北大集成电路原理与设计之一：数字集成电路原理与设计课件03集成电路中的元器件-MOS器件

集成电路原理与设计MOS器件GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware器件模型3.1.1MOS晶体管阈值电压分析3.1.2MOS晶体管电流方程3.2.1MOS晶体管的亚阈值电流3.2.2MOS晶体管的瞬态特性3.2.3MOS器件模型GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware晶体管的结构MOS晶体管的结构和原理GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware©FoxitSoftware=0VGSVTF垂直方向能带图GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware=0EcEiEFEvVDSDS0nSiO2SiO2n+n+SDLp-SitoxxjGGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware的输入、输出特性曲线GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware晶体管阈值电压分析阈值电压的定义：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。GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware(ofcarriers)Drain(ofcarriers)|VGS||VGS||VT||VGS||VT|Open(off)(Gate=‘0’)Closed(on)(Gate=‘1’)RonGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware半导体表面达到强反型的栅压--VTGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware、阈值电压公式(假设NMOS源端和衬底接地)VFB对应半导体平带电压Vox对应栅氧化层上的压降对应半导体表面耗尽层上的压降soxFBTVVVsGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware=(kT/q)ln(NA/ni)(NMOS)φF=-(kT/q)ln(ND/ni)(PMOS)oxBmFFBTCQVV2soxFBTVVV阈值电压：耗尽层压降－表面势GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware对应栅氧化层上的压降（NMOS）QBM=–[2є0єSiqNA(2φF)]1/2Cox=є0єox/toxoxBmFFBTCQVV2soxFBTVVV阈值电压：氧化层压降SiO2SiO2n+n+SDLp-SitoxxjGGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftwareVFB：半导体平带电压栅氧化层中的可动电荷和固定电荷以及界面态电荷栅材料和硅衬底之间的功函数差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oxBmFFBTCQVV2VGS＝0，Qox＝00)(msFBGSVVGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware22oxACqNSi02假设衬底和源端等电位如果衬底和源端之间有电压，阈值电压会发生变化，也称为衬偏效应SiO2SiO2n+n+SDLp-SitoxxjGGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware对阈值影响NMOS器件一般加负的衬底偏压，即VBS0，保证源和衬底之间pn结反偏隔离这样耗尽层展宽，阈值电压公式中耗尽层电荷增加，阈值电压增加)2(20'BSFAsiBmVqNQoxBmFFBTCQVV'2GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware22oxACqNSi02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)22(0FBSFTTTVVVVFFFBTVV220GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware不同衬底掺杂浓度下，衬底偏压引起阈值电压的变化BSFBTVVVFF22oxACqNSi02)22(0FBSFTTTVVVVGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware(V)AnegativebiasVbs=2.5V，causesVTtoincreasefrom0.45Vto0.85VGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware体效应的应用电路中不是所有器件的源和衬底均能够短接，这个时候体效应引起阈值电压的变化，影响电路性能动态阈值控制电路中，利用衬底偏压调节阈值，满足高速和低功耗不同应用的需要GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware：可变阈值的方法利用MOS器件的体效应，通过调整衬底偏压动态改变器件的阈值电压正向偏置FBB（ForwardBodyBias），对NMOS器件来说，源端接地，则提高衬底电位，降低阈值反向偏置RBB（ReverseBodyBias），提高阈值，降低静态泄漏零偏置ZBB（ZeroBodyBias），正常使用，不加衬底偏置GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware器件模型3.1.1MOS晶体管阈值电压分析3.1.2MOS晶体管电流方程3.2.1MOS晶体管的亚阈值电流3.2.2MOS晶体管的瞬态特性3.2.3MOS器件模型GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware晶体管的电流电压特性漏电压对MOS特性的影响简单电流方程亚阈值区电流方程GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware、漏电压对MOS特性的影响栅电压高于阈值电压，沟道区形成导电沟道加上漏电压Vds，形成横向电场，NMOS沟道电子定向运动线性区GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware特性的影响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GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware©FoxitSoftware推导电流方程的一些近似处理缓变沟道近似强反型近似只考虑漂移运动，忽略扩散电流假定载流子的表面迁移率是常数利用薄层电荷近似GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware©FoxitSoftware根据高斯定理：)()(2)()()()()(2)()()(0yVVVCCQyVVVCQyQyQyQyQyVVVyVyVCEyQTGSoxoxBmFFBGSoxBmsBscFFBGSoxoxoxxsis源端和衬底接地GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware根据欧姆定律：()(),DeffcdVyIWQydym))(()(yVVVCyQcTGSoxc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，沟道连续（0－L），Vc(y)为（0－Vds）得到线性区电流方程GeneratedbyFoxitPDFCreator©Foxit