第三章MOS管与集成电路中的器件结构
大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础-63页PPT精选文档
VALDSID /SVDS
L(dXd )1 dVDS
定义沟道长度调制系数： 1/VA
Leff Ld dV XD dSVDSL(1VDS)
1 Leff
11(VVDDSS)2
1 L
∵VDS<<1，忽略上式的二次项：
1 Leff
(1VDS
)
1 L
∴得到：
ID SK 2' W L(VG SVTN)2(1VD S)
O
uDS
沟道调制系数λ=1/UA
对于典型的0.5 μm工艺的MOS管， 忽
略沟道调制效应， 其主要参数如表所示。
表 3 - 1 0.5 μm工艺MOS管的典型参数
假定有一NMOS管， W=3 μm, L=2 μm, 在
恒流区则有:
U GS 2V
ID
K W 2 L
(U
小变大， 沟道将发生变化。
ID
若UDS=UGS-UTH , 则沟道在漏
区边界上被夹断， 因此该点 电压称为预夹断电压。
在 此 点 之 前 ， 即 UDS<UGSU时TUH D，S管增子大工，作ID在有线明性显区的，增大此。O
在 预 夹 断 点 之 后 ， 即 源 区(N＋ )
UDS>UGS-UTH ， 管 子 工 作 在 恒流区， 此时UDS增大， 大
部分电压降在夹断区， 对沟
反型 层 源 区 (N ＋ )
道电场影响不大， 因此电流
增大很小。
源 区 (N ＋ )
线性 区 饱和 区(恒 流区) UGS ＝ 5 V
UGS ＝ 2.5 V UGS ＝ 1.5 V
漏 区 (N ＋ ) 电流
3-1 MOS场效应管(北邮)
流向D漏区，形成电流 iD 。
vDS>0使栅、漏极间电压vGD=( vGS-vDS )＜vGS，使得导电沟道靠近漏极D
一侧吸引的电子少于源极S一侧。使导电沟道呈楔型状。
在导电沟道处于贯通的情况下，漏极电流 iD 与漏源电压vDS 呈二次函数关系。
夹断点向S源区方向移动。沟道长度有所缩短，源S、漏D间的耗尽区有所增长。
在vDS的作用下，自由电子由源区沿沟道向漏区方向运动，到达耗尽层夹断区， 被耗尽层内电场作用继续向漏区方向漂移，形成漏极电流iD 。
预夹断后再增加vDS ，vDS主要降在夹断沟道的、呈高电阻的耗尽层部分， 在剩余的沟道部分上的电场强度增加不多，因而，当vDS增大时， 电流 iD 基本不变，略有增加。此状态对应输出特性曲线的饱和区。
vGS=定值(较小)
vDS
vDS
vGS
iD
S N＋
G
D
N＋
P型衬底
12
(2) 可变电阻区
iD
可
（近似线形区）、(三极管区)
变 电
阻
导电沟道形成、楔形、预夹断前。 区
饱和区
vGS=定值
(较大) 击 穿 区
vGS＞Vth , vGD＞Vth , vDS＜vGS-Vth
0
iD
=
kp 2
W L
[2(vGS
源极S 栅极G
漏极 D
铝
SiO2绝缘层
t 厚度 ox
耗尽层
N+
L
P 型衬底
衬底
N+
沟 W宽道 度
B 衬底极
沟道 长度
成都理工大学 数字电子基础第三章TTL和CMOS电路
电源VCC（+5V）
外形
地GND
管脚
74LS00内含4个2输入与非门， 74LS20内含2个4输入与非门。
2.或非门
有1出0，全0出1
T2与T2'形成或 逻辑关系 ABA为为 、高高B都电电为平平低时时电，，
T通 输 T通 输 平 同 截22、 ′， 出 ， 出 时 止时、T截 ，TYTY，T544为 为5同截 截止TT同42低 低时止 止、 导，时电 电导， ，T通T导25平 平′，。 。
vo
t pd 2 (t pdLH t pdHL )
原因
结电容（D和T）的存在 o
分布电容的影响
50% t
tpdHL
50% t tpdLH
§3.5.5 其他类型的TTL门电路
一. 其他逻辑功能的门电路
1. 与 非 门
Y (A B)
输入端改成多发 射极三极管
TTL集成门电路的封装：
双列直插式
如：TTL门电路芯片（四2输入与非门，型号74LS00 )
相当于断开的开关，vO≈vDD.
当vI>VGS(th)且vI继续升高时，MOS管工作在可变 电阻区。MOS管导通内阻RON很小，D-S间相当于闭合
的开关,vO≈0。
四、MOS管的四种基本类型
D
D
G
S N沟道增强型
G
S N 沟道耗尽型
D
G S
P 沟道增强型
D
G S
P 沟道耗尽型
在数字电路中，多采用增强型。
一、TTL反相器的电路结构和工作原理
输入级 倒相级 输出级
称为推拉式 电路或图腾 柱输出电路
二、电压传输特性
1.3V 0.6V
第三章 MOS器件
第三章MOS器件⏹§3.1器件的工作原理⏹§3.2 MOS 器件中的二级效应⏹§3.3 MOS器件模型⏹§3.4 MOS器件的电阻和电容§3.1器件的工作原理一、短沟效应：1、有效沟道长度L ＝L drawn－2 L diff－2∆L poly2、耗尽电荷共享沟道耗尽电荷= 栅耗尽区+ 源漏耗尽区二、窄沟效应1、有效沟道宽度W＝W drawn－∆W（1）鸟嘴（2）场注2、沟宽方向上的边缘场使耗尽电荷增加§3.2 MOS 器件中的二级效应三、迁移率变化1、影响迁移率的因素（1）载流子的类型（2）随掺杂浓度增加而减小（3）随温度增加而减小（4）随沟道纵向、横向电场增加而减小2、迁移率的纵向电场退化3、迁移率的横向电场退化4、速度饱和速度并不总是与（横向）电场强度成正比四、沟道长度调制：1、长沟道器件：沟道夹断饱和2、短沟道器件：载流子速度饱和(1) 短沟器件中，速度饱和先于夹断饱和(2) 速度饱和点在漏端处(3) 当源漏电压上升时,饱和点向源端移动五、漏感应势垒下降及源漏穿通（DIBL）1、VDS增加会使源端势垒下降2、沟道长度缩短会使源端势垒下降3、源漏穿通：发射流加大并以扩散形式到达漏端，不受栅压控制六、器件漏电七、热载流子效应1、原因：（1）漏端强电场引起高能热电子与晶格碰撞产生电子/空穴对，引起衬底电流。
（2）电子在强纵向电场作用下穿过栅氧，引起栅电流2、影响:（1）使器件参数变差，特性不稳，电路失效（2）衬底电流引起噪声，Latch-up, 以及动态节点漏电3、解决方法：LDD (lightly doped drain) : 在源漏区与沟道间加一段电阻率较高的轻掺杂n− 区（1）优点：可减小热电子效应，提高源漏电压（2）缺点：n− 区使器件跨导和I减小DS八、体效应：（Body Effect）1、衬偏引起体效应：开启电压随衬偏变化2、衬底电流感应体效应：（SCBE ─ Substrate Current Induced Body Effect ）衬底电流在衬底电阻上的压降造成衬偏电压九、输出电阻十、源漏寄生电阻RS ，RD源漏电阻取决于：1. 源漏区PN 结电阻2. 接触孔电阻十一、反型层电容分压1、反型层表面电势ΦS随栅压V G而变化2、当t OX缩小时，C OX可与沟道电容比拟使跨导减小十二、横向和纵向的非均匀掺杂1、横向非均匀掺杂：随沟道缩短，沟道中平均掺杂浓度增加，使阈值上升2、纵向非均匀掺杂引起V TH 与之间存在非线性关系BSP V V十三、其它1、体电荷效应2、耗尽层宽度不均匀引起阈值电压沿沟道分布不均匀3、参数随几何尺寸变化4、参数取决于源漏电压建立模型的目的与意义为减少设计时间和制造成本，需有效、精确的模型对模型的要求：1、精确：适合全工作范围，电流及其它小信号参数2、有物理基础：全面理解物理过程，能预测器件性能3、可扩展性：能预见不同尺寸器件的性能4、高效率：收敛，连续，减少迭代次数和模拟时间⏹MOS管的结构尺寸缩小到亚微米范围后，多维的物理效应和寄生效应使得对MOS管的模型描述带来了困难。
集成电路科学与工程导论 第三章 集成电路晶体管器件
发展趋势-摩尔定律
「按比例缩小定律」（英文：Scaling down）“比例缩小”是指，在电场 强度和电流密度保持不变的前提下，如果MOS-FET的面积和电压缩小到 1/2，那么晶体管的延迟时间将缩短为原来的1/2，功耗降低为原来的1/2。 晶体管的面积一般为栅长(L)乘以栅宽(W)，即尺寸缩小为原来的0.7倍：
仅变得越来越小，在器件结构和材料体系上也经过了多次重大变革
集成电路器件发展趋势
国际半导体技术蓝图（International Technology Roadmap for Semiconductors，ITRS）
目录
一．晶体管器件概述 二．金属-氧化物-半导体场效应晶
体管技术 三．绝缘体上晶体管技术 四．三维晶体管技术 五．其他类型晶体管器件
环栅场效应晶体管
「环栅场效应晶体管」（英文：GAAFET） 技术的特点是实现了栅极对沟道的四面包 裹，源极和漏极不再和基底接触，而是利 用线状或者片状（平板状）的多个源极和 漏极垂直于栅极横向放置，实现MOSFET 的基本结构和功能
栅极G
栅极G
硅
硅 (a)
纳米线
硅 (b)
纳米片
平面型 垂直型
互补场效应管
栅极G
n+
e-
n+
p-衬底 (a)
栅极G
n+
e-
n+
氧化物埋层（BOX）
p-衬底 (b)
优势：氧化物埋层降低了源极和漏极之间的寄生电容，大幅降低了会影响器件 性能的漏电流；具有背面偏置能力和极好的晶体管匹配特性，没有闩锁效应， 对外部辐射不敏感，还具有非常高的晶体管本征工作速度等；
挑战：存在一定的负面浮体效应；二氧化硅的热传导率远远低于硅的热传导率 使它成为一个天然“热障” ，引起自加热效应；成本高昂。
mos管或电路
mos管或电路MOS管，即金属氧化物半导体场效应晶体管，是一种常用的半导体器件，常用于集成电路中。
MOS管的工作原理是通过调节栅极电压来控制导通沟道的电阻，从而实现信号的放大、开关和放大等功能。
下面将详细介绍MOS管的结构、工作原理和应用。
MOS管的结构包括源极、漏极和栅极三个部分。
源极和漏极之间通过氧化物绝缘层隔开，栅极则通过栅极氧化层与沟道相隔开。
当在栅极上加上正电压时，栅极下方的沟道会形成导通通道，从而使源极和漏极之间产生导通。
当栅极上的电压变化时，沟道的导电性也会相应变化，实现对电流的调节。
MOS管的工作原理是基于场效应的调控。
栅极上的电压改变了栅极下方的场强，从而改变了沟道的导电性。
当栅极电压为正时，沟道导通，电流从源极流向漏极，此时MOS管处于导通状态。
而当栅极电压为零或负时，沟道的导电性减弱或消失，电流无法通过，MOS管处于截止状态。
通过调节栅极电压，可以实现对电流的精确控制，从而实现放大、开关和放大等功能。
MOS管在集成电路中有着广泛的应用。
作为场效应晶体管的一种，MOS管可以用于数字电路、模拟电路和混合电路中。
在数字电路中，MOS管可用作开关，实现逻辑门的功能；在模拟电路中，MOS管可用作放大器，实现信号的放大和处理；在混合电路中，MOS管既可以用于数字信号处理，又可以用于模拟信号处理，实现电路的多功能集成。
总的来说，MOS管作为一种常用的半导体器件，具有结构简单、工作稳定和应用广泛的特点。
通过对栅极电压的调节，可以实现对电流的精确控制，从而实现各种电路功能的实现。
在未来的发展中，MOS管将继续发挥重要作用，推动集成电路的不断进步。
第三章MOS集成电路器件基础
¾ PMOS管在截止区、线性区和恒流区的电流 方程如下：
0
| U GS |<| U TH |
I DN =
−
2 ⎜ ⎟ 2(UGS −UTHP)UDS −UDS 2 ⎝ L⎠ µpCox ⎛W ⎞ 2 ( ) − U − U ⎜ ⎟ GS THP (1+ λpUDS ) 2 ⎝ L⎠
3.2 MOSFET的电流电压特性
MOS管的输出特性
栅极电压 U GS 对漏极电流 I D 有明显的控制作用 （ U GS > U TH 时）。 漏极电压 U DS对漏极电流 I D 的控制作用分成线性区和 线性区 恒流（饱和）区两段。 恒流（饱和）区
增强型NMOS管的输出特性
9 线性区与恒流区是以预夹断点的连线为分界线的。 预夹断点
由上式可见： 在W/L不变的情况下，g m 与 (UGS −UTH ) 成线性关系，与 I D 的平方根成正比。 在 I D 不变的情况下，g m与 (UGS −UTH ) 成反比。
第三章 MOS集成电路器件基础
3.1 MOSFET的结构与符号
NMOS管的简化结构
P型硅衬底（P-Substrate,Bulk or Body） 源区和漏区（重掺杂 N 区） 栅级（重掺杂多晶硅区）/ 栅极薄氧化层 9 导电沟道（Channel）：栅极薄氧化层下的衬低表面
+
3.1 MOSFET的结构与符号
衬底连接/互补CMOS ¾ 为使MOS管的电流只在导电沟道中沿表面流动，源区/ 漏区以及沟道和衬底之间必须形成反向偏置的 反向偏置 PN结隔 正电源 离。 地
PMOS管
NMOS管
¾在互补型CMOS中， 在同一衬底上制作NMOS和PMOS， 因 此必须为PMOS做一个称之为“阱(Well)” Well) 的“局部衬底”。
最经典MOS管电路工作原理及详解没有之一
最经典MOS管电路工作原理及详解没有之一最经典MOS管电路工作原理及详解第一章引言MOS管（金属氧化物半导体场效应管）是一种重要的主动元件，广泛应用于各种电路中。
本文将详细介绍MOS管的工作原理及其相关知识。
第二章 MOS管的基本结构MOS管由金属氧化物半导体（MOS）结构构成，主要由金属电极（Gate）、绝缘层（Oxide）和半导体材料（Semiconductor）组成。
其中，绝缘层通常采用氧化硅（SiO2）第三章 MOS管的工作原理1.导通状态当Gate电极施加正向偏置电压时，会在绝缘层下形成一个电荷压积区，使半导体材料导电区域（Channel）形成N型导电层。
此时，MOS管处于导通状态。
2.截止状态当Gate电极施加负向偏置电压时，电荷压积区减小，导电区域几乎消失，MOS管处于截止状态。
第四章 MOS管的基本参数1.阈值电压（Vth）：________在Gate电极施加一定电压时，MOS管刚刚处于导通状态和截止状态之间的电压。
2.转导：________当MOS管导通时，Gate与Source电压之间的变化引起Drn电流的变化。
3.输出电阻：________反映MOS管输入和输出特性之间的关系。
输出电阻越小，MOS管的放大能力越强。
第五章常见MOS管电路1.CMOS电路：________由N型MOS管和P型MOS管组成的互补结构，广泛应用于数字电路中。
2.放大电路：________利用MOS管的放大特性，设计各种放大电路，如共源极放大电路、共漏极放大电路等。
3.开关电路：________利用MOS管的导通截止特性，设计开关电路，如开关电源、交流开关等。
第六章附件本文档涉及的附件包括MOS管的示意图、工作曲线图等，可在附件文件中查看详细内容。
第七章法律名词及注释1.MOS管：________金属氧化物半导体场效应管，是一种主动元件。
2.Gate：________MOS管的控制电极，用于控制MOS管的导通截止状态。
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二极管的制作步骤
双极型晶体管的结构
用PN结隔离的三极管与衬底
两个完全隔离的NPN三极管
具有埋层结构的NPN 双极型晶体管
绝缘介质 隔离工艺
采用PN结环隔离的NPN双极型晶体管
隔离的NPN双极型晶体管
场氧化层的作用
MOS管隔离
MOS器件结构
电阻的结构
电容的结构
接触孔、通孔和互联线
提纲
1、电学隔离的必要性和方法
2、二极管的结构
3、双极型晶体管的结构
4、MOS场效应晶体管的结构
5、电阻的结构
6、电容的结构
电学隔离的必要性和方法
在现代集成电路技术中，通常采用以下两 种电学隔离方法：
① 通过反向PN结进行隔离；
② 采用氧化物（二氧化硅）加以隔离。
PN结隔离图
PN结隔离
氧化物隔离顶视图
MOS管的结构与性能
授课人：刘 向
§ MOS场效应晶体管
1、结构 2、反型层 3、阈值电压 4、电流与电压关系 5、两种工作模式 6、MOS管的分类
结构
度（栅极宽度）：W
反型层的形成
反型层的形成
1、栅极电压，形成电容
2、耗尽层，电子浓度Ns与空穴浓度Ps
3、反型，由弱变强 4、阈值电压
阈值电压
Cox ——单位面积氧化层电容
ΦB —— 表面反型电势（0.6伏）
NA —— 掺杂浓度
Єsi —— 介电常数
电流与电压关系
电流与电压关系
电流与电压关系
工作模式
MOS管的分类
MOS管的分类
• 以沟道反型层的情况不同，可以把 MOS
管分成 4 种类型。
• 对于 N 沟器件来说，可分为增强（或
称常闭）型和耗尽（或称常开） 型两种
。
• 对于 P 沟器件，同样存在增强（常闭
）型和耗尽（常开）型两种。
N沟 MOS管
P沟 MOS管
集成电路中的器件结构
授课人：刘 向
第 2 章中给出了二极管、双极型晶体管 和 MOS 场效应晶体管的截面剖图（见图 214 、图 2-19 和图 2-31 ）。图中显示了这些 器件的主要特征， 但这种结构不能直接用于 集成电路之中， 在集成电路中它们的结构要 复杂。