性曲线
• 在非饱和区 呈线性电阻 • 饱和区
I ds
ox W
tox
ds C

1 2 V V V Vds gs T ds L 2
I ds V
a1Vgs b1
2 1 ox W I ds Vgs VT 2 tox L
Q qNAWL X p WL 2 Si qNA
MOS管的电容
MOS电容—耗尽层电容特性(续)
4 当Vgs增加，达到VT值，Si表面电位的下降，能级下降已达 到P型衬底的费米能级与本征半导体能级差的二倍。在形成的 反型层中，电子浓度已达到原先的空穴浓度。显然，耗尽层 厚度达最大Xpmax ，CSi也不再减小。这样就达到最小值Cmin。 5 当Vgs继续增大，反型层中电子的浓度增加，来自栅极正电 荷的电力线，部分落在这些电子上，落在耗尽层束缚电子上 的电力线数目就有所减少。耗尽层电容将增大。两个电容串 联后，C将增加。 6 当Vgs足够大时，反型层中的电子浓度已大到能起到屏蔽作 用，全部的电力线落在电子上。这时，反型层中的电子将成 为一种镜面反射，感应全部负电荷，于是，C = Cox 。电容 曲线出现了凹谷形，
8
11 17 49
aF/um2
aF/um2 aF/um2 aF/um2 aF/um2 aF/um2
3599 3415 261
Fringe (sub.) 249
af=10 -18 F
MOS管的电容
aF/um
5.2 MOSFET的阈值电压VT
VT 就是将栅极下面的 Si 表面从 P 型 Si 变为 N 型 Si 所必要的电压。 它由两个分量组成, 即: VT= Us+ Vox
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
是耗尽层两侧电位差的函数，耗尽层电容为
dQ 1 CSi WL 2 Si qNA dv 2
1 2
Si qNA WL 2
是一个非线性电容，随电位差的增大而减小。
MOS管的电容
MOS电容CG、CD的讨论计算
MOS电容CMOS=CG+CD(二极管接法） 1）若 Vgs<VT，沟道未建立， MOS管漏源沟道不通。 MOS电容 C = Cox，但C 对Cd无贡献。
CG = Cgs + Cox
CD = Cdb
沟道建立， MOS 管导通。 MOS 电容是变化的，呈 凹谷状，这时MOS电容C对Cg， Cd都有贡献，它 们的分配取决于MOS管的工作状态。
MOS管的电容
深亚微米CMOS IC工艺的寄生电容
Cap. N+Act. P+Act. Poly M1 M2 M3 Units
Area (sub.)
Area (poly) Area (M1) Area (M2) Area (N+act.) Area (P+act.)
526
937
83
25
54
10
18 46
1 1 C C C Si ox
1
+
N+ N+ N+
G N+ N+
以SiO2为介质的电容器—Cox 以耗尽层为介质的电容器—CSi
MOS管的电容
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，利用泊松方程

2
1
Si
MOS管的电容
MOS电容—耗尽层电容特性
3） 随着Vgs的增大，耗尽层厚度Xp增大，耗尽层上的电压降 就增大，因而耗尽层电容 CSi 就减小。 耗尽层上的电压降 的增大，意味着Si表面能级的下降。一旦Si表面能级下降到 P型衬底的费米能级，这时在 Si 表面，电子浓度与空穴浓度 相等，成为本征半导体，半导体呈中性。 若Vgs 再增大，排斥掉更多的空穴，吸引了更多的电子， 这时，Si表面的电子浓度超过了空穴的浓度，形成 N 反型层， 耗尽层厚度的增加就减慢了，CSi的减小也减慢了。
Ei E F k 0T
p0 EF Ei kT ln ni 2 bp 2kT N a US ln q q n i
掺杂浓度Na越大，VT就越大
25 VT 阈值电压
Vox的计算
Vox 根据从金属到氧化物到 Si 衬底 Xm 处的电场分布曲 线导出: ≈Q/C 已知Qox=Qsi， 且φ=2KT ln(Na/ni)

1
Si
qNA
式中NA是P型衬底中的掺杂浓度，ρ为空间电荷密度， 为电势，
将上式积分得耗尽区上的电位差 ： 1 qN A 2 ' qN A dxdx Xp Si Si 从而得出束缚电荷层厚度
Xp 2 Si q NA
MOS管的电容
MOS电容 —耗尽层电容
34 57 62
Electrode
864 4503 363 308
Poly P+ 109 1383
Poly N+ 880 SUB
35
12 4526 17
Poly P+
N+
P+ 22 13Baidu Nhomakorabea7 N_well
51
Cross view of parasitic capacitor of TSMC_0.35um CMOS technology