第3章 第1讲 MOS的阈值电压和电流

VGS－VT，代入线性 区电流公式，得到饱

ID 2
VGS VT
2
和区电流
VDsat VGS VT
39
电流方程：端电压形式
ID

K
VG
VT
VS
2

VG
VT

VD
2

K

1 2
eff
Cox
W L

1 K'W 2L
,
K ' eff Cox
➢导电因子：K因子 ➢本征导电因子：K‘ ➢端电压形式的电流方程体现了MOS器件的源漏对称的特点
B
使源端半导体表面达到强反型的栅压，是 区分MOS器件导通和截止的分界点。
半导体表面达到强反型的栅压-- VT
1、阈值电压公式(假设NMOS 源端和衬底接地)
VT VFB Vox s
VFB对应半导体平带电压 Vox对应栅氧化层上的压降
s 对应半导体表面耗尽层上的压降
7
阈值电压：耗尽层压降－表面势
Qs ( y) 0 si Ex CoxVox ( y) Vox ( y) VGS VFB 2F V ( y)
Qc ( y) Qs ( y) QB ( y) Qs ( y) QBm

Cox VGS

VFB

2 F
V
( y)

QBm Cox

Cox VGS VT V ( y)
36
根据欧姆定律：
对电流公式进行积分， 其中Vc(y)是漏电压沿 沟道方向的电压降
漏压较小的时候，沟道
xi
Qc ( y) q 0 n(x, y)dx
ID
W eff
Qc ( y)
dV ( y) , dy
连续（0－L）， Vc(y)
本征阈值：理想器件 （平带电压为0）的阈值 电压
V
' T
2F
QBm Cox
增强型器件要求本征阈
值大于平带电压绝对值
提高衬底掺杂浓度可以 增加本征阈值
VT
VFB
2F
QBm Cox
φF =(kT/q)ln(NA/ni) φF =-(kT/q)ln(ND/ni)
(NMOS) (PMOS)13
14
2、体效应对阈值电压的影响
引入体效应 因子
带衬偏电压 的阈值电压 公式
体效应引起 的阈值电压 变化
VT0 VFB 2F 2F
VT VFB 2F 2F VBS

2
qN 0 Si
A
Cox
VT VT VT0 ( 2F VBS 2F )
集成电路原理与设计
3.1 MOS的阈值电压和电流
长沟道MOS器件模型
➢ 3.1.1 MOS晶体管阈值电压分析 ➢ 3.1.2 MOS晶体管电流方程 ➢ 3.2.1 MOS晶体管的亚阈值电流 ➢ 3.2.2 MOS晶体管的瞬态特性 ➢ 3.2.3 MOS交流模型 ➢ 3.2.4 MOS晶体管的特征频率
Open (off) (Gate = ‘0’)
| VGS | < | VT |
Closed (on) (Gate = ‘1’)
Ron
| VGS | > | VT |
5
MOS晶体管阈值电压分析
G
VGS
+
S
D
-
n+
n+
n channel p substrate
depletion region
阈值电压的定义：
VT VFB Vox s
VT
VFB
QBm Cox
2F
φF 是衬底费米势
G
+
S VG
S-
n+
D n+
n chann el
p substrate
B
depletion region
φF =(kT/q)ln(NA/ni)
(NMOS)
φF =-(kT/q)ln(ND/ni)
(PMOS)
PMOS
截止区 线性区 饱和区
VGS ≤ VT
VGS > VT VDS < VGS-VT
VGS > VT VDS ≥ VGS-VT
VGS ≥ VT
VGS < VT VDS > VGS-VT
VGS < VT VDS ≤ VGS-VT
45
阈值电压和导电因子的测量
VT=VGS(ID=10-7A) 导电因子 利用饱和区电流公式
不同栅电极材料同硅 衬底之间的功函数差 不同
深亚微米工艺中分别 采用n＋和p＋硅栅， 有利于nmos和 pmos器件阈值电压 对称
VT
VFB
2F
QBm Cox
VFB MS Qox
Cox
MS
Fploy
F
n 硅栅：MS 0.55 F p 硅栅：MS 0.55 F
导电因子β

=W L
eff Cox
38
饱和区电流
当漏压增大到一定程
ID


VGS
VT
VDS

1 2
VDS
2

度，漏端沟道夹断， 器件进入饱和区
VGS VT VDS ,
=W
L
eff Cox
VDS 很小时。
夹断点处的电压称为
漏饱和电压VDsat＝
2
MOS晶体管的结构
MOS晶体管的结构
G
S
多晶硅 有源区 金属
W
D
L
G
S
tox D
SiO2 n+
n+ SiO2
L
xj
p-Si
3
MOSFET的输入、输 出特性曲线
4
Switch Model of NMOS Transistor
| VGS |
Source (of carriers)
Gate
Drain (of carriers)
15

2
qN 0 Si
A
Cox
不同衬底掺杂浓度 下，衬底偏压引起 阈值电压的变化
VT VT VT0 ( 2F VBS 2F )
φF =(kT/q)ln(NA/ni) φF =-(kT/q)ln(ND/ni)
(NMOS) (PMOS) 16
17
长沟道MOS器件模型
➢ 3.1.1 MOS晶体管阈值电压分析 ➢ 3.1.2 MOS晶体管电流方程 ➢ 3.2.1 MOS晶体管的亚阈值电流 ➢ 3.2.2 MOS晶体管的瞬态特性 ➢ 3.2.3 MOS交流模型 ➢ 3.2.4 MOS晶体管的特征频率
19
3.1.2 MOS晶体管的电流电压特性
漏电压对MOS特性的影响 简单电流方程
为（0－Vds）
Qc ( y) Cox (VGS VT Vc ( y))
得到线性区电流方程
37
在VDS较小时，从源到漏都存在导电沟道， 根据电流连续，两边积分得到线性区电流：
线性区电流：I D


VGS
VT
VDS

1 2
VDS
2

VGS VT VDS , VDS 很小时。
11
影响阈值电压因素：2、栅氧化层的质量和厚 度
栅氧化层中的 电荷也会影响 阈值电压
栅氧化层的厚 度增加，阈值 电压增加
VT
VFB
2F
QBm Cox
QBm/Cox对应栅氧化层上的 压降
QBm= –[2є0єSiqNA(2φF)]1/2
Cox= є0єox /tox
12
影响阈值电压因素：3、衬底掺杂浓度
40
工作区 截止区 线性区
饱和区
MOS管的工作状态
NMOS
PMOS
VGS ≤ VT
VGS > VT VDS < VGS-VT
VGS > VT VDS ≥ VGS-VT
VGS ≥ VT
VGS < VT VDS > VGS-VT
VGS < VT VDS ≤ VGS-VT
ห้องสมุดไป่ตู้42
43
44
工作区
NMOS
2、体效应对阈值电压的影响
衬底偏压为0时的阈值电压

假设衬底和 源端等电位
VT0 VFB 2F
2F
如果衬底和 源端之间有
VT VFB 2F
2F VBS
电压，阈值 电压会发生 变化，也称
体效应系数

2
qN 0 Si
A
Cox
为衬偏效应 NMOS器件一般加负的衬底偏压，即VBS<0
8
阈值电压：氧化层压降 S
G
tox D
VT VFB Vox s
VT
VFB
QBm Cox
2F
SiO2 n+
n+ SiO2
L
xj
p-Si
QBM/Cox对应栅氧化层上的压降（NMOS）
QBM= –[2є0єSiqNA(2φF)]1/2
Cox= є0єox /tox
9
VFB：半导体平带电压
漏压达到夹断电压，漏端沟道夹断
饱和区
32
漏电压较大时沟道区电荷分布
33
2 简单电流方程
34
推导电流方程的一些近似处理
缓变沟道近似 对NMOS忽略空穴电流 在强反型区忽略扩散电流 忽略复合与产生，沟道内电流处处相等 假定载流子的表面迁移率是常数 利用薄层电荷近似
35
根据高斯定理：
ID KVGS VT 2
ID K (VGS VT )
46
作业
1.什么是阈值电压？影响阈值电压的因 素有哪些？
2.什么是衬偏效应？ 3.
4
5
47
VT
VFB
2F
QBm Cox
VFB MS Qox
Cox
栅材料和硅衬底之间的功函 数差
栅氧化层中的可动电荷和固 定电荷以及界面态电荷
外加栅压抵消这部分能带弯 曲，使得能带恢复平直，称 为平带电压
VGS＝0，Qox＝0
VGS VFB (ms ) 0
10
影响阈值电压因素：1、栅电极材料
20
N 型半导体
21
P 型半导体
22
PN 结的形成
多数载流子的扩散运动
23
没有漏电压时沟道区电荷分布
栅电压高于阈值电压，沟道区形成导电沟道
29
漏电压较小时沟道区电荷分布
加上漏电压Vds，形成横向电场，NMOS沟道电子定向运动，线性区
30
形成 PN 结
31
漏端沟道夹断情况
漏压不断增加，反偏pn结耗尽区不断扩展