第一章 CMOS电路中的器件及其模型解析

阈值电压Vt ：
Vt是晶体管的一个重要参数。计算表明，Vt的
公式为：
VT
2F
VFB
TOX
eOX
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L = LG – 2LD 实
际
沟
n+
n+
道
LD P-Si
长
度
L(drawn)
杂质
的横
向扩
n+
n+
散
W Wa 2WD
实 际 沟 道 宽 度
场氧化产生的鸟嘴
LD L
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MOSFET 稳态特性
阈值电压
定义：使源端半导体表面达到强反型的栅压。
VT= VFB + VB +
Vox
源端 强反 型时
的
VGS
平带电压 降在MOS结构上
的自建势
VFB MS Qox
Cox
降在半导体 上的压降， 强反型时为
－2φf
降在栅氧 化层上的
压降
QBM/Cox
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I－V特性 • 简单电流方程 • 四端器件的完整电流方程 • 亚阈值区电流方程 • MOS晶体管的主要直流参数
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n
2
PMOS管I~V特性 电流-电压表达式：
线性区：Isd=βp|Vds|(|Vgs|-|Vtp|-|Vds|/2) 饱和区：Isd=(βp/2)(|Vgs|-|Vtp|)²
-Vds
-Vgs
S
D
G
P
P
Isd=-Ids N-Si 衬底 Ids
Vdd
|Ids | 线性区
饱和区
|Vg5|
|Vg4|
|Vg3| |Vg2| |Vg1| Vgs-t<0
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MOS晶体管的结构
G
S
多晶硅
S
有源区
G
tox D
金属
SiO2 n+
n+Βιβλιοθήκη BaiduSiO2
W
D
L
xj
版图
L
p-Si 剖面图 B
关键参数：沟道长度 L 沟道宽度W 栅氧化层厚度 Tox 衬底掺杂浓度 Nsub 源漏pn结结深xj
第一章 CMOS电路中的器件及其模型
第一节 MOSFET基础 第二节 MOSFET的SPICE模型
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第一节 MOSFET基础
➢MOSFET的基本结构 ➢MOSFET的基本原理 ➢MOSFET的稳态特性 ➢MOSFET的动态特性 ➢MOSFET的二级效应
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第一节 MOSFET基础
MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor 金属－氧化物－半导体场效应晶体管
四端器件： 栅 Gate 源 Source 漏 Drain 衬底 Body
0
输出特性曲线
| Vds |
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MOSFET主要直流参数
• 阈值电压 • 导电因子 • 体效应系数 • 跨导 • 导通电阻（沟道电导的倒数） • 亚阈值斜率
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MOSFET的工作过程及I－V特性
IDS
亚 阈
饱和
VG－Vt
线性
Vt
V
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MOSFET的输入、输出特性曲线
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MOS管的电流电压
n=n*Eds n为电子迁移率（cm²/v*sec）
Eds=Vds/L 沟道水平方向场强
代入： n =（n*Vds）/L
代入：
L2
n Vds
关键是求Qc，需要分区讨论：
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（1）线性区：Vgs-Vtn>Vds
e oe ox
L t ox
t ox Vds
n
W L
Vgs
Vtn
Vds 2
Vds
n
令：Cox=(eoeox)/tox 单位面积栅电容 K= Cox n 工艺因子 βn=K(W/L) 导电因子
则：Ids=βn[(Vgs-Vtn)-Vds/2]Vds ——线性区的电压-电流方程
当工艺一定时，K一定，βn与（W/L）有关。电 子的平均传输时间∝L²。
（2）饱和区：Vgs-Vtn<Vds
L
S
D
Vgs-Vtn
Vds-(Vgs-Vtn) Vds
Vgs-Vtn不变，Vds增加的电压主要降在△L上， 由于△LL，电子移动速度主要由反型区的漂移 运动决定。所以，将以Vgs-Vtn取代线性区电流 公式中的Vds得到饱和区的电流—电压表达式：
Ids Vgs Vtn2
NMOS管的I~V特性
推导NMOS管的电流——电压关系式：
设：Vgs>Vtn，且Vgs保持不变，
则：沟道中产生感应电荷，根据电流的定义有：
Ids
栅下感应总电子电荷数
电子平均传输时间
Qc
其中：
沟道长度L
电子运动速度
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设：Vds沿沟道区线性分布
则：沟道平均电压等于Vds/2
由电磁场理论可知：Qc=eoeox EgWL
其中：
Eg
(Vgs
Vtn)
Vds
/
2
tox
tox 为栅氧厚度 eo为真空介电常数 eox为二氧化硅的介电常数 W 为栅的宽度 L 为栅的长度
Ids
Qc
e oe ox
Vgs
Vtn
2
Vds 2
WL
沟道宽度
W1
S
W2
D
W3
W=W1+W2+W3
S
D
S
W=4W
D
S
w
W=4w
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MOS晶体管的电势分布
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MOS晶体管的分类