第3章 第1讲 MOS的阈值电压和电流
mos管阈值电压与温度
mos管阈值电压与温度Mos管是一种常见的电子器件，广泛应用于各种电路中。
而mos 管的阈值电压与温度是两个重要的参数，对于mos管的工作性能和稳定性有着重要的影响。
我们来了解一下mos管的基本结构和原理。
mos管是一种双极性晶体管，其由源极、漏极和栅极三个电极组成。
mos管的工作原理是通过控制栅极电压来改变漏极与源极之间的电流。
而mos管的阈值电压则是指在栅极电压达到一定值时，mos管开始导通的电压。
阈值电压是mos管的一个重要参数，它决定了mos管的导通特性和工作状态。
当栅极电压低于阈值电压时，mos管处于截止状态，漏极与源极之间的电流几乎为零；当栅极电压高于阈值电压时，mos管开始导通，漏极与源极之间的电流随栅极电压的增加而增大。
因此，mos管的阈值电压直接影响了mos管的导通能力和工作范围。
然而，mos管的阈值电压并不是一个固定的值，它会受到温度的影响而发生变化。
通常情况下，mos管的阈值电压会随着温度的升高而增加。
这是因为温度升高会导致电子与空穴的热激发增加，进而增加了导电能力。
而mos管的阈值电压是由栅极与基体之间的pn 结的电势差决定的，当温度升高时，pn结的电势差会增大，从而使阈值电压升高。
对于mos管的设计和应用来说，准确地了解并控制阈值电压是非常重要的。
因为阈值电压的变化会直接影响mos管的导通特性和工作范围。
在具体的电路设计中，我们通常会根据实际需求来选择合适的mos管，以保证电路的正常工作。
而在实际应用中，我们还需要考虑温度对mos管的影响，特别是在高温环境下，需要注意阈值电压的变化，以确保mos管的稳定性和可靠性。
为了准确地了解mos管的阈值电压与温度之间的关系，我们可以通过实验或仿真来获取数据。
通过收集不同温度下的阈值电压数据，我们可以绘制出阈值电压与温度之间的关系曲线。
根据这个曲线，我们可以得到在不同温度下mos管的阈值电压值，从而更好地进行电路设计和应用。
mos管的阈值电压与温度是两个重要的参数，它们对mos管的工作性能和稳定性有着重要的影响。
0.13um mos的阈值电压
0.13um mos的阈值电压0.13um MOS的阈值电压摘要：本文主要讨论0.13um MOS（MOS即金属-氧化物-半导体）器件的阈值电压。
首先，我们将介绍MOS器件的基本原理和结构。
然后，我们将重点关注0.13um MOS器件的设计和制造过程，并详细解释阈值电压的概念。
最后，我们将探讨0.13um MOS器件的阈值电压调整方法以及其在电子工业中的应用。
引言：MOS器件是一种常用的半导体器件，广泛应用于数字电路、模拟电路和混合信号电路等领域。
阈值电压是MOS器件的一个重要参数，它决定了器件工作的起始点和电流传输特性。
因此，了解和控制阈值电压对于实现高性能、高集成度和低功耗的电子设备至关重要。
一、MOS器件的基本原理和结构MOS器件由金属-氧化物-半导体组成，其工作原理是通过改变栅极电压来调节沟道中的电流传输。
在MOS器件中，金属电极被用作栅极，氧化物用作绝缘层，半导体材料用作沟道。
具体而言，当栅极电压为正时，栅极电场会使得沟道中的自由电子聚集，形成导通通道，电流可以通过。
反之，当栅极电压为负时，栅极电场会排斥沟道中的自由电子，导通通道关闭，电流无法通过。
这种通过栅极电压调控电流传输的机制，使得MOS器件能够实现电流的开关控制。
二、0.13um MOS器件的设计和制造过程0.13um MOS器件是一种亚微米级别的器件，其制造和设计过程相较于传统的1um MOS器件具有更高的复杂性和挑战性。
制造过程涉及光刻、沉积、掺杂、蚀刻、退火等多个步骤，通过这些步骤可以制备出精确的器件结构。
设计过程中，需要考虑器件的尺寸、材料、栅极电压等因素，以满足特定的应用需求。
其中，栅极电压的设定对于器件的工作性能和特性具有重要影响。
阈值电压就是一个与栅极电压相关的参数，它可以用来衡量器件的开关特性。
三、阈值电压的概念阈值电压通常用Vth表示，它是指当MOS器件的栅极电压等于阈值电压时，沟道中的电流为零。
换句话说，当栅极电压小于阈值电压时，MOS 器件处于截止（Off）状态；当栅极电压大于阈值电压时，MOS器件处于饱和（On）状态。
MOS器件阈值电压
Qb max ( y ) 2q 0 si N B ( 2 F V y VSB )
because
VGB VGS VSB
使沟道任意一点强反型时的栅源电压为
Qb max ( y ) VGS VFB 2 f V y Cox
阈值电压定义为源端反型时的栅源电压：
Xd max
x
注入剂量，单 位面积（每平 方厘米）离子 数目
阈值电压的设计（3）
Delta近似：认为是在氧化层－半导体界面引入 附加的固定电荷，类似氧化物固定电荷的分析， 可以得到由于注入引起的阈值电压的漂移为：
QI qDI V T C ox C ox
＋：注入受主杂质，B －：注入施主杂质，P
MOSFET与MOS电容的不同（3）
VGS>VT
Channel S
VDS>0
IDS
n+
p-substrate
n+
B
VBS
NMOS 反型层和耗尽区
MOSFET电压－电荷关系
VGB VFB Qs ( y ) s ( y ) C ox
s ( y )、 Qs ( y ) ？
如何得到
在一定的近似条件下求解二维泊松方程：
s ( y ) 2F VCB ( y )
定义VY为沟道Y点相对于源端的电势：
Vy VCB (Y ) VSB
0 VY VDS
Y 0 Y L
thus
s ( y) 2 f Vy VSB
MOSFET的表面势（4）
强反型时的栅体电压为
VGB VFB 2 f V y VSB Qb max ( y ) C ox
影响阈值电压的因素： Tox
mos管关断阈值电压
mos管关断阈值电压摘要：一、mos管的基本概念和特性二、mos管的关断阈值电压三、关断阈值电压的影响因素和应用四、如何测量和优化mos管的关断阈值电压五、结论正文：一、mos管的基本概念和特性MOS管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管）是一种广泛应用于集成电路（IC）中的半导体器件。
它具有高输入阻抗、低噪声、低失真等优点，因此在电子设备中发挥着重要作用。
MOS管的特性主要取决于其工作电压、阈值电压、沟道长度等因素。
二、mos管的关断阈值电压在MOS管中，关断阈值电压（Vth）是一个关键参数。
它是指在栅源电压（Vgs）达到一定值时，MOS管从关断状态转变为导通状态的电压。
换句话说，当Vgs大于Vth时，MOS管开始导通，允许电流流过；当Vgs小于Vth 时，MOS管处于关断状态，电流不会流过。
三、关断阈值电压的影响因素和应用关断阈值电压Vth受多种因素影响，包括半导体材料的性质、沟道长度、栅氧化层厚度等。
在实际应用中，优化MOS管的Vth具有重要意义。
较低的Vth可以降低功耗、提高开关速度，但同时也可能引入噪声和失真。
较高的Vth则有利于降低噪声和失真，但可能增加功耗和影响开关速度。
四、如何测量和优化mos管的关断阈值电压测量MOS管的关断阈值电压Vth通常采用半导体参数测试仪、脉冲发生器等设备。
在实验室环境中，可以通过改变栅源电压Vgs，观察漏极电流Id的变化，从而确定Vth。
在实际应用中，可以通过以下方法优化MOS管的Vth：1.选择合适的半导体材料：不同材料的半导体具有不同的Vth特性，可根据具体应用选择适合的材料。
2.调整沟道长度：较短的沟道长度可以降低Vth，但同时可能引入短沟道效应，影响器件稳定性。
3.优化栅氧化层厚度：较薄的栅氧化层可以降低Vth，但可能增加漏极电流和噪声。
4.采用先进的制造工艺：先进的制造工艺有助于降低Vth，同时提高器件性能。
mosfet的主要参数
mosfet的主要参数MOSFET的主要参数MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）是一种常用的功率开关器件，广泛应用于电子设备中。
在选择和使用MOSFET时，了解其主要参数是非常重要的。
本文将介绍MOSFET的主要参数，并解释其在电路设计中的作用。
1. 阈值电压（Vth）：阈值电压是指MOSFET在控制端（Gate）和源极（Source）之间的电压，当该电压超过阈值电压时，MOSFET将开始导通。
阈值电压是决定MOSFET导通和截止的重要参数，对于控制MOSFET的开关特性非常关键。
2. 最大漏极电流（Idmax）：最大漏极电流是指MOSFET在导通状态下能够承受的最大漏极电流。
超过这个电流，MOSFET可能会受损或过载。
根据所需的电流要求，选择具有足够大的最大漏极电流的MOSFET是非常重要的。
3. 最大漏极-源极电压（Vdsmax）：最大漏极-源极电压是指MOSFET可以承受的最大漏极-源极电压。
超过这个电压，MOSFET可能会被击穿而损坏。
在选择MOSFET 时，应考虑所需的工作电压范围，并选择具有足够高的最大漏极-源极电压的器件。
4. 开启电阻（Rds(on)）：开启电阻是指MOSFET在导通状态下的电阻值。
它是决定MOSFET导通时功耗和效率的重要参数。
开启电阻越小，MOSFET 导通时的功耗就越低，效率就越高。
因此，在功率开关电路中，选择具有较小开启电阻的MOSFET可以提高系统的效率。
5. 共源极电容（Coss）：共源极电容是指MOSFET的源极与栅极之间的电容。
它是影响MOSFET开关速度和开关损耗的重要参数。
较大的共源极电容会导致更长的开关时间和更高的开关损耗。
因此，在高频应用中，选择具有较小共源极电容的MOSFET可以提高系统的性能。
6. 输出电容（Cout）：输出电容是指MOSFET的漏极与源极之间的电容。
它是影响MOSFET开关速度和开关损耗的另一个重要参数。
较大的输出电容会导致更长的开关时间和更高的开关损耗。
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。
MOS晶体管PPT演示文稿
图2.1.1 NMOS晶体管
•10
图2.1.2 NMOS管截面图
•11
图2.1.3 实际的NMOS管衬底引线
•12
（a）增强型
（b）耗尽型
图2.1.4 MOS管在电路中的符号
耗尽型MOS管与增强型MOS管不同之处在于，耗尽型MOS管
在vGS=0时，导电沟道已经存在，它是通过加工过程中的离子注
图2.2.1 导电沟道没有形成
•15
图2.2.2 栅-源电压vGS控制导电沟道宽窄
•16
（a） vDSvGSVT
•17
（b） vDSvGSVT
•18
（c） vDSvGSVT
图2.2.3 NMOS管的工作状态示意图
•19
2.3 MOS晶体管的电流电压关系
1、非饱和区（线性电阻区）
IDK W L vG SV TvD S1 2vD2S （2.3.8）
[3] 陈中建主译. CMOS电路设计、布局与仿真.北京：机械工 业出版社，2006.
[4]（美）Wayne Wolf. Modern VLSI Design System on Silicon. 北京：科学出版社，2002.
[5] 朱正涌. 半导体集成电路. 北京：清华大学出版社，2001. [6] 王志功，沈永朝.《集成电路设计基础》电子工业出版
•8
2.1 MOS晶体管结构
根据导电沟道的不同，MOS晶体管可分为P沟道MOS晶体 管（简称为PMOS管）和N沟道MOS晶体管（简称为NMOS管）， 而根据在没有外加电压条件下导电沟道形成与否又可分为耗尽型 MOS管和增强型MOS管。
图2.1.1所示的是一只增强型NMOS管，它是在适度掺杂的 P型衬底上制作两个掺杂浓度较高的N型区，分别作为漏区和源 区，在漏区和源区之的区域上面制作一层绝缘层（一般是二氧 化硅物质），绝缘层上面沉积一层多晶硅作为栅区。我们把源区 和漏区两个掺杂区之间的距离称为沟道长度L，而垂直于沟道长 度的有效源漏区尺寸称为沟道宽度W。
第3章 第1讲 MOS的阈值电压和电流
40
工作区 截止区 线性区
饱和区
MOS管的工作状态
NMOS
PMOS
VGS ≤ VT
VGS > VT VDS < VGS-VT
VGS > VT VDS ≥ VGS-VT
VGS ≥ VT
VGS < VT VDS > VGS-VT
VGS < VT VDS ≤ VGS-VT
42
43
44
工作区
NMOS
本征阈值：理想器件 （平带电压为0）的阈值 电压
V
' T
2F
QBm Cox
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
VT
VFB
2F
QBm Cox
φF =(kT/q)ln(NA/ni) φF =-(kT/q)ln(ND/ni)
(NMOS) (PMOS)13
PMOS
截止区 线性区 饱和区
VGS ≤ VT
VGS > VT VDS < VGS-VT
VGS > VT VDS ≥ VGS-VT
VGS ≥ VT
VGS < VT VDS > VGS-VT
VGS < VT VDS ≤ VGS-VT
45
阈值电压和导电因子的测量
VT=VGS(ID=10-7A) 导电因子 利用饱和区电流公式
Open (off) (Gate = ‘0’)
| VGS | < | VT |
Closed (on) (Gate = ‘1’)
Ron
| VGS | > | VT |
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为（0－Vds）
Qc ( y) Cox (VGS VT Vc ( y))
得到线性区电流方程
37
在VDS较小时，从源到漏都存在导电沟道， 根据电流连续，两边积分得到线性区电流：
线性区电流：I D
VGS
VT
VDS
1 2
VDS
2
VGS VT VDS , VDS 很小时。
VGS－VT，代入线性 区电流公式，得到饱
ID 2
VGS VT
2
和区电流
VDsat VGS VT
39
电流方程：端电压形式
ID
K
VG
VT
VS
2
VG
VT
VD
2
K
1 2
eff
Cox
W L
1 K'W 2L
,
K ' eff Cox
➢导电因子：K因子 ➢本征导电因子：K‘ ➢端电压形式的电流方程体现了MOS器件的源漏对称的特点
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
VT
VFB
2F
QBm Cox
VFB MS Qox
Cox
MS
Fploy
F
n 硅栅：MS 0.55 F p 硅栅：MS 0.55 F
2
MOS晶体管的结构
MOS晶体管的结构
G
S
多晶硅 有源区 金属
W
D
L
G
S
tox D
SiO2 n+
n+ SiO2
L
xj
p-Si
3
MOSFET的输入、输 出特性曲线
4
Switch Model of NMOS Transistor
| VGS |
Source (of carriers)
Gate
Drain (of carriers)
20
N 型半导体
21
P 型半导体
22
PN 结的形成
多数载流子的扩散运动
23
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
33
2 简单电流方程
34Βιβλιοθήκη 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：
VT VFB Vox s
VT
VFB
QBm Cox
2F
φF 是衬底费米势
G
+
S VG
S-
n+
D n+
n chann el
p substrate
B
depletion region
φF =(kT/q)ln(NA/ni)
(NMOS)
φF =-(kT/q)ln(ND/ni)
(PMOS)
PMOS
截止区 线性区 饱和区
VGS ≤ VT
VGS > VT VDS < VGS-VT
VGS > VT VDS ≥ VGS-VT
VGS ≥ VT
VGS < VT VDS > VGS-VT
VGS < VT VDS ≤ VGS-VT
45
阈值电压和导电因子的测量
VT=VGS(ID=10-7A) 导电因子 利用饱和区电流公式
15
2
qN 0 Si
A
Cox
不同衬底掺杂浓度 下，衬底偏压引起 阈值电压的变化
VT VT VT0 ( 2F VBS 2F )
φF =(kT/q)ln(NA/ni) φF =-(kT/q)ln(ND/ni)
(NMOS) (PMOS) 16
17
长沟道MOS器件模型
Open (off) (Gate = ‘0’)
| VGS | < | VT |
Closed (on) (Gate = ‘1’)
Ron
| VGS | > | VT |
5
MOS晶体管阈值电压分析
G
VGS
+
S
D
-
n+
n+
n channel p substrate
depletion region
阈值电压的定义：
集成电路原理与设计
3.1 MOS的阈值电压和电流
长沟道MOS器件模型
➢ 3.1.1 MOS晶体管阈值电压分析 ➢ 3.1.2 MOS晶体管电流方程 ➢ 3.2.1 MOS晶体管的亚阈值电流 ➢ 3.2.2 MOS晶体管的瞬态特性 ➢ 3.2.3 MOS交流模型 ➢ 3.2.4 MOS晶体管的特征频率
VT
VFB
2F
QBm Cox
VFB MS Qox
Cox
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＝0
VGS VFB (ms ) 0
10
影响阈值电压因素：1、栅电极材料
8
阈值电压：氧化层压降 S
G
tox D
VT VFB Vox s
VT
VFB
QBm Cox
2F
SiO2 n+
n+ SiO2
L
xj
p-Si
QBM/Cox对应栅氧化层上的压降（NMOS）
QBM= –[2є0єSiqNA(2φF)]1/2
Cox= є0єox /tox
9
VFB：半导体平带电压
导电因子β
=W L
eff Cox
38
饱和区电流
当漏压增大到一定程
ID
VGS
VT
VDS
1 2
VDS
2
度，漏端沟道夹断， 器件进入饱和区
VGS VT VDS ,
=W
L
eff Cox
VDS 很小时。
夹断点处的电压称为
漏饱和电压VDsat＝
ID KVGS VT 2
ID K (VGS VT )
46
作业
1.什么是阈值电压？影响阈值电压的因 素有哪些？
2.什么是衬偏效应？ 3.
4
5
47
40
工作区 截止区 线性区
饱和区
MOS管的工作状态
NMOS
PMOS
VGS ≤ VT
VGS > VT VDS < VGS-VT
VGS > VT VDS ≥ VGS-VT
VGS ≥ VT
VGS < VT VDS > VGS-VT
VGS < VT VDS ≤ VGS-VT
42
43
44
工作区
NMOS
Cox VGS VT V ( y)
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
xi
Qc ( y) q 0 n(x, y)dx
ID
W eff
Qc ( y)
dV ( y) , dy
连续（0－L）， Vc(y)
14
2、体效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
VT0 VFB 2F 2F
VT VFB 2F 2F VBS
2
qN 0 Si
A
Cox
VT VT VT0 ( 2F VBS 2F )
2、体效应对阈值电压的影响
衬底偏压为0时的阈值电压
假设衬底和 源端等电位
VT0 VFB 2F
2F
如果衬底和 源端之间有
VT VFB 2F
2F VBS
电压，阈值 电压会发生 变化，也称
体效应系数
2
qN 0 Si
A
Cox
为衬偏效应 NMOS器件一般加负的衬底偏压，即VBS<0
Qs ( y) 0 si Ex CoxVox ( y) Vox ( y) VGS VFB 2F V ( y)
Qc ( y) Qs ( y) QB ( y) Qs ( y) QBm
Cox VGS
VFB
2 F
V
( y)
QBm Cox
B
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-- VT
1、阈值电压公式(假设NMOS 源端和衬底接地)
VT VFB Vox s
VFB对应半导体平带电压 Vox对应栅氧化层上的压降
s 对应半导体表面耗尽层上的压降