MOS器件物理基础
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第2章MOS器件物理基础
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
10
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
❖ 版图、电容、小信号模型等
第2章MOS器件物理基础
10
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
半导体物理基础 第六章 MOS
把
QS QB qNa xd
2 qNa xd S 2k s 0
（6-5）
和
（6-6）
6.2 理想MOS电容器
代入（6-44）式解出 x
d
Xd
kS 0 kS 0 2VG 1 C0 2 C0 C0 qkS 0 N a
2 0 12
（6-45）
C 2C 1 qN k VG C0 a S 0
6.2 理想MOS电容器
积累区（ VG <0）
MOS系统的电容C基本上等于绝缘体电容 C0。当负偏压的数值逐渐减少时，空间电 荷区积累的空穴数随之减少，并且 QS 随 C也就变小。 平带情况（ VG =0）
S
的变化也逐渐减慢， C S 变小。总电容
C FB C0
1 k 0 LD 1 k s x0
（6-1）
掌握载流子积累、耗尽和反型和强反型的概念。 正确画出流子积累、耗尽和反型和强反型四种情况的能带图。 导出反型和强反型条件
6.2 理想MOS电容器
6.2 理想MOS电容器
系统单位面积的微分电容
微分电容C与外加偏压 VG 的关系称为MOS系统的电容—电压特性。
dQM C dVG
（6-1）
S =半导体表面的电场
k0 =氧化物的相对介电常数
k S =半导体相对介电常数
xd =空间电荷区在半导体内部的边界亦即空间电荷区宽度。
外加电压 VG 为跨越氧化层的电压
V0和表面势 S 所分摊：
（6-2）
VG V0 S
6.1 理想MOS结构的表面空S结构内的电位分布
（6-22）
dV0 d s 1 dVG C dQM dQM dQM
QS QB qNa xd
2 qNa xd S 2k s 0
（6-5）
和
（6-6）
6.2 理想MOS电容器
代入（6-44）式解出 x
d
Xd
kS 0 kS 0 2VG 1 C0 2 C0 C0 qkS 0 N a
2 0 12
（6-45）
C 2C 1 qN k VG C0 a S 0
6.2 理想MOS电容器
积累区（ VG <0）
MOS系统的电容C基本上等于绝缘体电容 C0。当负偏压的数值逐渐减少时，空间电 荷区积累的空穴数随之减少，并且 QS 随 C也就变小。 平带情况（ VG =0）
S
的变化也逐渐减慢， C S 变小。总电容
C FB C0
1 k 0 LD 1 k s x0
（6-1）
掌握载流子积累、耗尽和反型和强反型的概念。 正确画出流子积累、耗尽和反型和强反型四种情况的能带图。 导出反型和强反型条件
6.2 理想MOS电容器
6.2 理想MOS电容器
系统单位面积的微分电容
微分电容C与外加偏压 VG 的关系称为MOS系统的电容—电压特性。
dQM C dVG
（6-1）
S =半导体表面的电场
k0 =氧化物的相对介电常数
k S =半导体相对介电常数
xd =空间电荷区在半导体内部的边界亦即空间电荷区宽度。
外加电压 VG 为跨越氧化层的电压
V0和表面势 S 所分摊：
（6-2）
VG V0 S
6.1 理想MOS结构的表面空S结构内的电位分布
（6-22）
dV0 d s 1 dVG C dQM dQM dQM
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
19
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
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
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
半导体器件物理7章MOS原理
第7章MOSFET原理7.1 金属、半导体的功函数在绝对零度时，金属中的电子填满了费米能级EF以下的所有能级，而高于费米能级E的所有能级全部F是空的。
温度升高时，只有费米能级E附近的少数电F子受到热激发，由低于E的能级跃迁到高于F E的能级F上，但大部分电子仍不能脱离金属而逃逸出体外。
这意味着金属中的电子虽然能够在金属中自由运动，但绝大多数电子所处的能级都低于体外（真空）的能级。
要使金属中的电子从金属中逸出，必须由外界给它以足够的能量。
从量子力学的观点看，金属中的电子是在一个势阱运动。
用E表示真空中静止电子的能量。
如图7.1所示。
定义某种材料的功函数为：真空电子能量E与材料的费米能级E的差值。
F则金属的功函数为()07.1m FmW E E =- 半导体的功函数为()07.2s Fs W E E =-功函数的物理意义：表示电子从起始能量等于F E 由金属内逸出（跳到真空）需要的最小能量。
注意：半导体的费米能级随掺杂浓度改变，因而其功函数也随掺杂浓度变化。
图7.1 还显示了从0c E E 的能量间隔χ，χ称谓电子亲和能，表示使处于半导体导带底的电子逃逸出体外（跳到真空能级）需要的最小能量。
即()07.3c E E χ=-利用电子的亲和能，半导体的功函数又可以表示为 []()[]7.4()S c FS n c FS n W E E e E E e N semiconductor χχφφ=+-=+-=-表7.1 列出了硅在不同掺杂浓度下对应的功函数 ()()()331415161415167.11010101010104.37 4.31 4.25 4.87 4.93 4.99S d a W eV n type N cm p type N cm Si ----表硅的功函数与掺杂浓度的关系（计算值）半导体材料功函数7.2金属－氧化物－半导体场效应晶体管(MOSFET) 引言：MOS 器件的发明先于双极器件，但由于加工工艺条件的限制，双极器件的商品化要早于MOS 器件。
MOS器件物理(3)
无源器件
在模拟集成电路中的无源器件主要是指 电阻、电容等，精密的电阻、电容是 电阻、电容等，精密的电阻、电容是MOS模 模 拟电路设计所要求的主要基本元件，电阻或电 拟电路设计所要求的主要基本元件， 容在电路应用中最关键的是要提供精确的元件 值，但在大多数情况下，电阻或电容的绝对值 但在大多数情况下， 不如它们的比值那么重要。 不如它们的比值那么重要。
有源电阻
2）考虑衬底偏置效应 ） 如果考虑体效应，如下图（ ）所示， 如果考虑体效应，如下图（a）所示，由于衬底接地电 则有： ＝－V， ＝－V， 位，则有：V1＝－ ，Vbs＝－ ，其等效电路如下图 （b）所示。 ）所示。
（a)
(b)
有源电阻
根据KCL定理，由上图（b）可以得到： 定理，由上图（ ）可以得到： 根据 定理
有源电阻
1）漏输出，源极交流接地 ）漏输出，
VGS是固定的，当MOS管的漏源电压大于栅极的 是固定的， 管的漏源电压大于栅极的 过驱动电压时， 管工作于饱和区， 过驱动电压时，MOS管工作于饱和区，忽略沟道 管工作于饱和区 调制效应时，其阻值为无穷大， 调制效应时，其阻值为无穷大，但实际阻值应考 虑沟道调制效应，可用饱和萨氏方程求出： 虑沟道调制效应，可用饱和萨氏方程求出：
MOS管交流小信号模型 高频 管交流小信号模型---高频 管交流小信号模型
在高频应用时， 在高频应用时，MOS管的分布电容就不能 管的分布电容就不能 忽略。 忽略。即在考虑高频交流小信号工作时必须 考虑MOS管的分布电容对电路性的影响， 管的分布电容对电路性的影响， 考虑 管的分布电容对电路性的影响 所以MOS管的高频小信号等效电路可以在 管的高频小信号等效电路可以在 所以 其低频小信号等效电路的基础上加入MOS 其低频小信号等效电路的基础上加入 管的级间电容实现，如图所示。 管的级间电容实现，如图所示。
MOS器件物理(3)
MOS管交流小信号模型---低频
G
+
VGS(a) -
D gmVGS
S
G
+
VGS -
gmVGS ro (b)
-S
VBS
VB
+
D gmbVBS
MOS管交流小信号模型---低频
其中〔a〕为理想的小信号模型。 实际的模拟集成电路中MOS管存在着二阶效应，而由于
沟道调制效应等效于漏源之间的电阻ro；而衬底偏置效 应那么表达为背栅效应，即可用漏源之间的等效压控电 流源gmbVBS表示，因此MOS管在饱和时的小信号等 效模型如图 (b)所示。 上图所示的等效电路是最根本的，根据MOS管在电路中 不同的接法可以进一步简化。
无源器件--多晶电阻
NMOS与CMOS硅栅工艺，与源/漏同 时扩散。
金属 汽相淀积氧化 多晶硅Ⅰ或Ⅱ
场氧 p
无源器件--多晶电阻
方块电阻为R□＝30~200Ω。制作大电阻时，可另外
再加上一次光刻，用离子注入较小剂量来实现，其阻 值可达10千欧/方块。但多晶硅电阻的薄层电阻大小， 除与离子注入剂量有关外，还与多晶硅的厚度，多晶 硅的淀积质量等有关，因此难以用来制作精密电阻。
外一次离子注入来形成底板的n+重掺杂区，以多晶硅 为上极板，二氧化硅为介质，n+为下极板构成电容。
多晶硅
金属
n+
薄热氧化层
p
n+ n＋重掺杂
无源器件--电容
衬底必须接一个固定电位，此时多晶与体硅 间的电容可认为是一无极性的电容，但存在 底板pn结寄生电容〔15%~30%〕。
无源器件---电阻
在某些设计中，要求精确的电阻比值，对称 叉指式设计布局用来补偿薄层电阻与条宽范 围的梯度变化。
第3章-MOS集成电路器件基础
第三章 MOS集成电路器件基础
假定有一NMOS管， W=3 μm, L=2 μm, 在恒流区则有:
UGS 2V
ID
K 2
W L
(U
GS
UTH
)2
1 2
73A /V
2
3m 2m
(2V
0.7V
)2
93A
若UGS=5 V, 则
ID
1 2
73A/V
2
3m 2m
(5V
0.7V
)2
1.0mA
第三章 MOS集成电路器件基础
由于源漏结的横向扩散， 栅源和栅漏有一重叠长度为 LD， 所以导电沟道有效长度(Leff)将小于版图中所画的 导电沟道总长度。 我们将用L表示导电沟道有效总长 度Leff， 图3 - 1中W表示沟道宽度。 在今后的学习中， 我们将会发现， 宽长比(W/L)和氧化层厚度tox这两个参 数对MOS管的性能是多么重要。 而MOS技术发展中的 主要推动力就是在保证电性能参数不下降的前提下， 一代一代地缩小沟道长度L和氧化层厚度tox。
第三章 MOS集成电路器件基础
G 多晶硅 D
S
氧化 层
W
N＋ P型 衬 底
Leff
N＋
Ldra wn
LD
图3 - 1 NMOS管的简化结构
第三章 MOS集成电路器件基础
3.1.2 N阱及PMOS 为了使MOS管的电流只在导电沟道中沿表面流动
而不产生垂直于衬底的额外电流， 源区、 漏区以及沟 道和衬底间必须形成反偏的PN结隔离， 因此， NMOS 管的衬底B必须接到系统的最低电位点(例如“地”)， 而PMOS管的衬底B必须要接到系统的最高电位点(例如 正电源UDD)。 衬底的连接如图3 - 2(a)、 (b)所示。
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I D ( x ) WCox VGS V ( x ) VTH n ( dV ( x ) dx) WCox VGS V ( x ) VTH n (dV ( x ) dx)
边界条件
V (0) 0,V ( L) VDS
VDS
两边积分可得
2014-11-23 9
gm与rds的求法
2014-11-23
10
二、基本共源放大电路的动态分析
g U R U I R m gs d o d d A g m Rd u U U gs U gs i Ri Ro Rd
2014-11-23 11
2.1 MOSFET的基本概念
沟道从s-d逐渐变窄
uDS uGD UGS (th)
沟道预夹断
uDS 夹断区延长
i D 几乎不变 恒流区
2014-11-23
6
3. 特性曲线与电流方程
uGS i D I DO 1 ，其中，I DO 是uGS 2UGS ( th)时的iD。 U GS ( th)
● 电荷漂移速度
E
(2.5)
：漂移速度 drift speed
E ：电场强度 electric field
2014-11-23
：迁移率 mobility E( x ) dV ( x ) dx
24
综合(2.2)-(2.5)有
I D ( x) Qd ( x) v( x) Qd ( x) E( x)
DS
2(VGS VTH )
W I D nC ox (VGS VTH )VDS L
(2.8)表明 I D ~ VDS为直线关系，如图(2.12)所示.
2014-11-23
(2.8)
27
此时 D, S间体现为一个电阻，其阻值为：
VDS 1 Ron W ID nCox (VGS VTH ) L
I D 0 ,求得各抛物线的极 令 VDS
1 2 (VGS VTH )VDS 2 VDS
大值在 VDS (VGS VTH )点上， 且相应各峰值电流为:
I D ,max
1 W nC ox (VGS VTH ) 2 (2.7) 2 L
VGS-VTH为过驱动（overdrive）电压，只有过驱动电压
2014-11-23
(b) VGS>0
(c)
19
●（ d ）当 VG 继续增加，界面电 势达到一定值时，就有电子从源 极流向界面并最终到达漏极，导 电沟道形成，晶体管打开。如图 （ d ）所示。这时，这个电压值 就是“阈值电压”－ . V
TH
VTH ms 2F
Qdep C ox
(2.1)
的增大向源端移动。
2014-11-23
0 X2 V ( X 2 ) (VGS VTH )
31
由
L
x 0
I D ( x )dx
VDS
V 0
WnCox VGS V ( x ) VTH dV ( x )
L'
x 0
I D ( x )dx
VGS VTH
V 0
2014-11-23
(2.9)
28
（2.9）式表示： a：在满足 VDS 2(VGS VTH ) 的条件下，MOS管体现 出线性电阻的特性，其直流电阻与交流动态电阻相等。 b：该线性电阻大小取决与VGS，即调节VGS，可调节电
阻的大小。因此我们常常把工作在这种区域的晶体管
称为“压控晶体管”。
Chapter 2 MOS器件物理基础
本章内容
Hale Waihona Puke MOSFET 的I-V 特性 MOSFET 的二级效应
MOSFET 的结构电容
MOSFET 的小信号模型
2014-11-23
2
绝缘栅型场效应管
Insulated Gate Field Effect Transistor
MOS管：Metal Oxide Semiconductor
WnCox VGS V ( x ) VTH dV ( x )
1 W I D nC ox (VGS VTH ) 2 2 L'
若
L' L ,则 I D 与 VDS 无关.
(2.10)
VDS (VGS VTH ) 时 , I D 相对恒定，器件工作在饱和区。
2014-11-23
开启电压 UGS (th)：沟道形成的栅－源电压。 5
(2) uGS UGS ( th)时uDS 对 i D 的影响. ① uDS uGS UGS ( th) ② uDS uGS UGS ( th) ③ uDS uGS UGS ( th)
uDS i D 线性增大
L
x 0
I D ( x )dx
V 0
WnCox VGS V ( x ) VTH dV ( x )
沟道中电流是连续的恒量，即有：
W I D nCox L
2014-11-23
1 2 (VGS VTH )VDS 2 VDS
(2.6)
25
W ＊分析： I D nCox L
VTH ms 2F Qdep C ox
KT N sub F ln n i q
Qdep 4q si F N sub
2014-11-23
21
2.2.2 I/V特性推导
我们用一个电流棒来辅助理解电流的概念. v
I
当沿电流方向的电荷密度为Qd (C/m)的电荷以速度v沿电流 方向移动时,产生的电流为
漏相对于源的电位之间的关系.
2014-11-23 33
若 L' L ，可以得到 不同VGS下漏电流曲线为:
VGS 8 VGS 7 ...... VGS 1
2014-11-23 34
对于PMOS器件,其在三极管区和饱和区的电流方程分
别表示为
W I D pC ox L
32
＊式(2.6),(2.10) 为analog CMOS design 的最基本的方程
式.
W I D nCox L
1 2 (VGS VTH )VDS 2 VDS
(2.6)
1 W I D nC ox (VGS VTH ) 2 2 L'
(2.10)
它们描述了ID与工艺常数 nCox ,器件尺寸W和L以及栅和
2014-11-23 7
2
FET放大电路的动态分析
一、FET的低频小信号等效模型
i D f uGS , uDS
令 i D uGS i D uDS
U DS
i D diD uGS
i D U DS du GS uDS
UGS
duDS
gm 1 rds
1 I d gmU gs U ds rds
可以形成反型层电荷。
VDS VGS VTH 时，器件工作在“三极管区”.
2014-11-23 26
2.2.3 MOS器件深Triode区时的导通电阻
MOS 器件作为逻辑工作和模拟开关，或小值线性电阻运 用时，都会工作于深Triode区。此时VGS较大，MOS管的 VDS很小，若满足： V 此时（2.6）简化为：
Qd WCox (VGS VTH )
(2.3)
式中Cox为栅极单位面积电容，WCox为单位长度栅电容.
2014-11-23 23
如果从S到D有一电压差VDS，假设平板电容在L方向上x点的
电位为V(x), 如上图所示 则有:
Qd ( x) WCox (VGS VTH V ( x))
(2.4)
利用栅源电压的大小控制半导体表面的感生电荷的多
少，从而改变沟道电阻，控制漏极电流的大小。
N沟道
增强型(常闭型) MOSFET 绝缘栅型 耗尽型(常开型)
2014-11-23
P沟道 N沟道 P沟道
3
N沟道增强型MOSFET
1. 结构
2014-11-23
4
2. 工作原理
① uGS 0 ② uDS 0, uGS 0
LD:S/D side diffusion length
W/L: aspect ratio
2014-11-23
S,D,G,B: source,drain,gate,body(bulk)
16
3. MOS FET 的四种电路符号
NMOS D G B G
PMOS S B
S
(d)
2014-11-23
D
17
I Qd * v
2014-11-23
(2.2)
量纲 C
m* m s A
22
● NMOS
沟道的平板电容近似与沟道电荷分布
若将MOS结构等效为一个由poly-Si和反型沟道构成的平板电 容。对均匀沟道，当 VD=VS=0 时，宽度为 W 的沟道中，单位 长度上感应的可移动电荷量为
2.2 MOS的I/V特性
2.2.1.阈值电压
先看MOS器件的工作原理:以NMOS为例来分析阈值电压 产生的原理.
(a) VGS=0
2014-11-23 18
●在 (a) 图中， G 极没有加入 电压时， G 极和 sub 表面之间， 由于 Cox 的存在，构成了一个 平板电容， Cox 为单位面积的 栅氧电容; ●在栅极加上正电压后，如 图 (b) 所示， P-sub 靠近 G 的空 穴就被排斥，留下了不可动 的负离子。这时没有导电沟 道的形成，因为没有可移动 的载流子，G和衬底间仅形成 了氧化层电容和耗尽层电容 的串连,如图(c)所示。