第3章 第1讲 MOS的阈值电压和电流

集成电路原理与设计3.1MOS的阈值电压和电流2长沟道MOS器件模型3.1.1MOS晶体管阈值电压分析3.1.2MOS晶体管电流方程3.2.1MOS晶体管的亚阈值电流3.2.2MOS晶体管的瞬态特性3.2.3MOS交流模型3.2.4MOS晶体管的特征频率3SDG多晶硅有源区金属WLSiO2SiO2n+n+SDLp-SitoxxjGMOS晶体管的结构MOS晶体管的结构4MOSFET的输入、输出特性曲线MOS晶体管阈值电压分析阈值电压的定义：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。6SwitchModelofNMOSTransistorGateSource(ofcarriers)Drain(ofcarriers)|VGS||VGS||VT||VGS||VT|Open(off)(Gate=‘0’)Closed(on)(Gate=‘1’)Ron7阈值电压SDpsubstrateBGVGS+-n+n+depletionregionnchannel半导体表面达到强反型的栅压--VT81、阈值电压公式(假设NMOS源端和衬底接地)VFB对应半导体平带电压Vox对应栅氧化层上的压降对应半导体表面耗尽层上的压降soxFBTVVVs9φF是衬底费米势φF=(kT/q)ln(NA/ni)(NMOS)φF=-(kT/q)ln(ND/ni)(PMOS)oxBmFFBTCQVV2soxFBTVVV阈值电压：耗尽层压降－表面势SDpsubstrateBGVGS+-n+n+depletionregionnchannel10QBM/Cox对应栅氧化层上的压降（NMOS）QBM=–[2є0єSiqNA(2φF)]1/2Cox=є0єox/toxoxBmFFBTCQVV2soxFBTVVV阈值电压：氧化层压降SiO2SiO2n+n+SDLp-SitoxxjG11oxoxFBCQVMSVFB：半导体平带电压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数差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oxBmFFBTCQVV2VGS＝0，Qox＝00)(msFBGSVV12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＋和p＋硅栅，有利于nmos和pmos器件阈值电压对称FMSp55.0硅栅：FFployMSFMSn55.0硅栅：oxBmFFBTCQVV213影响阈值：2、栅氧化层栅氧化层的厚度增加，阈值电压增加栅氧化层中的电荷也会影响阈值电压QBm/Cox对应栅氧化层上的压降QBm=–[2є0єSiqNA(2φF)]1/2Cox=є0єox/tox14影响阈值：3、衬底掺杂浓度oxBmFFBTCQVV2oxBmFTCQV2'本征阈值：理想器件（平带电压为0）的阈值电压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152、体效应对阈值电压的影响衬底偏压VBS的影响BSFBTVVVFF22oxACqNSi02假设衬底和源端等电位如果衬底和源端之间有电压，阈值电压会发生变化，也称为衬偏效应16衬底偏压VBS对阈值影响NMOS器件一般加负的衬底偏压，即VBS0，保证源和衬底之间pn结反偏隔离这样源端耗尽层展宽，阈值电压公式中耗尽层电荷增加，阈值电压增加)2(20'BSFAsiBmVqNQoxBmFFBTCQVV'2172、体效应对阈值电压的影响BSFBTVVVFF22oxACqNSi02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)22(0FBSFTTTVVVVFFFBTVV22018不同衬底掺杂浓度下，衬底偏压引起阈值电压的变化BSFBTVVVFF22oxACqNSi02)22(0FBSFTTTVVVV19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20长沟道MOS器件模型3.1.1MOS晶体管阈值电压分析3.1.2MOS晶体管电流方程3.2.1MOS晶体管的亚阈值电流3.2.2MOS晶体管的瞬态特性3.2.3MOS交流模型3.2.4MOS晶体管的特征频率213.1.2MOS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221、漏电压对MOS特性的影响栅电压高于阈值电压，沟道区形成导电沟道加上漏电压Vds，形成横向电场，NMOS沟道电子定向运动线性区23漏电压对MOS特性的影响漏压不断增加，反偏pn结耗尽区不断扩展漏压达到夹断电压，漏端沟道夹断饱和区24漏电压对沟道电荷的影响=(L)=0VVTGSVDSVDsatLVVTGSVVTGSVDSVDSVDsatVDsatLeff夹断区n+n+Qcn+n+QcQcn+n+Qc25没有漏电压时沟道区电荷分布26漏电压较小时沟道区电荷分布27漏端沟道夹断情况28漏电压较大时沟道区电荷分布292简单电流方程30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31根据高斯定理：)()(2)()()()()(2)()()(0yVVVCCQyVVVCQyQyQyQyQyVVVyVyVCEyQTGSoxoxBmFFBGSoxBmsBscFFBGSoxoxoxxsis32根据欧姆定律：0()(,)()(),xicDeffcQyqnxydxdVyIWQydy))(()(yVVVCyQcTGSoxc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，沟道连续（0－L），Vc(y)为（0－Vds）得到线性区电流方程33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：212,=DGSTDSDSGSTDSDSeffoxIVVVVVVVVWCL很小时。导电因子β34饱和区电流TGSDsatTGSDVVVVVI22212,=DGSTDSDSGSTDSDSeffoxIVVVVVVVVWCL很小时。当漏压增大到一定程度，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VDsat＝VGS－VT，代入线性区电流公式，得到饱和区电流35电流方程：端电压形式22''11,22DGTSGTDeffoxeffoxIKVVVVVVWWKCKKCLL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3622''11,22DGTSGTDeffoxeffoxIKVVVVVVWWKCKKCLL工作区NMOSPMOS截止区（VG-VT-VS）≤0（VG-VT-VS≥0线性区（VG-VT-VS）0（VG-VT-VD）0（VG-VT-VS）0（VG-VT-VD）0饱和区（VG-VT-VS）0（VG-VT-VD）≤0（VG-VT-VS）0（VG-VT-VD）≥037工作区NMOSPMOS截止区VGS≤VTVGS≥VT线性区VGSVTVDSVGS-VTVGSVTVDSVGS-VT饱和区VGSVTVDS≤VGS-VTVGSVTVDS≥VGS-VTMOS管的工作状态3839工作区NMOSPMOS截止区VGS≤VTVGS≥VT线性区VGSVTVDSVGS-VTVGSVTVDSVGS-VT饱和区VGSVTVDS≤VGS-VTVGSVTVDS≥VGS-VT40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)(TGSDVVKI41作业1.影响阈值电压的因素有哪些？2.什么是衬偏效应？3.