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1、2023/7/7,1,集成电路CAD,2023/7/7,MOSFET晶体管,2023/7/7,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,2023/7/7,MOSFET,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,绝缘层（SiO2）,半导体基板,漏极,源极,N沟MOS晶体管的基本结构,MOSFET的基本结构,2023/7/7,MOS晶体管的符号,NMOS,PMOS,(a),(b),NMOS,PMOS,2023/7/7,非饱和区的电流方程,2023/7/7,
2、饱和区的电流方程,MOS晶体管,沟道长度调制效应,2023/7/7,非饱和区的电流方程:,饱和区的电流方程:,记住,2023/7/7,ID,(0VDSVGS-VTH),(0 VGS-VTH VDS),NMOS晶体管的I/V特性-1,2023/7/7,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,导电因子,常令 KnmnCox,KpmpCox,2023/7/7,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),VTH,VTH,NMOS的IDS-VDS特性（沟道长1mm),饱和区,非饱和区,1.0V,1.5V,2.0
3、V,2.5V,IDS,VDS,VGS,2023/7/7,PMOS的IDS-VDS特性（沟道长1mm),2023/7/7,MOS管的电流解析方程（L1mm),工艺参数,ID,(0VDSVGS-VTH),(0 VGS-VTH VDS),沟道长度调制系数,VTH 阈值电压,2023/7/7,nMOS晶体管的I-V特性,NMOS晶体管的I/V特性-2（转移特性）,VTH,ID,VG,ID,VG,增强型（E),耗尽型(D),NMOS的ID-VG特性(转移特性）,VGS=0,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
4、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。,2023/7/7,MOS管的跨导gm（饱和区）,表征电压转换电流的能力,2023/7/7,衬底偏压效应,通常衬底偏压VBS=0,即NMOS的衬底和源都接地，PMOS衬底和源都接电源。衬底偏压VBS0时，阈值电压增大。,MOS管短沟道效应,IDS 正比于 W/L,L要尽可能小当沟道长度变短到可以与源漏的耗尽层宽度相比拟时，发生短沟道效应。栅下耗尽区电荷不再完全受栅控制，其中有一部分受源、漏控制，并且随着沟
5、道长度的减小，受栅控制的耗尽区电荷不断减少，因此，只需要较少的栅电荷就可以达到反型，使阈值电压降低,2023/7/7,载流子的饱和速度引起的 Early Saturation,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,2023/7/7,短沟道MOS晶体管电流解析式,2023/7/7,微小MOS晶体管的静态特性(沟道长小于1mm),NMOS当VDSAT=1V,速度饱和,PMOS迁移率是NMOS的一半一般没有速度饱和,2023/7/7,MOSFET的电容,2023/7/7,MOSFET栅极电容,CGSO和CGDO交叠电容，由源漏横向扩散形
6、成，值一定大多数情况下，忽略电压的影响，CG近似为CoxWL。根据MOSFET的工作区域，CGC分配给CGD,CGS和CGB。,2023/7/7,MOSFET栅极电容(cont.),截止区：沟道未形成，CGD=CGS=0,CGB=CG CoxWL,2023/7/7,MOSFET栅极电容(cont.),非饱和区：沟道形成，相当于D、S连通，CGD=CGS(1/2)CoxWL CGB=0,Gate,P_SUB,n+S,n+D,CGB,CGDO,CGSO,非饱和区(VGSVTH,VDS VGS-VTH),2023/7/7,MOSFET栅极电容(cont.),饱和区：漏端沟道夹断，CGB=0，CGD=
7、0 CGS(2/3)CoxWL,Gate,P_SUB,n+S,n+D,CGC,CGDO,CGSO,饱和区(VGSVTH,VDS VGS-VTH),2023/7/7,MOS晶体管的扩散(PN结)电容,MOSFET的导通电阻,源极：载流子（电子）的供给源漏极：载流子（电子）的排出口,D：漏极,S：源极,G：栅极,B：衬底,导通电阻：10KW/mm2,VDD:0.25mm的管子为2.5V 0.18mm的管子为1.8V,导通,截至,阈值电压:VTH0.2VDD(e.g.0.4V),0V,2023/7/7,MOS晶体管的导通电阻,2023/7/7,导通电阻是一个非线性电阻，与器件的工作状态有关,平均电阻一般取0.75R0在非饱和区，导通电阻近似为线性电阻 即Ron=1/gm导通电阻反比于（W/L)，W每增加一倍，电阻减小一半,2023/7/7,作业：1.请画出晶体管的ID-VDS特性曲线，指出饱和区和非饱和区的工作条件及各自的电流方程（忽略沟道长度调制效应和短沟道效应）。2.写出考虑沟道调制效应时饱和区电流方程式。,
