第3章 第1讲 MOS的阈值电压和电流课件.ppt

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1、集成电路原理与设计3.1MOS的阈值电压和电流1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2MOS晶体管的结构MOS晶体管的结构3MOSFET的输入、输出特性曲线4SwitchModelofNMOSTransistorGateSource(ofcarriers)Drain(ofcarriers)

2、VGS

3、

4、VGS

5、<

6、VT

7、

8、VGS

9、>

10、VT

11、Open(off)(Gate=‘0’)Closed(on)(Gate=‘1

12、’)Ron5MOS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。半导体表面达到强反型的栅压--VTSDpsubstrateBGVGS+-n+n+depletionregionnchannel61、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7φF是衬底费米势φF=(kT/q)ln(NA/ni)(NMOS)φF=-(kT/q)ln(ND/ni)(PMOS)阈值电压：耗尽层压降－表面势SDpsubstrateBGVGS+-n+n+depletionr

13、egionnchannel8QBM/Cox对应栅氧化层上的压降（NMOS）QBM=–[2є0єSiqNA(2φF)]1/2Cox=є0єox/tox阈值电压：氧化层压降9VFB：半导体平带电压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＝010影响阈值电压因素：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

14、的厚度增加，阈值电压增加QBm/Cox对应栅氧化层上的压降QBm=–[2є0єSiqNA(2φF)]1/2Cox=є0єox/tox12影响阈值电压因素：3、衬底掺杂浓度本征阈值：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φF=(kT/q)ln(NA/ni)(NMOS)φF=-(kT/q)ln(ND/ni)(PMOS)132、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，阈值电压会发生变化，也称为衬偏效应体效应系数NMOS器件一般加负的衬底偏压，即VBS<0衬底偏压为0时的阈值电压142、体效

15、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15不同衬底掺杂浓度下，衬底偏压引起阈值电压的变化φF=(kT/q)ln(NA/ni)(NMOS)φF=-(kT/q)ln(ND/ni)(PMOS)1617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18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

16、3.2.4MOS晶体管的特征频率193.1.2MOS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20N型半导体21P型半导体22PN结的形成多数载流子的扩散运动23形成PN结24结加反向电压PN（截止）251、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26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27漏电压对沟道电荷的影响28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

17、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332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：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，沟道连续（