1、2010-10-8半导体半导体集成电路集成电路学校：西安理工大学学校：西安理工大学院系：自动化学院电子工程系院系：自动化学院电子工程系专业：电子、微电专业：电子、微电时间：秋季学期时间：秋季学期2010-10-8MOSFET晶体管2010-10-8 MOS晶体管本节课主要内容器件结构电流方程电流电压特性衬底偏压效应短沟道效应MOSFET的电容MOSFET的导通电阻2010-10-8MOSFETMOS晶体管的动作MOS晶体管实质上是一种使电流时而流过，时而切断的开关开关n+n+p型硅基板栅极绝缘层（SiO2）半导体基板漏极源极N沟沟MOS晶体管的基本结构晶体管的基本结构MOSFET的基本结构20
2、10-10-8MOS晶体管的符号晶体管的符号源极(S)漏极(D)栅极(G)源极(S)漏极(D)栅极(G)VDID非饱和区饱和区VGNMOSPMOS源极(S)漏极(D)栅极(G)(a)(b)NMOSPMOS源极(S)漏极(D)栅极(G)2010-10-8非饱和区的电流方程DSGSTHVVV)(xV(0) 0, ( )() ()DSox GS TH V V L VQx WC V V Vx= TGSVV ox()()GGS T GS TWLQCVV VVt= () ,dVIQx Edx = = =()DS ox GS THdVIWCVVVxdx=00()DSVVLDS ox GS THxVIdx W
3、C V V VxdV=21( ) 2DS ox GS TH DS DSWICVVVVL=2010-10-8饱和区的电流方程MOS晶体管00()GS THVVLDS ox GS THxVIdx WC V V VxdV=21()2DS ox GS THWICVVL=DSGSTHVVVTGSVV L沟道长度调制效应2010-10-8VDSID非饱和区饱和区VDSsat=VGS-VTHn+n+p型硅基板GSD21( ) 2DS ox GS TH DS DSWICVVVVL=非饱和区的电流方程:21()2DS ox GS THWICVVL=饱和区的电流方程:记住2010-10-8VDSID非饱和区饱和区
4、VDSsat=VGS-VTHID(01 m)饱和区饱和区非饱和区非饱和区1.0V1.5V2.0V2.5VIDSVGSVDS2010-10-8PMOS的 IDS-VDS特性 （沟道长1 m)2010-10-8MOS管的电流解析方程（ L 1m)工艺参数工艺参数ID(0NMOS的 ID-VG特性 (转移特性）VGS=0阈值电压的定义饱和区外插饱和区外插VTH在晶体管的漏源极加上接近在晶体管的漏源极加上接近电源电源 VDD的电压，画出的电压，画出 VGS-IDS的关系曲线，找出该曲线的的关系曲线，找出该曲线的最大斜率，此斜率与最大斜率，此斜率与 X轴的轴的交点定义为阈值电压。交点定义为阈值电压。以漏
5、电流为依据以漏电流为依据定义定义VTH在晶体管的漏源极加上接在晶体管的漏源极加上接近电源近电源 VDD的电压，画出的电压，画出VGS-Log(IDS)的关系曲的关系曲线，从该曲线中找出电流线，从该曲线中找出电流为为 1微安时所对应的微安时所对应的 VGS定定义为阈值电压。义为阈值电压。MOS晶体管2010-10-8MOS管的跨导gm（饱和区）)(THGSoxnVGSDmVVLWCVIgDS=常数表征电压转换电流的能力2010-10-8衬底偏压效应通常衬底偏压通常衬底偏压VBS=0, 即即NMOS的衬底和源都接地，的衬底和源都接地，PMOS衬底和源都接电源。衬底和源都接电源。衬底偏压衬底偏压VB
6、SGSV2010-10-8载流子的饱和速度引起的 Early Saturation微小MOS晶体管沟道长小于沟道长小于 1微米时，微米时， NMOS饱和饱和 NMOS和和 PMOS的饱和速度基本相同的饱和速度基本相同 PMOS不显著不显著饱和早期开始饱和早期开始2010-10-8短沟道效应01001.53(V/m)n(m/s)sat=105Constant velocityConstant mobility(slope = )c=引起短沟道效应的主要原因z速度饱和散射引起载流子的速度饱和(大电场作用下载流子碰撞)52010-10-8Long Channel I-V Plot (NMOS)012
7、34560 0.5 1 1.5 2 2.5ID(A)VDS(V)X 10-4VGS= 1.0VVGS= 1.5VVGS= 2.0VVGS= 2.5VLinear SaturationVDS= VGS-VTQuadraticdependenceNMOS transistor, 0.25um, Ld= 10um, W/L = 1.5, VDD= 2.5V, VT= 0.4Vcut-off2010-10-8Short Channel I-V Plot (NMOS)00.511.522.500.511.522.5ID(A)VDS(V)X 10-4VGS= 1.0VVGS= 1.5VVGS= 2.0VVGS= 2.5VLineardependenceNMOS transistor, 0.25um, Ld= 0.25um, W/L = 1.5, VDD= 2.5V, VT= 0.4VEarly VelocitySaturationLinear Saturation
