第3章 第1讲 MOS的阈值电压和电流

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长沟道MOS器件模型 器件模型 长沟道
3.1.1 MOS晶体管阈值电压分析 晶体管阈值电压分析 3.1.2 MOS晶体管电流方程 晶体管电流方程 3.2.1 MOS晶体管的亚阈值电流 晶体管的亚阈值电流 3.2.2 MOS晶体管的瞬态特性 晶体管的瞬态特性 3.2.3 MOS交流模型 交流模型 3.2.4 MOS晶体管的特征频率 晶体管的特征频率
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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
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1、漏电压对 、 MOS特性的影响 特性的影响
栅电压高于阈值 电压， 电压，沟道区形 成导电沟道 加上漏电压Vds， 加上漏电压 ， 形成横向电场， 形成横向电场， NMOS沟道电子 沟道电子 定向运动 线性区
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根据欧姆定律： 根据欧姆定律：
对电流公式进行积分， 对电流公式进行积分， 其中V 其中 c(y)是漏电压沿 是漏电压沿 dV ( y ) 沟道方向的电压降 I D = W µeff Qc ( y ) , dy 漏压较小的时候， 漏压较小的时候，沟道 连续（ － ）， 连续（0－L）， Vc(y) Qc ( y ) = −Cox (VGS − VT − Vc ( y )) 为（0－Vds） － ） 得到线性区电流方程
NMOS器件一般加负的衬底偏压，即VBS<0， 器件一般加负的衬底偏压， 器件一般加负的衬底偏压 ， 保证源和衬底之间pn结反偏隔离 保证源和衬底之间 结反偏隔离 这样源端耗尽层展宽， 这样源端耗尽层展宽，阈值电压公式中耗尽层 电荷增加， 电荷增加，阈值电压增加
Q
' Bm
= − 2ε 0ε si qN A (2φF − VBS )
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饱和区
MOS管的工作状态 管的工作状态
工作区 截止区 线性区 NMOS VGS ≤ VT VGS > VT VDS < VGS-VT VGS > VT VDS ≥ VGS-VT PMOS VGS ≥ VT VGS < VT VDS > VGS-VT VGS < VT VDS ≤ VGS-VT
饱和区
n + 硅栅：φMS ≈ −0.55 − φ F
p + 硅栅：φMS ≈ 0.55 − φF
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影响阈值： 、 影响阈值：2、栅氧化层
栅氧化层的厚 Q /C 对应栅氧化层上的 Bm ox 度增加， 度增加，阈值 压降 电压增加 栅氧化层中的 QBm= –[2є0єSiqNA(2φF)]1/2 电荷也会影响 Cox= є0єox /tox 阈值电压
Switch Model of NMOS Transistor
| VGS |
Gate
Source (of carriers)
Drain (of carriers)
Open (off) (Gate = ‘0’)
Closed (on) (Gate = ‘1’)
Ron
| VGS | < | VT |
| VGS | > | VT |
ID =
β
2
(VGS − VT )
2
VDsat = VGS − VT
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电流方程：端电压形式
I D = K (VG − VT − VS ) − (VG − VT − VD ) 1 W 1 'W ' K = µeff Cox = K , K = µeff Cox 2 L 2 L
2 2
导电因子： 因子 导电因子：K因子 本征导电因子： 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 器件的源漏对称的特点 端电压形式的电流方程体现了
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根据高斯定理： 根据高斯定理：
Qs ( y ) = −ε 0ε si E x = −CoxVox ( y ) Vox ( y ) = VGS − VFB − 2φ F − V ( y ) Qc ( y ) = Qs ( y ) − QB ( y ) ≈ Qs ( y ) − QBm QBm = −Cox VGS − VFB − 2φ F − V ( y ) + Cox = −Cox [VGS − VT − V ( y )]
VT=VGS(ID=10-7A) 导电因子 利用饱和区电流公式
I D = K (VGS − VT )
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作业
1.影响阈值电压的因素有哪些？ 2.什么是衬偏效应？ 3.
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阈值电压
VGS
半导体表面达到强反型的 栅压-栅压 VT
G
+
S
-
D
n+
n+
n channel
p substrate
depletion region
B
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1、阈值电压公式(假设 、阈值电压公式 假设 假设NMOS 源端和衬底接地) 源端和衬底接地
VT = VFB + Vox + ϕ s
VFB对应半导体平带电压 Vox对应栅氧化层上的压降
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VT = VFB + 2ϕF + γ 2ϕF − VBS
∆VT = VT − VT 0 = γ ( 2ϕ F − VBS − 2ϕ F )
2ε 0εSiqNA γ= Cox
不同衬底掺杂浓度 下，衬底偏压引起 阈值电压的变化
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体效应的应用
电路中不是所有器件的源和衬底均能够 短接，这个时候体效应引起阈值电压的 变化，影响电路性能 动态阈值控制电路中，利用衬底偏压调 节阈值，满足高速和低功耗不同应用的 需要
ϕ s 对应半导体表面耗尽层上的压降
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阈值电压：耗尽层压降－表面势
VT = VFB + Vox + ϕ s
QBm VT = VFB + 2ϕ F − Cox
φF 是衬底费米势
G S VG
S
+ -
D n+
n+ n chann el
depletion p region substrate B
φF =(kT/q)ln(NA/ni) φF =-(kT/q)ln(ND/ni)
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2、体效应对阈值电压的影响 、
假设衬底和 源端等电位 如果衬底和 源端之间有 电压， 电压，阈值 电压会发生 变化， 变化，也称 为衬偏效应
衬底偏压VBS的影响 衬底偏压
VT = VFB + 2ϕF + γ 2ϕF − VBS
2ε 0εSiqNA γ= Cox
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衬底偏压V 衬底偏压 BS对阈值影响
漏电压对MOS特性的影响 特性的影响 漏电压对
漏压不断增加， 漏压不断增加，反 偏pn结耗尽区不 结耗尽区不 断扩展 漏压达到夹断电压， 漏压达到夹断电压， 漏端沟道夹断 饱和区
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漏电压对沟道电荷的影响
VGS >VT VDS < VD sat
Qc
n+
L
n+
VGS > VT
VDS = VD sat
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较小时，从源到漏都存在导电沟道， 在VDS较小时，从源到漏都存在导电沟道， 根据电流连续， 电流： 根据电流连续，两边积分得到线性区电流：
1 2 线性区电流：ID = β (VGS −VT )VDS − VDS 电流： 2 ≈ β (VGS −VT )VDS , VDS 很小时。 W β = µeff Cox L
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影响阈值： 、 影响阈值：3、衬底掺杂浓度
本征阈值： 本征阈值：理想器 平带电压为0） 件（平带电压为 ） 的阈值电压 增强型器件要求本 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
'
QBm = 2φF − Cox
QBm VT = VFB + 2φF − Cox
(NMOS) (PMOS)
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阈值电压：氧化层压降
VT = VFB + Vox + ϕ s
QBm VT = VFB + 2φF − Cox
G S SiO2
t ox n+
D SiO2
n+
L
xj
p-Si
QBM/Cox对应栅氧化层上的压降（NMOS） 对应栅氧化层上的压降（ ）
QBM= –[2є0єSiqNA(2φF)]1/2 Cox= є0єox /tox
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MOS晶体管的结构 晶体管的结构
MOS晶体管的结构 晶体管的结构
G
G 多多多 有有区 金金
W
S SiO2
t ox n+
D SiO2
n+
L
S
D
xj
p-Si
L
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MOSFET的输入、输出特性曲线
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MOS晶体管阈值电压分析
阈值电压的定义： 阈值电压
使源端半导体表面达到强反型的栅压， 使源端半导体表面达到强反型的栅压，是 栅压 区分MOS器件导通和截止的分界点。 器件导通和截止的分界点。 区分 器件导通和截止的分界点
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 器件模型 长沟道
3.1.1 MOS晶体管阈值电压分析 晶体管阈值电压分析 3.1.2 MOS晶体管电流方程 晶体管电流方程 3.2.1 MOS晶体管的亚阈值电流 晶体管的亚阈值电流 3.2.2 MOS晶体管的瞬态特性 晶体管的瞬态特性 3.2.3 MOS交流模型 交流模型 3.2.4 MOS晶体管的特征频率 晶体管的特征频率
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工作区 截止区 线性区 饱和区
NMOS VGS ≤ VT VGS > VT VDS < VGS-VT VGS > VT VDS ≥ VGS-VT
PMOS VGS ≥ VT VGS < VT VDS > VGS-VT VGS < VT VDS ≤ VGS-VT
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阈值电压和导电因子的测量
导电因子β 导电因子
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饱和区电流
当漏压增大到一定程 漏端沟道夹断， 度，漏端沟道夹断， 器件进入饱和区 夹断点处的电压称为 漏饱和电压V 漏饱和电压 Dsat＝ VGS－VT，代入线性 区电流公式， 区电流公式，得到饱 和区电流
1 I D = β (VGS − VT )VDS − VDS 2 2 ≈ β (VGS − VT )VDS , VDS 很小时。 W β = µeff Cox L
n+
Qc
Q (L)=0 c
n+
VGS >VT
VDS >VD sat
n+
Qc
L eff
夹 断 区
n+
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没有漏电压时沟道区电荷分布
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漏电压较小时沟道区电荷分布
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漏端沟道夹断情况
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漏电压较大时沟道区电荷分布
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2 简单电流方程
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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
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影响阈值： 、 影响阈值：1、栅电极材料
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＋ 采用 ＋和p＋硅栅， ＋硅栅， 有利于nmos和 有利于 和 pmos器件阈值电压 器件阈值电压 对称
ϕ ≈ϕ
MS
QBm VT = VFB + 2φF − Cox
Fploy
− ϕF
Q VT = VFB + 2φ F − Cox
' Bm
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2、体效应对阈值电压的影响 、
引入体效应 VT = VFB + 2ϕF + γ 2ϕF − VBS 因子 带衬偏电压 2ε 0εSiqNA γ= 的阈值电压 Cox 公式 体效应引起 ∆VT = VT − VT 0 = γ ( 2ϕ F − VBS − 2ϕ F ) 的阈值电压 VT 0 = VFB + 2ϕF + γ 2ϕF 变化
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(VG − VT − VS ) 2 − (VG − VT − VD ) 2 ID = K W 1 'W 1 K = µeff Cox = K , K ' = µeff Cox 2 L 2 L
工作区 截止区 线性区 NMOS （VG-VT-VS）≤0 （VG-VT-VS）> 0 （VG-VT-VD）> 0 （VG-VT-VS）> 0 （VG-VT-VD）≤0 PMOS （VG-VT-VS≥0 （VG-VT-VS）< 0 （VG-VT-VD）< 0 （VG-VT-VS）< 0 （VG-VT-VD）≥0
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VFB：半导体平带电压
QBm VT = VFB + 2φF − Cox
VGS＝0，Qox＝0 ，
V FB = ϕ MS
Q ox − C ox
VGS = VFB ( −ϕ ms ) < 0
栅氧化层中的可动电荷和固 定电荷以及界面态电荷 栅材料和硅衬底之间的功函 栅材料和硅衬底之间的功函 数差 外加栅压抵消这部分能带弯 使得能带恢复平直， 曲，使得能带恢复平直，称 为平带电压