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西安理工大学 微电子学硕士课程 MOS晶体管 MOS晶体管的导通电阻 D S G 电流IDS 导通电阻：Req MOS晶体管的导通电阻 * * MOS晶体管 一. MOS晶体管 本节课主要内容 器件结构 电流电压特性 电流方程 沟道长、短沟道效应、衬底偏压效应 MOSFET MOS晶体管 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 n+ n+ p型硅基板 栅极（金属） 绝缘层（SiO2） 半 导 体 基 板 漏极 源极 N沟MOS晶体管的基本结构 源极(S) 漏极(D) 栅极(G) 源极(S) 漏极(D) 栅极(G) VG=3.3V VS=0 VD=0 栅极电压为3.3V时，表面的 电位下降，形成了连接源漏 的通路。 + + + + + + + + 3.3V + + + + + + + + 3.3V 3.3V 电流 源极(S) 漏极(D) 栅极(G) VG=3.3V VS=0 VD=3.3V 更进一步，在漏极加上3.3V的 电压，漏极的电位下降，从源 极有电子流向漏极，形成电流。 （电流是由漏极流向源极） 5V 源极(S) 漏极(D) 栅极(G) VG=0V VS=0V VD=3.3V 漏极保持3.3V的电压，而将栅极电压恢复到0V，这时表面的电位提高，源漏间的通路被切断。 ID mnCoxW 2L (VG-VTH) 2 (0VDVG-VTH) (0 VG-VTH VD) VD ID 非饱和区 饱和区 VDsat=VG-VTH mnCoxW 2L [2(VG-VTH)VD-VD2] 漏极 栅极 源极 SiO2 W L mnCoxW 2L mn ：为Si中电子的迁移率 Cox : 为栅极单位电容量 W : 为沟道宽 L : 为沟道长 Cox Cox=eox/tOX VTH 影响MOS晶体管特性的几个重要参数 MOS晶体管的宽长比（W/L) MOS晶体管的开启电压VTH 栅极氧化膜的厚度tox 沟道的掺杂浓度（NA) 衬底偏压（VBS) F A 0 S OX F FB 2 qN K 2 C 1 2 V VTH f e + f + = +VBS ( ) PMOS的IDS-VDS特性（沟道长1mm) MOS晶体管 MOS管的电流解析方程（L〉1mm) 工艺参数 与（VGS-VTH) 的平方成正比 MOS晶体管 源极(S) 漏极(D) 栅极(G) VG VD ID nMOS晶体管的I-V特性 VTH ID VG 增强型（E) VTH ID VG 耗尽型(D) 阈值电压的定义 饱和区外插VTH 在晶体管的漏源极加上接近电源VDD的电压，画出VGS-IDS的关系曲线，找出该曲线的最大斜率，此斜率与X轴的交点定义为阈值电压。 以漏电流为依据定义VTH 在晶体管的漏源极加上接近电源VDD的电压，画出VGS-Log(IDS)的关系曲线，从该曲线中找出电流为1微安时所对应的VGS定义为阈值电压。 MOS晶体管 MOS管短沟道效应 IDS W/L, L要尽可能小 短沟道效应由器件的沟道 长决定 沟道变短时，漏极能带的 影响变大，电流更易流过 沟道，使得阈值电压降低 MOS晶体管 衬底偏压效应 通常衬底偏压VBS=0, 即NMOS的衬底接地， PMOS衬底接电源。 衬底偏压VSB0时，阈值电压增大。 如果源极是浮 动的，由于衬 底效应，阈值 电压就会增大。 MOS晶体管 与栅源电压 的平方成正比 微小MOS晶体管的静态特性(沟道长小于1mm) 微小MOS晶体管 长沟道MOS晶体管 平方成正比 1至1.4次方成正比 1至1.4次方成正比 短沟道MOS晶体管 载流子的饱和速度引起的 Early Satutation 微小MOS晶体管 散乱引起速度饱和 沟道长小于1微米时，NMOS饱和 NMOS和PMOS的饱和速度基本相同 PMOS不显著 饱和早期开始 短沟道MOS晶体管电流解析式 微小MOS晶体管 微小MOS晶体管的静态特性(沟道长小于1mm) 微小MOS晶体管 NMOS 当VDSAT=1V,速度饱和 PMOS 电流是NMOS的一半 没有速度饱和 MOSFET的寄生效应 Gate Cg Cgd Cgs Cj Cj Cd SUB G S D RS CGS CGD CGB RG RD CDB CSB B 寄生电容不可忽视 寄生电阻与管子的导通电阻 （数十KW）相比，通常可 以忽略不计 例如： 栅极电容 CGS, CGD, CGB (各为1.0fF) 漏源电容 CDB, CSB (各为0.5fF) 栅极电阻 RG (