1、1第一章MOS晶體管工作原理 1-1 MOS晶體管的結構特點和基本原理 1-2 MOS晶體管的閾值電壓分析 1-3 MOS晶體管的電流方程 1-4 MOS晶體管的瞬態(tài)特性 補充：1-5 MOS晶體管的其它電學參數(shù)1第1頁/共38頁21-1-1MOS晶體管的基本結構 MOS晶體管: 金屬-氧化物-半導體場效應晶體管MOSFET 基本結構： 柵,源區(qū) ,漏區(qū),溝道區(qū) 主要結構參數(shù)： 溝道長度L 溝道寬度W 柵氧化層厚度tox 源漏區(qū)結深 Xj第2頁/共38頁MOS晶體管3第3頁/共38頁41-1-2 MOS管基本工作原理 工作原理-柵壓控制器件 Vgs=0，截止 0 Vgs V t 開啟 情況1：

2、Vds=0 情況2： Vds0 轉移特性曲線 (漏級電流，柵壓，漏壓，閾值電壓） 輸出特性曲線(I-V曲線)截止區(qū)，線性區(qū)，飽和區(qū)，擊穿區(qū) 問題：為什么MOS晶體管也叫單極晶體管？ 第4頁/共38頁三維能帶圖5第5頁/共38頁61-1-3 MOS晶體管的分類 按導電類型： NMOS管： N溝道 MOS晶體管 PMOS管： P溝道 MOS晶體管 按工作機制分： 增強型器件：（也叫常截止器件） 耗盡型器件：（也叫常導通器件） 圖1-1-7第6頁/共38頁7分類第7頁/共38頁81-1-4 MOS晶體管的結構特點p 結構簡單面積小-便于集成 輸入阻抗很高-級間可以直接耦合 源漏對稱-電路設計靈活 有

3、效工作區(qū)集中在表面，和襯底隔離 第8頁/共38頁9第一章MOS晶體管工作原理 1-1 MOS晶體管的結構特點和基本原理 1-2 MOS晶體管的閾值電壓分析 1-3 MOS晶體管的電流方程 1-4 MOS晶體管的瞬態(tài)特性第9頁/共38頁101-2 MOS管的閾值電壓分析 閾值電壓定義：使溝道區(qū)源端半導體表面達到強反型所需要的柵壓。（形成表面溝道所需要的最小電壓。） 閾值電壓V t：決定MOS管狀態(tài)的關鍵。 Vgs V t：導通態(tài)。 第10頁/共38頁111-2-1 影響閾值電壓的因素 定義：V t= Vgs |表面強反型時 表達式： V t= V FB+2F-QBm/Cox 電壓降在平帶電壓，強

4、反型電壓，耗盡層壓降 計算：將公式1-1-3到1-2-8代入上式第11頁/共38頁12) 1 . 2 . 1 ( 2oxBmFBTFCQVV) 2 . 2 . 1 ( lniFnqk0FBmA2(2 )SiQ- qN(1.2.6) CQ-VOXOXMSFB(1.2.5) 0 tCoxoxoxVB=第12頁/共38頁13影響V t的基本因素 1，材料： 金屬類型MS ，氧化層中的電荷QOX 半導體溝道區(qū)摻雜濃度NA 半導體材料參數(shù) ni ; i i 2，氧化層厚度：越厚則閾值電壓越大 3，溫度：溫度上升，閾值電壓下降 4，和器件的橫向尺寸無關 *調整考慮： 降低。以便降低芯片耗電。 控制器件類型

5、 平衡對偶器管子（CMOS）第13頁/共38頁141-2-2 體效應對閾值電壓的影響 體效應：源區(qū)和襯底電壓Vbs不是0時，產生體效應。 例如： NMOS管Vbs =VDSAT21)( 2DSDSTGSDV-V-VVI -VVVTGSDsat CeLWoxff第22頁/共38頁23簡單方程第23頁/共38頁24夾斷現(xiàn)象第24頁/共38頁251-3-3 飽和區(qū)溝道長度調制效應現(xiàn)象：圖1-3-7，實際IV特性飽和區(qū)電流不飽和原因：圖1-3-8對電流方程的修正：在下式中off oxeffWC L(1.3.26) L LLeff (1.3.27) V LLDS(1.3.28) )1 ( VLLDSef

6、f(1.3.29) )1 ()(2DSTGSDV -VVKI第25頁/共38頁26溝道長度調制效應第26頁/共38頁27第一章MOS晶體管工作原理 1-1 MOS晶體管的結構特點和基本原理 1-2 MOS晶體管的閾值電壓分析 1-3 MOS晶體管的電流方程 1-4 MOS晶體管的瞬態(tài)特性第27頁/共38頁281-4 MOS晶體管的瞬態(tài)特性 1-4-1 MOS晶體管的本征電容 定義：由溝道區(qū)內的耗盡層電荷和反型層電荷隨外電壓變化引起的電容。 1-4-2 MOS晶體管的寄生電容 源漏區(qū)PN結電容：CjSB、CjDB，圖1-4-6 覆蓋電容： CGS、CGD, 圖1-4-7, CGB,圖1-4-9,

7、 1-4-3 MOS晶體管瞬態(tài)分析的等效電路* 大信號瞬態(tài)模型：圖1-4-10 簡化模型：圖1-4-11 1-4-4 MOS晶體管的本征頻率* 本征頻率fM , 是晶體管的最高工作頻率 結論：頻率和溝道長度的平方成反比：L下降，速度提高。第28頁/共38頁29本征電容，源漏區(qū)結電容第29頁/共38頁30覆蓋電容第30頁/共38頁31大信號瞬態(tài)模型，簡化模型第31頁/共38頁32第一章MOS晶體管工作原理 1-1 MOS晶體管的結構特點和基本原理 1-2 MOS晶體管的閾值電壓分析 1-3 MOS晶體管的電流方程 1-4 MOS晶體管的瞬態(tài)特性 補充：1-5 MOS晶體管的其它電學參數(shù)第32頁/

8、共38頁33補充：1-5MOS晶體管的其它電學參數(shù)1閾值電壓 VT漏極電流 ID工作速度跨導溝道電阻其它第33頁/共38頁34補充：1-5MOS晶體管的其它電學參數(shù)2工作速度 切換時間：電子從源到漏的所需要的時間 公式： = L= L2 2/(/(* *V VDSDS) ) 跨導 Gm=(dIDS/dVGS)|VDS不變圖1-1-5溝道電導 Gd=(dIDS/dVDS)|VGS不變圖1-1-6第34頁/共38頁35補充：1-5MOS晶體管的其它電學參數(shù)2 導電因子、增益因子n導電因子K因子、本征導電因子Kn結論：導電因子由工藝參數(shù)K和設計參數(shù)W/L決定。(1.3.22) 21LWCKoxeff(1.3.25) 21 C ,KLWKKoxoff CLWoxeff21)( 2DSDSTGSDV-V-VVI第35頁/共38頁36第一章小結 MOS晶體管的結構特點和基本原理 MOS晶體管的閾值電壓和影響因素 MOS晶體管的簡單電流方程和輸出曲