数字集成电路第4章 MOS集成电路器件基础ppt课件.ppt

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1、第四章MOS晶体管基础4.1MOS晶体管的工作原理4.2MOS晶体管的阈值电压4.3MOS晶体管特性4.4MOS器件按比例缩小4.1MOS晶体管的工作原理MOSFET（MetalOxideSemi-conductionFieldEffectTransistor），是构成VLSI的基本元件。一、半导体的表面场效应1、P型半导体2、表面电荷减少3、形成耗尽层4、形成反型层二、MOS管的工作原理二、MOS管的工作原理Vgs0时，Ids由S流向D，Ids随Vds变化基本呈线

2、性关系。（3）当Vds>Vgs-Vtn时，沟道上的电压降（Vgs-Vtn）基本保持不变，由于沟道电阻Rc正比于沟道长度L，而Leff=L-L变化不大，Rc基本不变。所以，Ids=(Vgs-Vtn)/Rc不变，即电流Ids基本保持不变，出现饱和现象。（4）当Vds增大到一定极限时，由于电压过高，晶体管被雪崩击穿，电流急剧增加。ＵDS对沟道的影响MOS管的输出特性曲线增强型NMOS的输出特性MOS管版图GSD4.2MOS晶体管的阈值电压外加栅压有三部分作用：一部分克服平带电压，另一部分降落在栅氧化层上，还有一部分是降在半导体表面的耗尽层上。MOS晶体管的阈值电压是一个非常重要的参数。

3、定义为使沟道区半导体表面达到强反型所需要的栅压。一、体效应对阈值电压的影响衬底相对于源端的偏置电压称为衬底偏压衬底偏压对阈值电压的影响就叫做体效应或衬偏效应，NMOS一般存在负衬底偏压，负衬底偏压使源-沟道-漏区与衬底之间的pn结处于反偏，从而使衬底耗尽层展宽，耗尽层电荷数增加，进一步屏蔽了栅压形成的电场，要在半导体表面感应出反型载流子则需要更大的栅压。对NMOS管负的衬底偏压的作用是阈值电压提高。其中衬底偏置效应与体校应系数有关系，体效应系数越大，衬底偏压对阈值电压的影响越大。二、离子注入对阈值电压的影响衬底掺杂浓度对阈值电压的影响很大。如果仅使沟道区衬底表面区域的掺杂浓度提高而

4、整个衬底仍维持较低掺杂浓度，就可在不影响其它性能的前提下得到合适的阈值电压。离子注入可以很好的控制注入杂质的数量和深度。离子注入可以注入和衬底相同类型的杂质，如P型硅衬底注硼；也可以注入和衬底相反类型的杂质，如P型硅衬底注磷或砷。制作增强型的NMOS管，需要注入和衬底相同类型的杂质，做作耗尽型NMOS，要注入和衬底相反类型的杂质，以便形成原始的导电沟道。离子注入引起的阈值电压的变化可用下式近似估算：三、短窄沟效应对阈值电压的影响短沟效应使阈值电压降低;窄沟效应使阈值电压增大，所以可以使短、窄沟效应互相补偿。三、短窄沟效应对阈值电压的影响1.短沟道效应：长沟道时，栅压引起的耗尽层近似

5、为矩形，忽略源漏耗尽层向沟道区内的扩展;当沟道长度很短时，源漏耗尽层的扩展变得不可忽略，会分担一部分耗尽区，使作用的栅压减小，使阈值电压下降。2.窄沟道效应：每个器件四周都有场氧保护，由于边缘场的影响，使沟道区耗尽层在沟道宽度两侧向场区有一定的扩展，当沟道宽度较大时，耗尽层向两侧场区扩展部分可以忽略；但对于窄宽度的器件，边缘场造成的耗尽层电荷量比原来计算的大，由于扩展部分由栅压引起，所以窄沟道效应使阈值电压增大。一、MOS管的电流方程NMOS管在截止区、线性区、恒流区的电流方程如式所示：UGSUGS-UTHN(恒流

6、区)4.3MOS晶体管特性PMOS在截止区、线性区、恒流区的电流方程如式所示：

7、UGS

8、<

9、UTHP

10、(截止区)

11、UDS

12、<

13、UGS

14、-

15、UTHP

16、(线性区)

17、UDS

18、>

19、UGS

20、-

21、UTHP

22、(恒流区)式中参数含义如下：(1)μn——电子迁移率(单位电场作用下电子的迁移速度)；μp——空穴迁移率(单位电场作用下空穴的迁移速度)。若μn≈1300cm2/s·Vμp≈500cm2/s·V则(2)Cox——单位面积栅电容，且(3)W/L——沟道宽度和沟道长度之比。电流与宽长比(W/L)成正比。(4)UTHN、UTHP——开启电压(阈值电压)。UTH的温度系数大约为：重掺杂

23、轻掺杂(5)λn、λp——沟道调制系数，即UDS对沟道长度的影响。对NMOS对PMOS式中，UA为厄尔利电压(EarlyVoltage)，其意义如图所示。沟道调制系数λ=1/UA对于典型的0.5μm工艺的MOS管，忽略沟道调制效应，其主要参数如表所示。0.5μm工艺MOS管的典型参数假定有一NMOS管，W=3μm,L=2μm,在恒流区则有:若UGS=5V,则二、MOS管的输出电阻1.线性区的输出电阻根据线性区的电流方程，当UDS很小(UDS<<2(UGS-UTH))时