MOS集成电路中的元件形成及其寄生效应
MOS管电路工作原理及详解
MOS管电路工作原理及详解MOS管，全称金属氧化物半导体场效应管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor），是一种重要的半导体器件，广泛应用于各种电路中，如放大、开关和逻辑电路等。
其工作原理和详解如下。
MOS管是一种固态电子器件，由金属栅、氧化物绝缘层和半导体管道构成。
工作时，栅极的电势可以控制管道中的电流流动。
当栅极电压Vgs为零，即不施加任何电压时，MOS管处于截止状态，不导电。
当施加正电压到栅极，即Vgs > 0时，形成一个正电场，吸引电子进入通道，导致N型沟道中电子增加，电荷密度增加，电流开始流动，MOS管进入导通状态。
而当施加负电压到栅极，即Vgs < 0时，形成一个负电场，把放在绝缘氧化物界面的电子吸引到栅极区域，减少沟道中电子数目，导致电流减小，MOS管进入截止状态。
因此，通过改变栅极电压，可以控制MOS管的导电特性。
MOS管有两种类型：P型MOS（PMOS）和N型MOS（NMOS）。
在PMOS 中，栅极为N型半导体，通道为P型半导体；而在NMOS中，栅极为P型半导体，通道为N型半导体。
两种类型的MOS管具有不同的导通方式。
对于PMOS，当栅极电压为负值（Vgs < 0），P型沟道会形成一个电子空穴击穿区域，通道中的电子将被拉入空穴区域，电流减小。
而当栅极电压为正值（Vgs > 0），击穿区域的电子将会被驱逐回通道，创造一个恢复的电子空穴区域，电流增加。
所以，PMOS管的导通与栅极电压是相反的。
对于NMOS，当栅极电压为负值（Vgs < 0），P型沟道中的电子将被排斥到源极区域，通道被堵塞，电流减小。
而当栅极电压为正值（Vgs > 0），电子将被吸引到沟道并形成导电路径，电流增加。
因此，NMOS的导通与栅极电压是一致的。
MOS管的导通特性由其工作区域决定，通常可分为三个区域：截止区、饱和区和线性区。
mos管的lde效应
mos管的lde效应
MOS管的LDE效应是指MOS场效应管的寄生二极管效应。
在MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）中，当源极和漏极之间
的电压为负值时，P型衬底和N型漏极之间的结会逆偏，形成一个
寄生二极管。
这个二极管被称为Lateral Diffusion Epitaxy（LDE）二极管。
LDE效应会对MOSFET的性能产生一些影响。
首先，LDE二极管
的存在会导致MOSFET的反向漏电流增加，从而增加了静态功耗。
其次，LDE二极管还会对MOSFET的开关速度和频率响应产生一定的影响，因为它会影响MOSFET的电荷注入和排出过程。
此外，LDE效应
还可能导致MOSFET的温度特性变化，使得器件在不同温度下的性能
表现不稳定。
为了减小LDE效应对MOSFET性能的影响，工程师们通常会采取
一些措施，比如优化器件结构、材料选择、工艺设计等方面的改进。
此外，一些新型的MOSFET器件结构和材料也被设计用来减小LDE效
应的影响，以提高器件的性能和稳定性。
总的来说，MOS管的LDE效应是MOSFET器件中一个重要的寄生
效应，它会对器件的性能产生一定的影响，因此需要在器件设计和制造过程中予以重视和处理。
第二章 集成电路中的元器件及其寄生效应ppt课件
§2-3 横向PNP管
双极集成电路中的基本器件 是NPN管，但在模拟电路中也往 往需要PNP管子，如运算放大器的 输入输出级的有源负载等都经常 使用PNP管。虽然PNP管的单管性 能不如NPN管，但仍然使电路的 性能得到了改善。横向PNP管的出 现，也促使了IIL电路的实现。
C 移速度。 是栅氧化层的单位面积的电容。 OX
式（3.2）就是NMOS器件工作在非饱和区的I-V特性， I D
与 V D S 呈平方律的关系。
如图，我们给出了不同的V G S 下，
根据式（3.2）得出的抛物线，表示
了器件产生的电流随 V G S 增大而增
加。通过计算偏导数很容易计算出
每条抛物线的极值均发生在
以NMOS晶体管为例，我们假设：0 V D S V G S V T H ，在
图中我们从半导体物理的角度出发进行一系列的推导，得到
I VVVV D K 2 ,W L 2
G S T H
D S2 D S
（3.2）
式中 K , 称为器件的跨导系数，
K C , n OX
（3.3）
称为低场电子迁移率，表示单位场强下电子的平均漂 n
一、衬底PNP管
1.集电区是整个电路的公
共衬底。
C
EB
2.其晶体管作用只发生在
纵向，各节面积较平坦， P+
发生区面积可以做的很
P N+
N–-epi
P+
大，所以工作电流可以 P-Sub
很大。
3.因为衬底作为集电区，故不存在有源寄生效应，故可不 用掩埋层。
4.基区电阻较大。
5.集电极串联电阻和集电结电容较大。
第2章 集成电路中的晶体管及其寄生效应
2、次表面齐纳管
一般的齐纳管由于击穿发生在表面，因而输出噪声电压较大， 次表面齐纳管是设法把击穿由表面引入体内。可以用扩散法和 离子注入法来形成次表面齐纳管。 扩散法是在N+发射区内加一道深P+扩散，使击穿发生在N+ 与P+的接触圈上(称次表面)。
离子注入法掺杂可以精确控制掺杂的浓度和深度，利 用离子注入法来制造次表面齐纳管，可望得到较精确 的Vz值。离子注入次表面齐纳管的结构如图2.2l所示， 它是在P型基区扩散和N+发射区扩散后，增加一次硼 离子注入而成。
一、横向PNP管 1、横向PNP管的结构、特性及其寄生PNP管
2、多集电极横向PNP管
3、大电流增益的复合PNP管
二、衬底PNP管
三二极管 一、一般集成二极管 在集成电路中的二极管，多数是通过对集成晶体管 的不同接法而形成的，所以不增加新的工序，且可灵 活地采用不同的接法得到电参数不同的二极管，以满 足集成电路的不同要求。在集成电路中也可以利用单 独的一个硼扩散结形成的二极管。 各种集成二极管的特性比较如表2．2所示。二极管 接法的选择由电路对正向压降、动态电阻rd、电容、 存储时间tS和击穿电压的不同要求来决定，因为只要 工艺掌握得好，六种形式二极管的漏电流相差不多。
2.3 集成双极晶体管的无源寄生效应
因为衬底结始终反偏，在采取各种措施后，可使 α SF<0.0l，此时寄生PNP管的影响退化成一个势垒电 容Cjs，所以集成NPN管的等效电路如图2.4，称为 EM2模型。
一、集成NPN晶体管中 的寄生电阻 发射极串联电阻rES 集电极串联电阻rCS 基极串联电阻rB
2.6 肖特基势垒二极管(SBD)和肖特基箝位晶体管(SCT) 一、肖特基势垒二极管 由半导体物理的知识可知，铝和N型硅接触形成的肖 特基势垒具有类似于PN结的整流特性，其V－I关系为
mos管寄生参数
mos管寄生参数mos管寄生参数是指在集成电路设计中，使用mos管对寄生参数进行建模和分析的方法。
mos管寄生参数是指mos管内部存在的各种电容和电阻等对电路性能的影响。
mos管寄生参数主要包括输入电容Cgs、输出电容Cgd、反向传输电容Cgb、漏极电导Gds和栅极电导Ggs等。
这些参数的存在会导致mos管在工作过程中产生一些不可忽视的电路寄生效应，对电路性能产生一定的影响。
mos管的输入电容Cgs是指栅极与源极之间的电容。
当栅极信号变化时，由于栅极与源极之间存在电容，就会导致电压延迟和相位延迟的问题。
这对于高频电路设计来说是非常重要的，需要准确地建立输入电容模型，以保证电路性能的稳定和可靠。
mos管的输出电容Cgd是指漏极与栅极之间的电容。
当mos管工作时，由于漏极与栅极之间存在电容，就会导致输出电压变化的延迟和相位延迟。
这对于高速数字电路设计来说是非常关键的，需要准确地建立输出电容模型，以保证电路的稳定和可靠。
mos管的反向传输电容Cgb是指栅极与基极之间的电容。
当mos 管工作时，由于栅极与基极之间存在电容，就会导致电流的反向传输和漏电流的增加。
这对于低功耗电路设计来说是非常重要的，需要准确地建立反向传输电容模型，以保证电路的低功耗和高性能。
mos管的漏极电导Gds是指漏极电流与漏极电压之间的关系。
当mos管工作时，由于漏极电流与漏极电压之间存在一定的关系，就会导致漏极电流的非线性增加和漏极电压的非线性变化。
这对于模拟电路设计来说是非常关键的，需要准确地建立漏极电导模型，以保证电路的线性和稳定。
mos管的栅极电导Ggs是指栅极电流与栅极电压之间的关系。
当mos管工作时，由于栅极电流与栅极电压之间存在一定的关系，就会导致栅极电流的非线性增加和栅极电压的非线性变化。
这对于模拟电路设计来说也是非常关键的，需要准确地建立栅极电导模型，以保证电路的线性和稳定。
mos管寄生参数是集成电路设计中不可忽视的重要因素。
mos管寄生二极管作用
mos管寄生二极管作用摩斯管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，简称MOS管）是一种常见的半导体器件，广泛应用于各种电子设备中。
其中，寄生二极管是MOS管中的一种现象，它是由MOS 管本身的结构特点所引起的。
本文将从MOS管的结构、工作原理和寄生二极管的作用等方面进行详细介绍。
一、MOS管的结构和工作原理MOS管由金属-氧化物-半导体（Metal-Oxide-Semiconductor）组成，它主要由栅极、漏极和源极组成。
栅极上覆盖有一层氧化物，形成氧化层，使栅极和半导体之间隔绝开来。
当栅极施加一定的电压时，形成栅极电场，使半导体上形成一个导电通道，电流可以在通道中流动，从而实现对MOS管的控制。
MOS管的工作原理基于场效应，即通过改变栅极电场的强度来控制漏极和源极之间的电流。
当栅极电压为零或低于临界电压时，MOS 管处于截止状态，没有导电通道，电流无法通过。
而当栅极电压高于临界电压时，MOS管进入导通状态，电流可以自由地从漏极流向源极。
二、寄生二极管的作用在MOS管中，寄生二极管是指由于MOS管结构本身而存在的二极管效应。
当MOS管处于导通状态时，漏极和源极之间的电流主要通过导电通道流动，但同时也会存在一个寄生二极管。
这个寄生二极管是由于栅极和半导体之间的PN结所形成的。
寄生二极管的作用主要有以下几个方面：1. 保护作用：寄生二极管可以起到保护MOS管的作用。
当外界电压反向作用于MOS管时，如果没有寄生二极管的存在，电流会直接通过MOS管的PN结，容易造成器件损坏。
而寄生二极管可以提供一个反向通路，将反向电流分流，起到保护MOS管的作用。
2. 反向电流的影响：寄生二极管会引入一个反向电流，这个电流的大小与MOS管的结构参数有关。
在实际应用中，这个反向电流会对电路的工作产生一定的影响。
因此，设计者需要对寄生二极管的反向电流进行合理的估算和考虑，以确保电路的正常工作。
mos器件工作原理
mos器件工作原理MOS器件工作原理什么是MOS器件？MOS（金属-氧化物-半导体）器件是一种常见的电子元件，它由金属电极、氧化物绝缘介质和半导体材料组成。
它在现代电子技术中具有重要的应用，如集成电路、面板显示和电子器件等。
MOS器件的构成MOS器件由以下组成部分构成：1.金属电极：用于与外部电路连接。
2.氧化物绝缘层：通常使用二氧化硅（SiO2）作为绝缘层，用于隔离金属电极和半导体材料。
3.半导体材料：常见的是硅（Si），也有其他材料被使用。
4.掺杂区：通过掺杂添加杂质以改变半导体材料的导电性质。
MOS器件的工作原理MOS器件的工作原理可以分为以下几个方面：1. MOS电容效应当在MOS器件上施加电压时，金属电极之间的氧化物层将产生电容效应。
这个电容效应将影响电流的流动。
2. 势垒与导电效应在无偏置电压下，由于金属电极之间的氧化物层阻挡电子流动，形成势垒。
在势垒处，半导体材料的电导率较低。
然而，当施加偏置电压时，势垒被消除，电子在半导体中自由移动，导致导电效应。
3. MOS场效应管MOS场效应管是MOS器件中最常见的一种。
它由两个金属电极（栅极和源/漏极）构成。
栅极用于控制源/漏极之间电流的流动。
4. MOS工作模式MOS器件有三种主要的工作模式：•截止模式：栅极电压低于阈值电压时，MOS管截止，基本没有电流流动。
•饱和模式：栅极电压高于阈值电压时，MOS管处于饱和状态，电流流动较大。
•线性模式：栅极电压较高，但低于饱和电压时，MOS管处于线性模式，电流与电压成正比。
总结通过以上的介绍，我们对MOS器件的工作原理有了更深入的了解。
MOS器件在现代电子技术中扮演着重要的角色，其底层的MOS电容效应、势垒与导电效应以及各种工作模式的使用，使得MOS器件成为了电子领域中不可或缺的组成部分。
MOS器件的特点MOS器件具有以下几个特点：1.低功耗：由于MOS器件在截止状态下几乎没有电流流动，因此其功耗较低。
集成电路中的元器件及其寄生效应
2.1.1 集成NPN晶体管的结构 平 面 图 等 效 B(P) 电 路 PNP 图 S(P)
E(N+)
NPN
C(N) E
N + P N P
剖 面 P+ 图
P-Sub
E B N P
+
C
N+
N–-epi
P+
等 效 B 结 构 图
C S
4
2.1.2 集成NPN晶体管与分立NPN晶体管的差别 E(N+) （1）四层三结结构，构 B(P) NPN 成了一个寄生的PNP PNP 晶体管（有源寄生） C(N) （2）电极都从上表面引 S(P) 出，造成电极的串联 电阻和电容增大（无 源寄生） P+
we dce wc le
lc
R5 R4
hb
R
3
R1 R2
hc
9
2.1.4 集成NPN晶体管的无源寄生效应 （2）基极和发射极寄生电阻 基极串联电阻引起 发射极电流集边效应， 还影响高频增益和噪声 性能。主要由R2、R3决 定（ R1可以忽略）。 发射极串联电阻很 小，一般可以忽略。
R3 R
2
R1
10
P-Sub
5
E B N P –
+
C
N+
N -epi
P+
2.1.3 集成NPN晶体管的有源寄生效应 （1）NPN晶体管正向有源时
放大区：发射结正偏，集电结反偏 B(P) NPN PNP S(P)
E(N+)
VBC<0 VSC<0 寄生PNP晶体管截止,
C(N) E(N+)
等效为寄生电容 E B N P
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metal connection to gate doped silicon
metal connection to drain
oxide
gate
source
silicon substrate
drain
oxide
field oxide gate oxide
2020/8/21
第3章
MOS集成电路中的元件形成 及其寄生效应
2020/8/21
6
本章设问： MOS晶体管的结构特点？
器件结构 如何实现（步骤） 与双极工艺有什么不同？
实现过程（步骤）
MOS晶体管如何在硅片上集成？ 需要用到哪些方法？
与单器件的实现有什么不同？
实现过程（步骤） CMOS晶体管如何在硅片上集成？ 与NMOS（or PMOS）工艺的
gate
oxide
gate
source
drain
silicon substrate
oxide
doped silicon
oxide
gate
gate
source
drain
silicon substrate
oxide
自对准工艺
1.在有源区上覆盖一层薄氧化层 2.淀积多晶硅 3.用多晶硅栅极版图刻蚀多晶硅 4.以多晶硅栅极图形为掩膜板， 刻蚀氧化膜 5.离子注入
CMOSFET
oxide
n+
gate n+
P型 si sub
oxide
p+ gate p+ oxide
实现有什么不同？
寄生效应？
2020/8/21
CMOS集成电路有哪些寄生效应？ 寄生效应对器件性能的影响？ 如何减小寄生效应的影响？
MOS集成电路的工艺
P阱CMOS工艺 N阱CMOS工艺 双阱CMOS工艺
BiCMOS集成电路的工艺
MOSFET的基本结构
源极
栅极（金属） 绝缘层（SiO2）
漏极
源极
栅极（金属） 绝缘层（SiO2）
腐蚀
photoresist
oxide
sisliicliocnonsusbusbtsrtartaete
oxide
field oxide
去胶
oxide
sisliicliocnonsusbusbtsrtartaete
oxide
thin oxide layer
gate oxide
oxide
silicon substrate
在硅衬底上制作MOS晶体管
silicon substrate
field oxide
oxide silicon substrate
photoresist oxide
silicon substrate
Chrome plated glass mask
Ultraviolet Light
Exposed area of photoresist
oxide
thin oxide layer
gate oxide polysilicon
oxide
silicon substrate
oxide
polysilicon gate
oxide
gagtaete silicon substrate
oxide
ultra-thin gate oxide
ion beam
反型层
漏极
n+
--
-
-
-
-
-
-
n+
- +- +- +- +- +- +- +- +- +
- + - + - + - + - + - + - + - + P-Si
MOS晶体管的动作
MOS晶体管实质上是一种使
电流时而流过，时而切断的开关
MOS晶体管的立体结构
polysilicon gate
top nitride
gate
source
drain
silicon substrate
contact holes
gate
source
drain
silicon substrate
contact holes
gate
source
drain
silicon substrate
完整的简单MOS晶体管结构
polysilicon gate43;
p+
p+
P型硅基板 源极(S)
栅极(G)
N型硅基板
栅极(G)
源极(S)
漏极(D)
NMOS
漏极(D)
PMOS
MOSFET的基本工作原理
源极
栅极
漏极
源极
栅极
漏极
n+
- +- +- +
n+
- +- +- +- +- +- +- +- +- + - + - + - + - + - + - + - + - + P-Si
半导体 集成电路
1. 两结三层双极晶体管的EM模型 2. 三结四层双极晶体管的EM模型
基本要求
双极晶体管的四种工作状态
B(p) pnp
E(n+)
npn C(n)
S(p)
VBC
Pnp正向放大
反向工作区 饱和区 VBE
截止区 正向工作区
pnp截止
C
E
B
S
2020/8/21
基本知识点
双极晶体管的结构特点 集成双极晶体管的结构 隐埋层的作用 电隔离的概念 寄生晶体管
源极 栅极
漏极
n+
---
n+
- +- +- +- +- +- +- +- +- + - + - + - + - + - + - + - + - + P-Si
n+
---
n+
- +- +- +- +- +- +- +- +- + - + - + - + - + - + - + - + - + P-Si
源极 栅极
photoresist oxide
silicon substrate
Shadow on photoresist
非感光区域
感光区域
photoresist oxide
silicon substrate
photoresist
显影
photoresist
oxide silicon substrate
Shadow on photoresist
implanted ions in active region of transistors
Implanted ions in photoresist to be removed during resist strip.
Scanning direction of ion beam
photoresist
top nitride
metal connection to source
metal connection to gate doped silicon
metal connection to drain
oxide
gate
source
silicon substrate
drain
oxide
field oxide gate oxide