第三章mos集成电路器件基础

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1、第三章MOS集成电路器件基础3.1MOSFET的结构与符号∑NMOS管的简化结构°P型硅衬底（P-Substrate,BulkorBody）+°源区和漏区（重掺杂N区）°栅级（重掺杂多晶硅区）/栅极薄氧化层V导电沟道（Channel）：栅极薄氧化层下的衬低表面3.1MOSFET的结构与符号∑衬底连接/互补CMOS¾为使MOS管的电流只在导电沟道中沿表面流动，源区/漏区以及沟道和衬底之间必须形成反向偏置的PN结隔离。正电源地PMOS管NMOS管¾在互补型CMOS中，在同一衬底上制作NMOS和PMOS，因此必须为PMOS做一个称之为“阱(We

2、ll)”的“局部衬底”。地正电源3.1MOSFET的结构与符号∑增强型和耗尽型MOS管¾在栅-源极电压（栅偏置）为零时截止（即不导电）的期间称为增强型器件；而在栅偏置为零时就导通的器件称为耗尽型器件。∑MOS管符号3.2MOSFET的电流电压特性VMOS管是一种多数载流子器件。在这种器件中，漏-源间导电沟道中的电流受栅极上的电压控制。°NMOS管中，多数载流子是电子，相对于衬底加在栅极上的正电压会增加沟道中电子的数量，即会增强沟道的导电性。当栅极电压小于开启电压或阈值电压（ThresholdVoltage）UTH时，不会形成导电沟道，此N

3、MOS管的转移特性曲线时源-漏间的电流极小。°PMOS管的工作原理与NMOS管一样，只是多数载流子是空穴，栅极相对于衬低是负电压。3.2MOSFET的电流电压特性∑MOS管的输出特性°栅极电压UGS对漏极电流ID有明显的控制作用（UGS>UTH时）。°漏极电压U对漏极电流IDSD的控制作用分成线性区和恒流（饱和）区两段。增强型NMOS管的输出特性V线性区与恒流区是以预夹断点的连线为分界线的。线性区：预夹断：恒流区：UU−UDSGSTHDSGSTHDSGSTH3.2MOSFET的电流电压特性∑MOS管的电流方程¾NMO

4、S管在截止区、线性区和恒流区的电流方程如下：0UGSUGS−UTH2⎝L⎠恒流区3.2MOSFET的电流电压特性∑MOS管的电流方程¾PMOS管在截止区、线性区和恒流区的电流方程如下：

5、U

6、<

7、U

8、0GSTH截止区µpCox⎛W⎞2I=−⎜⎟[]2()UGS−UTHPUDS−UDS

9、UDS

10、<

11、UGS

12、−

13、UTH

14、DN2L⎝⎠线性区µpCox⎛W⎞2

15、U

16、

17、>

18、U

19、−

20、U

21、−⎜⎟()UGS−UTHP()1+λpUDSDSGSTH2⎝L⎠恒流区3.2MOSFET的电流电压特性∑MOS管的电流方程¾式中各参数的含义：°µn/µp：电子/空穴的迁移率；V一般情况下，电子的迁移率高于空穴，所以NMOS器件的电流驱动能力及工作速度均比PMOS器件强。°Cox：单位面积栅电容，且ε0εsoC=i2oxtox°W/L：导电沟道的宽度和长度之比。由MOS管的电流方程可知，电流I与W/L成正比。DN°U/U：NMOS/PMOS管的开启电压，在UDD=5VTHNTHP的情况下，增强型NMOS和PMOS管的开启

22、电压分别是+0.8V和-0.8V。为了使MOS器件能够在低电源电压下工作，需要通过工艺控制使该开启电压降低。°λn/λp：沟道调制系数，是一个经验的沟道长度修正系数，反映UDS对沟道长度的影响，其值在0.01V~0.02V左右。3.2MOSFET的电流电压特性∑MOS管的输出电阻¾线性区的输出电阻—压控电阻根据线性区的电流方程，当漏-源电压UDS很小时，该式可以近似为：⎛W⎞ID≈µnCox⎜⎟(UGS−UTH)UDS⎝L⎠此时的输出电阻为：∂U1DSR==ON()()∂IµCW/LUUDnoxGS−TH由该式可见，处于线性区的MOS管输

23、出电阻R是UONGS的函数，且与之成反比。因为该电阻受U控制，GS称线性区的输出电阻为“压控电阻”，线性区又称为“可变电阻区”。3.2MOSFET的电流电压特性∑MOS管的输出电阻¾恒流区的输出电阻根据恒流区的电流方程，有：∂U11UDSAR====ON∂IDλµnCox()W/L(U−U)2λnIDQIDQnGSTH2注：AU是与沟道调制系数有关的厄尔利电压，其定义见下图所示：3.2MOSFET的电流电压特性∑MOS管的跨导gm¾跨导gm是反映UGS对ID控制能力的参数。其定义为：∂ID()()g==µCW/LU−UmnoxGSTH∂U

24、GS2I()D=2µCW/LI=noxDU−UGSTH由上式可见：°在W/L不变的情况下，gm与(UGS−UTH)成线性关系，与ID的平方根成正比。°在ID不变的情况下，gm与(UGS−UTH