第2章MOS器件物理基础
半导体物理与器件(尼曼第四版)答案
半导体物理与器件(尼曼第四版)答案第一章：半导体材料与晶体1.1 半导体材料的基本特性半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料。
它的基本特性包括：1.带隙：半导体材料的价带与导带之间存在一个禁带或带隙，是电子在能量上所能占据的禁止区域。
2.拉伸系统：半导体材料的结构是由原子或分子构成的晶格结构，其中的原子或分子以确定的方式排列。
3.载流子：在半导体中，存在两种载流子，即自由电子和空穴。
自由电子是在导带上的，在外加电场存在的情况下能够自由移动的电子。
空穴是在价带上的，当一个价带上的电子从该位置离开时，会留下一个类似电子的空位，空穴可以看作电子离开后的痕迹。
4.掺杂：为了改变半导体材料的导电性能，通常会对其进行掺杂。
掺杂是将少量元素添加到半导体材料中，以改变载流子浓度和导电性质。
1.2 半导体材料的结构与晶体缺陷半导体材料的结构包括晶体结构和非晶态结构。
晶体结构是指材料具有有序的周期性排列的结构，而非晶态结构是指无序排列的结构。
晶体结构的特点包括：1.晶体结构的基本单位是晶胞，晶胞在三维空间中重复排列。
2.晶格常数是晶胞边长的倍数，用于描述晶格的大小。
3.晶体结构可分为离子晶体、共价晶体和金属晶体等不同类型。
晶体结构中可能存在各种晶体缺陷，包括：1.点缺陷：晶体中原子位置的缺陷，主要包括实际缺陷和自间隙缺陷两种类型。
2.线缺陷：晶体中存在的晶面上或晶内的线状缺陷，主要包括位错和脆性断裂两种类型。
3.面缺陷：晶体中存在的晶面上的缺陷，主要包括晶面位错和穿孔两种类型。
1.3 半导体制备与加工半导体制备与加工是指将半导体材料制备成具有特定电性能的器件的过程。
它包括晶体生长、掺杂、薄膜制备和微电子加工等步骤。
晶体生长是将半导体材料从溶液或气相中生长出来的过程。
常用的晶体生长方法包括液相外延法、分子束外延法和气相外延法等。
掺杂是为了改变半导体材料的导电性能，通常会对其进行掺杂。
常用的掺杂方法包括扩散法、离子注入和分子束外延法等。
硕士第二章 MOS器件物理基础
ln Nsub kT ΦF = q ni
Qdep = 4qεsi ΦF Nsub
Cox：单位面积栅氧化层电容
ΦMS：多晶硅栅与硅衬底功函数之差 Qdep：耗尽区的电荷,是衬源电压VBS的函数
MOS管的开启电压VT及体效应
VTH = VTH0 + γ
2ΦF +VSB - 2ΦF
I D gm = VGS
MOSFET的跨导gm
VDS=const
W = μnCox (VGS - VTH ) L
W g m = 2μnCox ID L 2I D = VGS - VTH
2.3 二级效应
• 体效应 • 沟道长度调制
• 亚阈值导电性
• 电压限制
MOS管的开启电压VT及体效应
Qdep VTH = ΦMS + 2ΦF + , where Cox ΦMS = Φgate - Φsilicon
I/V特性的推导（1）
沟道单位长度电荷(C/m)
Qd = WCox (VGS - VTH ) Qd (x) = WCox (VGS - V(x) - VTH )
I = Qd .v
电荷移动 速度(m/s)
Qd：沟道电荷密度 Cox：单位面积栅电容
WCox：MOSFET单位长度的总电容 Qd(x)：沿沟道点x处的电荷密度 V(x)：沟道x点处的电势 V(x)|x=0=0, V(x)|x=L=VDS
Ron = 1 W nCox (VGS - VTH ) L
等效为一个 压控电阻
I/V特性的推导（3）
W 1 2 I D = nCox [(VGS - VTH )VDS - VDS ] L 2
mos 原理
mos 原理
MOS是金属-氧化物-半导体（Metal-Oxide-Semiconductor）的
缩写，是一种常见的半导体器件。
它的基本原理是利用金属-
半导体结构产生的场效应。
MOS器件有两个主要的区域，一个是金属-氧化物-半导体结构，另一个是半导体区域。
金属-氧化物-半导体结构包含有一
个金属电极、一层氧化物以及半导体基底。
半导体区域则是一个N型或P型的半导体材料。
MOS的工作原理可以简单地描述为：当两个电极之间施加电
压时，在金属-氧化物-半导体结构中会形成一个电场。
这个电
场会影响半导体区域的电子流动情况。
通过调整电压，可以控制电场强度，从而调节电子的流动。
当施加的电压为正向时，电场会吸引反向注入的电子流向金属-氧化物-半导体结构，这会增加半导体区域的导电性。
反之，
当施加的电压为反向时，电场会排斥电子，降低半导体区域的导电性。
通过这样的调节，可以实现MOS器件的开关功能。
MOS器件的特点是能耗低、速度快、尺寸小以及制造成本相
对较低。
因此，它在数字电路和集成电路中得到了广泛的应用。
它是现代电子技术中不可或缺的重要组成部分。
模拟cmos集成电路设计(拉扎维)第2章MOS器件物理基础PPT课件
Q d ( x ) W o ( V x G C V S ( x ) V T )H
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
16
I/V特性—推导I(VDS,VGS)
I D W o [ V G x C V S ( x ) V T ] v H
Givv E ea nn E (x d ) d(x V ) dx d(x V )
数字电路设计师一般不需要进入器件内 部，只把它当开关用即可
AIC设计师必须进入器件内部，具备器 件物理知识
❖MOS管是AIC的基本元件 ❖MOS管的电特性与器件内部的物理机制密
切相关，设计时需将两者结合起来考虑
器件级与电路级联系的桥梁？
❖器件的电路模型
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
5
本讲
基本概念
I D n C o W L ( x V G V T S ) V D H , V D S 2 S ( V G V T S )
等效为一个线性电阻
RONnCoxW L(V 1GSVTH)
在AIC设计中会用到
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
深三极管区
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I/V特性—当VDS>VGS-VTH时？
与电源无关、与温度无关、PTAT电流、 恒Gm、速度与噪声
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2
上一讲
研究模拟电路的重要性 模拟电路设计的难点 研究AIC的重要性 研究CMOS AIC的重要性 电路设计一般概念
❖抽象级别 ❖健壮性设计 ❖符号
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
3
上一讲
数字电路无法完全取代模拟电路，模拟 电路是现代电路系统中必不可少的一部 分
提供载流子的端口为源，收集载流子的端口为漏
CMOS模拟集成电路设计ch2器件物理 共42页
ID =0
6
2. 线性区 triode or linear region
当 V G S V T H ,且 V D S V G S V T H 时 MOSFET 处于线性区
7
Derivation of I/V Characteristics
I Qd v Q d W o(V x C G S V T)H Q d ( x ) W o ( V x G C V S ( x ) V T )H
1
ID
2L
25
亚阈值导电性（弱反型）
在初步分析MOSFET的时候，我们假设当VGS < VTH时， 器件会突然关断，即ID会立即减小到零；但实际上当VGS 略小于VTH 时，有一个“弱”的反型层存在，ID大小随
VGS下降存在一个“过程”，与VGS呈指数关系：
26
2.4 MOS器件电容
分析高频交流特性时 必须考虑寄生电容的影响 根据物理结构，可以把 MOSFET的寄生电容分为：
模拟CMOS集成电路设计
第 2 章 MOS器件物理基础
2.1 基本概念
漏（D: drain）、 栅（G: gate）、
G
源（S: source）、衬底（B: bulk）
S
MOSFET：一个低功耗、高效率的开关
D
2
MOS符号
模拟电路中常用符号
数字电路中常用
MOSFET是一个四端器件
3
2.2 MOS的I/V特性
2. 右图中MOSFET的过饱和电压是多少？管子处于什么工 作区？
R
Vb=1V
Vds=0.5V
40
3. 如图所示，Vin随时间线性增加。在不考虑沟调效应，需考 虑体效应的前提下，画出Vout随时间的曲线。
第二章 CMOS器件基础
MOS管的电流方程
2. Cox单位面积栅电容 Cox=ɛ0ɛsio2/tox ɛ0：真空介电常数，8.854x10-12 F/m Ɛsio2：栅氧化层（SiO2）的相对介电常数 3.9 tox：栅氧化层厚度 可以计算：当tox=50A（1A=0.1nm）时， Cox=(8.854x10-12x3.9x10-6)/5x10-3 =6.9fF/μm2 (1fF=10-15F） (学会如何计算，注意单位统一）
同一衬底上的NMOS和PMOS器件
MOS管所有pn结 必须反偏: *N-SUB必须接最 高电位VDD！ *P-SUB必须接最 低电位VSS！ *阱中MOSFET衬 底常接源极S
寄生二极管
MOS管符号
G
G
(a)
四端器件，一般在模拟电 路设计中采用。
(b)
省去了衬底，默认为 衬底与源 管。只区分管子类 型。常用于数字电 路
在集成电路设计中，在同一硅片衬底上做许多管子，为
二级效应1：体效应
保证它们正常工作，一般N管衬底要全部接最低点位，P 管衬底接最高点位，因此，有些管子源极与衬底之间存在 电位差。 为了保证沟道与衬底之间的隔离，PN结必须反偏，图中 T2管的Vbs<0 当Vbs<0时，导致阈值电压Vth增大，沟道变窄，沟道电 阻变大，ID减小，称此效应为体效应，或者背栅效应， 衬底调制效应。
Ｌ=4µ
Ｌ=6µ
∂ID/∂VDS∝λ/L∝1/L2
二级效应3：亚阈值导电性
当VGSVTH时和略小于VTH ，“弱”反型层依然存在， 与VGS呈现指数关系。当VDS大于200mV时，
这里ζ>1，VT＝kT/q
MOS管亚阈值电流ID一般为几十~几百 nA, 常用于低功耗放大器、带隙基准设计。
模拟CMOS
21()ds on ds n gs th V R I K V V ==-12()ds on ds n gs th V R I K V V ==-12()ds on dsn gs th dsVR I K V V V ==--第二章：MOS 器件物理1．概念：熟悉增强型NMOS 管的工作原理，画出NMOS 输出特性曲线并指出线性区和饱和区NMOS 漏电流随V GS 的变化曲线：当Vgs 小于Vth 时，NMOS 管截止；当Vgs 大于Vth 时，在NMOS 管漏极和源极间形成反型层，即导电沟道。
这时在Vds 的正向电压的作用下，NMOS 管漏极和源极间有电流产生。
当Vds<Vgs-Vth 时, NMOS 管工作在线性区;当Vds ≧Vgs-Vth 时, NMOS 管工作在饱和区。
画出NMOS 截止区，线性区和饱和区的实际物理结构图：2．直流导通电阻：⑴ 线性区的直流导通电阻（Vgs>Vth, Vds<Vgs-Vth ）:⑵ 深线性区的直流导通电阻（Vgs>Vth, Vds<<2(Vgs-Vth ）:⑶ 饱和区的直流导通电阻 （Vgs>Vth, Vds ≧Vgs-Vth ）:3．衬底效应：由于V bs 不为0而引起阈值电压的变化的效应。
)|2||2|(0f BS f th th V V V Φ--Φ+=γ 4．沟道调制效应：在MOS 管工作于饱和状态时，MOS 管的导电沟道会发生夹断，且夹断点的位置随栅漏间的电压差的增加而向源极移动，既有效沟道、长度实际上是Vds 的函数。
这一效应称为“沟道调制效应”。
21()(1)2n ox gs th ds WId C V V V L μλ≈-+ ， 211()ds o ds n gs th d V r I K V V I λλ∂===∂- 5．亚阈值效应：当MOS 管的Vgs 略小于Vth 时，在实际中MOS 管已开始导通，仍会在MOS 管的导电沟道产生一个弱反型层，从而产生由漏极向源极的电流，该现象称为NMOS 管的亚阈值效应，且Id 与Vgs 呈指数关系。
第二章 MOS器件的物理基础
22
2.2 MOS的I/V特性
2.2.4 I/V特性总结：
VDS < VGS − VTH 线性区
红色部分：沟道在源 漏之间连续存在
VDS ≥ VGS − VTH 饱和区
灰色部分：沟道在某点被夹 断，用作恒流源
MOS的I/V特性曲线
CMOS模拟集成电路设计 第二章 MOS器件物理基础
VDS << 2(VGS − VTH ) 深线性区
VG
S
VD
n+ 0 P型衬底
x=L' L
n+
V ( x) = VGS − VTH
V DS ≥ VGS − VTH 时， 反型层在沟道中某点x处被夹断
CMOS模拟集成电路设计 第二章 MOS器件物理基础
Copyright 2011 Zhengran
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2.2 MOS的I/V特性
当 VDS > VGS − VTH 时，则 VGD = VGS − VDS < VTH ，也就意味着沟道在 漏端不存在。 沟道在x点被夹断，将式（课本2.7）的积分区间换 VGS − VTH ]，得到： 为[0，
CMOS模拟集成电路设计
Design of Analog CMOS Integrated Circuits
Feb.2011 郑然 zhengran@
西北工业大学航空微电子中心 教育部嵌入式系统集成工程研究中心
第二章 MOS器件的物理基础
CMOS模拟集成电路设计 第二章 MOS器件物理基础
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2.2 MOS的I/V特性
四个合理的假设： 一、电流的大小由沟道内移动的电荷决定。 二、沟道中某点垂直于沟道的电场决定了该点移动电荷的 数量。 三、载流子的运动速率与横向电场大小成正比 v = µE。 四、认为 VGS = VTH 时反型层开始形成。 注意：栅极电势和沟道中某点的电势之差决定了该点 垂直于沟道的电场
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❖ 版图、电容、小信号模型等
第2章MOS器件物理基础
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2.2 MOMSO的SI管/V工特作性-原工作理原理与阈值电压
当VG=0，MOS管相当于两个反偏的二极管，截止 当VG稍微增大时，在正的栅源电压作用下，产生电场，
这个电场排斥空穴而吸引电子，因此，使栅极附近的p型 衬底中的空穴被排斥，留下不能移动的受主离子（负离 子），截止。
第2章 MOS器件物理基础
2.1 基本概念
❖ 简化模型－开关 ❖ 结构
2.2 I/V特性
❖ 阈值电压 ❖ I-V ❖ 跨导
2.3 二级效应
❖ 体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性
2.4 器件模型
❖ 版图、电容、小信号模型等
第2章MOS器件物理基础 1
2.1 基本概念-MOSFET开关
NMOS管三端器件，栅(G)、源(S)、 漏(D)。 通常作为开关使用，VG高 电平，MOS管导通，D、S连接。
nCox
W L
(VGS
Vth )VDS
1 2
VD2S
K N 2(VGS Vth )VDS VD2S
VGS－Vth：MOS管的“过驱动电压”
L：指沟道的有效长度
W/L称为宽长比，K N
1 2
nC，ox WL
称为NMOS管的导电因子，
μn载流子迁移率。
ID的值取决于工艺参数：μn、Cox、器件尺寸W和L、VDS及VGS。
第2章MOS器件物理基础 14
2.2 MOS的I/V特性-阈值电压
0 栅与衬底功函数差
COX
OX
TOX
单位面积栅氧化层电容
常通过沟道注入把VTH0调节到合适值 工艺确定后，VTH第02章就MO固S器定件物了理基，础 设计者无法改变
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2.2 MOS的I/V特性-I/V特性推导
介绍几个概念
❖ VGS 或者 VGS ❖ VDS 或者 VDS ❖ ID 或者 ID，
提供载流子的端口为S(源)，收集载流子的端口 为D(漏)。源漏极可以互换，取决与各端口的电压
第2章MOS器件物理基础 5
2.1 基本概念-MOSFET的结构
寄生二极管
MOS管正常工作的基本条件是:所有衬源(B、S)
、衬漏(B、D)PN结必须反偏！因此对于NMOS管衬
底必须接低电位
第2章MOS器件物理基础
通）的条件？
第2章MOS器件物理基础 13
2.2 MOS的MIO/VS管特性工-作工作原原理理与阈值电压
当VD增大到一定数值，靠近漏端被夹断，VD继续增加， 将形成一夹断区，且夹断点向源极靠近，沟道被夹断后， VD上升时，其增加的电压基本上加在沟道厚度为零的耗 尽区上，而沟道两端的电压保持不变，所以ID趋于饱和 而不再增加。
四端器件 需明确体端连接
省掉B端 在Cadence analogLib库 中，默认B、S端短接
第2章MOS器件物理基础
数字电路用
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第2章 MOS器件物理基础
2.1 基本概念
❖ 简化模型－开关 ❖ 结构 ❖ 符号
2.2 I/V特性
❖ 阈值电压 ❖ I-V关系式 ❖ 跨导
2.3 二级效应
❖ 体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性
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2.1 基本概念-MOSFET的结构
PMOS第管2章做MO在S器件N物阱理基中础
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2.1 基本概念-MOSFET的结构
MOS管所有pn结必须反偏: *N-SUB必须接最高电位
寄生二极管
*P-SUB必须接最低电位
第2章MOS器件物理基础 8
2.1 基本概念-MOSFET符号
？ 电流方向，NMOS为正,PMOS为负
回答以下几个问题：
❖ VG取多大值时器件导通，换句话说阈值电压是多少？ ❖ 当MOS管导通（断开）时，源和漏之间的电阻有多
大呢？ ❖ 这个电阻和端电压（漏极和源极电压大小）的关系
是怎样的，是简单的线性关系吗？ ❖ 是什么限制了器件的速度呢？因此需要分析晶体管
结构和物理特性。
第2章MOS器件物理基础 2
第2章MOS器件物理基础
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2.2 MOS的I/V特性-I/V特性推导
截止区：VGS≤Vth，ID＝0； 线性区（三极管区）：VDS≤VGS－Vth，漏极电流
即为萨氏方程。
ID
nCox
W L
(VGS
Ldrawn：沟道总长度, LD：横向扩散长度 Leff：沟道有效长度， Leff＝ Ldrawn－2 LD； 长度Leff(以后表示为L)代表工艺的线宽 例如0.18um工艺,90nm工艺; W: 器件的宽度
第2章MOS器件物理基础 4
2.1 基本概念-MOSFET的结构
Bulk（body）
源漏在物理结构上是完全对称的，为什么一边 称为S(源)极，另外一边有是漏极呢，怎么区分
第2章MOS器件物理基础 11
2.2 MOS的MIO/VS特管性工-作工原作原理理与阈值电压
当VG等于某个电压值时，p型衬底中的少子（电子）被 吸引到衬底表面。这些电子形成n型薄层，把在p型硅表 面形成的n型薄层称为反型层，该电压值称为阈值电压。
这个反型层实际上就构成了源极和漏极间的n型导电沟道， 原来被p型衬底隔开的两个n＋型区（源极和漏极）被n型 导电沟道连接。因此，在正的漏极电压作用下，将产生 漏极电流ID。
第2章MOS器件物.2 MOS的I/V特性-工作原理与阈值电压
当VG大于VTH，且VD大于VS时
原来被p型衬底隔开的两个n＋型区（源极和漏极）被n型
导电沟道连接。因此，在正的漏极电压作用下，将产生
漏极电流ID。 但是导电沟道不均匀。
问题：有电流 流过NMOS管（导
输出电流（漏电流）
举例
❖VGS
=VG-VS
=1-0.2=0.8V
1V
❖VDS=VD-VS=1V
G
第2章MOS器件物理基础
D
1.2V 0.2V
S
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2.2 MOS的I/V特性-I/V特性推导
MOS晶体管的输出电流－电压特性的经典描述是萨氏方程。
忽略二次效应，对于NMOS管导通时的萨氏方程为：
ID
2.1 基本概念-MOSFET的结构
NMOS器件简化图，制作在P衬底(P型半导体)，两 个重掺杂的n区(n型半导体)形成源端(S)和漏端(D)， 重掺杂的多晶硅作为栅(G),一层薄的SiO2(绝缘体) 使栅与衬底隔开 ❖栅极会有电流流入源极和漏极吗
第2章MOS器件物理基础 3
2.1 基本概念-MOSFET的结构