MOS晶体管基础

单击此处编辑母版标题样式,*,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,MOS,晶体管,一,.MOS,晶体管,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,2,MOSFET,MOS,晶体管,3,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（,SiO,2,）,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),MOSFET的基本结构,4,源极,(S),漏极,(D),栅极,(G),V,G,=3.3V,V,S,=0,V,D,=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,MOSFET的工作原理 2,5,+,3.3V,3.3V,电流,源极,(S),漏极,(D),栅极,(G),V,G,=3.3V,V,S,=0,V,D,=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）,MOSFET的工作原理 3,6,5V,源极,(S),漏极,(D),栅极,(G),V,G,=0V,V,S,=0V,V,D,=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。,MOSFET的工作原理 4,7,I,D,m,n,C,ox,W,2L,(V,G,-V,TH,),2,(0V,D,V,G,-V,TH,),(0 V,G,-V,TH,1,m,m),MOS,晶体管,11,MOS,管的电流解析方程（,L1,m,m),工艺参数,与（,V,GS,-V,TH,),的平方成正比,MOS,晶体管,12,源极,(S),漏极,(D),栅极,(G),V,G,V,D,I,D,nMOS,晶体管的,I-V,特性,V,TH,I,D,V,G,增强型（,E),V,TH,I,D,V,G,耗尽型,(D),NMOS晶体管的I/V特性-2,13,阈值电压的定义,饱和区外插,V,TH,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,V,TH,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,14,MOS,管短沟道效应,I,DS,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,15,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,16,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1,m,m),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,17,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,18,短沟道,MOS,晶体管电流解析式,微小,MOS,晶体管,19,微小,MOS,晶体管的静态特性(沟道长小于1,m,m),微小,MOS,晶体管,NMOS,当,V,DSAT,=1V,速度饱和,PMOS,电流是,NMOS,的一半,没有速度饱和,20,MOSFET,的寄生效应,Gate,Cg,Cgd,Cgs,Cj,Cj,Cd,SUB,G,S,D,R,S,C,GS,C,GD,C,GB,R,G,R,D,C,DB,C,SB,B,寄生电容不可忽视,寄生电阻与管子的导通电阻,（数十,K,W,）相比，通常可,以忽略不计,例如：,栅极电容,C,GS,C,GD,C,GB,(,各为1.0,fF,),漏源电容,C,DB,C,SB,(,各为0.5,fF,),栅极电阻,R,G,(40,W,),源漏电阻,R,D,R,S,(,各1,W,),MOS,寄生元素,21,22,MOSFET,栅极电容,MOS,寄生元素,典型参数：,C,OX,=6fF/,m,m,2,C,O,=0.3fF/,m,m,2,(0.25,m,m,工艺；,NMOS,PMOS,共通）,23,有关栅极电容的知识,MOS,寄生元素,阈值电压附近，栅极电容变动较大,栅极电容从衬底向源漏极转变,电容值减小到一半。,因此，电路中如果要利用栅极电容，设计时需应使,电路避开在阈值电压附近的工作。,晶体管饱和时,栅极电容的对象主要为源极,电容值减小到2/3程度,由上可知，在饱和区，栅漏电容主要由,C,GDO,决定，其值大约为栅极电容的20%左右。,24,MOS,晶体管的扩散电容,MOS,寄生元素,25,N,沟道,MOSFET,D,：,漏极,S,：,源极,G,：,栅极,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,D,S,G,电流,I,DS,导通电阻：10,K,W/m,m,2,S,P,+,N,+,N,+,P,衬底(,Si),G(0V,DD,),D,B(0V),电子,电,流,电,流,V,DD,:0.25,m,m,的管子为2.5,V,0.18,m,m,的管子为1.8,V,导通,截至,阈值电压:,V,TH,0.2VDD(e.g.0.4V),0V,26,P,沟道,MOSFET,S,D,G,D,：,漏极,S,：,源极,G,：,栅极,源极：载流子（空穴,）,的供给源,漏极：载流子（空穴）的排出口,D,：,漏极,S,：,源极,G,：,栅极,B,：,衬底,电流,I,DS,导通电阻：20,K,W/m,m,2,S,P,衬底(,Si),G(0V,DD,),D,B(V,DD,),电,流,电,流,阈值电压:,V,TH,-,0.2VDD(e.g-.0.4V),0V,V,DD,导通,截至,N,+,P,+,P,+,空穴,N Well,27,CMOS,反相器,CMOS:Complementary MOS,互补型,MOS,V,DD,导通,截至,导通,截至,0V,NMOS,PMOS,A,O,-0.4V,0.4V,V,DD,0V,导通,截至,V,DD,V,DD,导通,截至,V,DD,0V,A,O,真理值表,A O,0 1,1 0,28,MOS,晶体管的导通电阻,D,S,G,电流,I,DS,导通电阻：,R,eq,29,MOS,晶体管的导通电阻,30,