MOS器件物理2.ppt

第二讲第二讲 MOS器件物理器件物理(续续)MOS管的电特性管的电特性主要指：主要指：o阈值电压阈值电压oI/V特性特性o输入输出转移特性输入输出转移特性o跨导等电特性跨导等电特性 MOS管的电特性管的电特性 －阈值电压（－阈值电压（NMOS））o在漏源电压的作用下刚开始有电流产生时的在漏源电压的作用下刚开始有电流产生时的VG为阈值电压为阈值电压Vth ：：　　　　　　　　ΦMS：指多晶硅栅与硅衬底间的接触电势差：指多晶硅栅与硅衬底间的接触电势差　　　　　　　　　　　　　　　称为费米势，其中　　　　　　　　　　　　　　　称为费米势，其中q是电子电荷是电子电荷　　　　Nsub：衬底的掺杂浓度：衬底的掺杂浓度　　　　Qb：耗尽区的电荷密度，其值为　　　　　　　　，其中　：耗尽区的电荷密度，其值为　　　　　　　　，其中　　　　　是硅的介电常数　　　　是硅的介电常数　　　　Cox：单位面积的栅氧电容，　　　　　　　　，　　　　　　：单位面积的栅氧电容，　　　　　　　　，　　　　　　　　　　Qss：氧化层中单位面积的正电荷：氧化层中单位面积的正电荷　　　　VFB：平带电压，：平带电压，VFB＝＝ MOS管的电特性管的电特性 －－阈值电压阈值电压o同理同理PMOS管的阈值电压可表示为：管的阈值电压可表示为：o注意：注意：n器件的阈值电压主要通过改变器件的阈值电压主要通过改变衬底掺杂浓度衬底掺杂浓度、、衬底表面浓度衬底表面浓度或或改变氧改变氧化层中的电荷密度化层中的电荷密度来调整，对于增强型来调整，对于增强型MOS管，适当增加衬底浓度，管，适当增加衬底浓度，减小氧化层中的正电荷即可使其阈值大于减小氧化层中的正电荷即可使其阈值大于0；而氧化层中的正电荷较；而氧化层中的正电荷较大或衬底浓度太小都可形成耗尽型大或衬底浓度太小都可形成耗尽型NMOS 。

n实际上，用以上方程求出的实际上，用以上方程求出的“内在内在”阈值在电路设计过程中可能不适阈值在电路设计过程中可能不适用，在实际设计过程中，常通过改变多晶与硅之间的接触电势即：用，在实际设计过程中，常通过改变多晶与硅之间的接触电势即：在在沟道中注入杂质沟道中注入杂质，或通过，或通过对多晶硅掺杂金属对多晶硅掺杂金属的方法来调整阈值电压的方法来调整阈值电压比如：若在比如：若在p型衬底中掺杂三价离子形成一层薄的型衬底中掺杂三价离子形成一层薄的p＋＋区，为了实现耗区，为了实现耗尽，其栅电压必须提高，从而提高了阈值电压尽，其栅电压必须提高，从而提高了阈值电压MOS管的电特性－管的电特性－输出特性（输出特性（I/V特性）特性） oMOS晶体管的输出电流－电压特性的经典描述是萨氏方程晶体管的输出电流－电压特性的经典描述是萨氏方程o忽略二次效应忽略二次效应，对于，对于NMOS管导通时的萨氏方程为：管导通时的萨氏方程为：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　VGS－－Vth：：MOS管的管的“过驱动电压过驱动电压”　　　　L：指沟道的有效长度：指沟道的有效长度　　　　W/L称为宽长比称为宽长比　　　　　　　　　　　，称为　　　　　　　　　　　，称为NMOS管的导电因子管的导电因子oID的值取决于工艺参数：的值取决于工艺参数：μnCox、器件尺寸、器件尺寸W和和L、、VDS及及VGS。

MOS管的电特性－管的电特性－输出特性（输出特性（I/V特性）特性）o截止区：截止区：VGS≤Vth，，ID＝＝0；；o线性区：线性区：VDS≤VGS－－Vth，，漏极电流即为萨氏方程漏极电流即为萨氏方程o深三极管区：深三极管区：VDS<<2（（VGS－－Vth）时称）时称MOS管工作在，萨氏管工作在，萨氏方程可近似为：方程可近似为： o上式表明在上式表明在VDS较小时，较小时，ID是是VDS的线性函数，即这时的线性函数，即这时MOS管可管可等效为一个电阻，其阻值为：等效为一个电阻，其阻值为： 　　 o即：处于深三极管区的即：处于深三极管区的MOS管可等效为一个受过驱动电压控制的管可等效为一个受过驱动电压控制的可控电阻，当可控电阻，当VGS一定时，沟道直流导通电阻近似为一恒定的电一定时，沟道直流导通电阻近似为一恒定的电阻MOS管的电特性－输出特性（管的电特性－输出特性（I/V特性）特性）o饱和区：饱和区：VDS≥≥VGS－－Vth：：n漏极电流并不是随漏极电流并不是随VDS增大而无限增大的，在增大而无限增大的，在VDS＞＞VGS－－Vth时，时，MOS管进入饱和区：此时在沟道中发生了夹断现象。

管进入饱和区：此时在沟道中发生了夹断现象 n萨氏方程两边对萨氏方程两边对VDS求导，可求出当求导，可求出当VDS＝＝VGS－－Vth时，电时，电流有最大值，其值为：流有最大值，其值为： 　　　　 n这就是饱和萨氏方程这就是饱和萨氏方程 MOS管的电特性－管的电特性－输出特性（输出特性（I/V特性）特性）转移特性曲线转移特性曲线 o在一个固定的在一个固定的VDS下的下的MOS管饱和区的漏极电流与管饱和区的漏极电流与栅源电压之间的关系称为栅源电压之间的关系称为MOS管的转移特性管的转移特性转移特性的另一种表示方式转移特性的另一种表示方式增强型增强型NMOS转移特性转移特性耗尽型耗尽型NMOS转移特性转移特性转移特性曲线转移特性曲线o在实际应用中，生产厂商经常为设计者提供的参数在实际应用中，生产厂商经常为设计者提供的参数中，经常给出的是在零电流下的开启电压中，经常给出的是在零电流下的开启电压 o注意注意 ，，Vth0为无衬偏时的开启电压，而为无衬偏时的开启电压，而 是在与是在与VGS特性曲线中与特性曲线中与VGS轴的交点电压，实际上轴的交点电压，实际上为零电流的栅电压为零电流的栅电压o从物理意义上而言，从物理意义上而言， 为沟道刚反型时的栅电压，为沟道刚反型时的栅电压，仅与沟道浓度、氧化层电荷等有关；而仅与沟道浓度、氧化层电荷等有关；而Vth0与人为与人为定义开启后的定义开启后的IDS有关。

有关 转移特性曲线转移特性曲线o从转移特性曲线可以得到导电因子从转移特性曲线可以得到导电因子KN（或（或KP），根据饱和萨氏方程可知：），根据饱和萨氏方程可知： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 o即有：即有： o所以所以KN即为转移特性曲线的斜率即为转移特性曲线的斜率MOS管的直流导通电阻管的直流导通电阻 o定义：定义：MOS管的直流导通电阻是指漏源电压与漏源管的直流导通电阻是指漏源电压与漏源电流之比电流之比o饱和区：饱和区：o线性区：线性区：o深三极管区：深三极管区：饱和区饱和区MOS管的管的跨导跨导与导纳与导纳 o工作在饱和区的工作在饱和区的MOS管可等效为一压控电流源，故可用跨管可等效为一压控电流源，故可用跨导导gm来表示来表示MOS管的电压转变电流的能力，跨导越大则管的电压转变电流的能力，跨导越大则表示该表示该MOS管越灵敏，在同样的过驱动电压管越灵敏，在同样的过驱动电压（（VGS－－Vth））下能引起更大的电流，根据定义，跨导为漏源电压一定下能引起更大的电流，根据定义，跨导为漏源电压一定时，漏极电流随栅源电压的变化率，即：时，漏极电流随栅源电压的变化率，即： 饱和区跨导的倒数等于深三极管区的导通电阻饱和区跨导的倒数等于深三极管区的导通电阻Ron 饱和区饱和区MOS管的管的跨导跨导与导纳与导纳讨论讨论1：：o在在KN（（KP））为常数（为常数（W/L为常数）时，跨为常数）时，跨导与过驱动电压成正比，或与漏极电流导与过驱动电压成正比，或与漏极电流ID的的平方根成正比。

平方根成正比o若漏极电流若漏极电流ID恒定时，则跨导与过驱动电压恒定时，则跨导与过驱动电压成反比，而与成反比，而与KN的平方根成正比的平方根成正比o为了提高跨导，可以通过为了提高跨导，可以通过增大增大KN（增大宽长（增大宽长比，增大比，增大Cox等），也可以通过增大等），也可以通过增大ID来实来实现，但以增大宽长比为最有效现，但以增大宽长比为最有效 饱和区饱和区MOS管的管的跨导跨导与导纳与导纳讨论讨论2：：o双极型三极管的跨导为：双极型三极管的跨导为： ，，两种跨导相比可得到如下结论：两种跨导相比可得到如下结论：o对于双极型，当对于双极型，当IC确定后，确定后，gm就与几何形状就与几何形状无关，而无关，而MOS管除了可通过管除了可通过IDS调节跨导外，调节跨导外，gm还与几何尺寸有关；双极型三极管的跨导还与几何尺寸有关；双极型三极管的跨导与电流成正比，而与电流成正比，而MOS管的跨导与成正比，管的跨导与成正比，所以在同样工作电流情况下，所以在同样工作电流情况下，MOS管的跨导管的跨导要比双极型三极管的跨导小要比双极型三极管的跨导小饱和区饱和区MOS管的跨导与管的跨导与导纳导纳o对于对于MOS管的交流小信号工作还引入了导管的交流小信号工作还引入了导纳的概念，导纳定义为：当栅源电压与衬底纳的概念，导纳定义为：当栅源电压与衬底电压为一常数时的漏极电流与漏源电压之比，电压为一常数时的漏极电流与漏源电压之比，即可表示为：即可表示为：MOS管的最高工作频率管的最高工作频率 o定义：当栅源间输入交流信号时，由源极增定义：当栅源间输入交流信号时，由源极增加（减小）流入的电子流，一部分通过沟道加（减小）流入的电子流，一部分通过沟道对电容充（放）电，一部分经过沟道流向漏对电容充（放）电，一部分经过沟道流向漏极，形成漏源电流的增量，当变化的电流全极，形成漏源电流的增量，当变化的电流全部用于对沟道电容充放电时，部用于对沟道电容充放电时，MOS管就失去管就失去了放大能力，因此了放大能力，因此MOS管的最高工作频率定管的最高工作频率定义为：义为：对栅输入电容的充放电电流和漏源交对栅输入电容的充放电电流和漏源交流电流值相等时所对应的工作频率流电流值相等时所对应的工作频率。

MOS管的最高工作频率管的最高工作频率oC表示栅极输入电容，该电容正比于表示栅极输入电容，该电容正比于WLCox oMOS管的最高工作频率与沟道长度的平方成管的最高工作频率与沟道长度的平方成反比，因此，反比，因此，减小减小MOS管的沟道长度就能很管的沟道长度就能很显著地提高工作频率显著地提高工作频率 二阶效应二阶效应 二阶效应在现代模拟集成电路的设计中二阶效应在现代模拟集成电路的设计中是不能忽略的，主要的二阶效应有：是不能忽略的，主要的二阶效应有：oMOS管的衬底效应管的衬底效应o沟道调制效应沟道调制效应o亚阈值导通亚阈值导通o温度效应温度效应衬底偏置效应（体效应）衬底偏置效应（体效应） 在前面的分析中：在前面的分析中：o没有考虑衬底电位对没有考虑衬底电位对MOS管性能的影响管性能的影响o假设了所有器件的衬底都与器件的源端相连，即假设了所有器件的衬底都与器件的源端相连，即VBS＝＝0o但在实际的模拟集成电路中，由于但在实际的模拟集成电路中，由于MOS器件制作在器件制作在同一衬底上，就不可能把所有的同一衬底上，就不可能把所有的MOS管的源极与公管的源极与公共衬底相接，即共衬底相接，即VBS≠0o例如：在实际电路设计中例如：在实际电路设计中NMOS管的源极电位有时管的源极电位有时就会高于衬底电位（仍能保证源极与漏极与衬底间就会高于衬底电位（仍能保证源极与漏极与衬底间保持为反偏，使器件正常工作）保持为反偏，使器件正常工作） 衬底偏置效应（体效应）衬底偏置效应（体效应）o根据阈值电压的定义及根据阈值电压的定义及MOS管的工作原理可知，管的工作原理可知，MOS管要形成沟道必须先管要形成沟道必须先中和中和其耗尽层的电荷，假其耗尽层的电荷，假设设VS＝＝VD＞＞VB，当，当0＜＜VGB＜＜Vth时则在栅下面产生时则在栅下面产生了耗尽但没产生反型层，保持了耗尽但没产生反型层，保持MOS管的三端电压不管的三端电压不变，而降低衬底电压变，而降低衬底电压VB，则，则VGB增大，更多的空穴增大，更多的空穴被排斥到衬底，而留下了更多的负电荷，从而使其被排斥到衬底，而留下了更多的负电荷，从而使其耗尽区变得更宽，即当耗尽区变得更宽，即当VB下降、下降、Qb上升时，上升时，Vth也也会增大。

这种由于会增大这种由于VBS不为不为0而引起阈值电压的变化而引起阈值电压的变化的效应就称为的效应就称为“衬底效应衬底效应”，也称为，也称为“背栅效应背栅效应”衬底偏置效应（体效应）衬底偏置效应（体效应）o在考虑衬底效应时，其耗尽层的电荷密度变化为：在考虑衬底效应时，其耗尽层的电荷密度变化为：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　o把上式代入阈值电压的表达式，可得其阈值电压为：把上式代入阈值电压的表达式，可得其阈值电压为：o其中其中Vth0是在无体效应时的阈值电压；是在无体效应时的阈值电压； ，称为体效应因子，，称为体效应因子，γ的大小由的大小由衬底浓度与栅氧厚度衬底浓度与栅氧厚度决定，其典型值在决定，其典型值在0.3到到0.4V1/2衬底偏置效应（体效应）衬底偏置效应（体效应）o对于对于PMOS管，考虑体效应后的阈值电管，考虑体效应后的阈值电压为：压为： o对于衬底效应表明其衬底势能对于衬底效应表明其衬底势能Vsub不需不需改变：如果其源电压相对于改变：如果其源电压相对于Vsub发生了发生了改变，会发生同样的现象。

改变，会发生同样的现象衬底偏置效应（体效应）衬底偏置效应（体效应）o例：例：衬底偏置效应（体效应）衬底偏置效应（体效应）o由于衬底电位会影响阈值电压，进而影响由于衬底电位会影响阈值电压，进而影响MOS管管的过驱动电压，所以衬底可以视为的过驱动电压，所以衬底可以视为MOS管的第二管的第二个栅（常称背栅）个栅（常称背栅）o因此为了衡量体效应对因此为了衡量体效应对MOS管的管的I/V的影响，定的影响，定义一衬底跨导义一衬底跨导o衬底跨导：在源漏电压与栅源电压为常量时漏极电衬底跨导：在源漏电压与栅源电压为常量时漏极电流随衬底电压的变化关系：流随衬底电压的变化关系：衬底偏置效应（体效应）衬底偏置效应（体效应）o则衬底电位对漏极电流的影响可用一个则衬底电位对漏极电流的影响可用一个电流源电流源gmbVBS表示o在饱和区，在饱和区，gmb能被表示成能被表示成衬底偏置效应（体效应）衬底偏置效应（体效应）o而根据阈值电压与而根据阈值电压与VBS之间的关系可得：之间的关系可得： 　　 o因此有：因此有： o上式中上式中η=gmb/gm ，，gmb正比于正比于γ。

上式表明当较大时，上式表明当较大时，不断增大的衬底效应的变化就不明显了不断增大的衬底效应的变化就不明显了o注意注意gmVGS与与gmbVBS具有相同极性，即提高衬底电位具有相同极性，即提高衬底电位与提高栅压具有同等的效果与提高栅压具有同等的效果沟道调制效应沟道调制效应 o在分析器件的工作原理时已提到：在饱和时沟道会在分析器件的工作原理时已提到：在饱和时沟道会发生夹断，且夹断点的位置随栅漏之间的电压差的发生夹断，且夹断点的位置随栅漏之间的电压差的增加而往源极移动，即有效沟道长度增加而往源极移动，即有效沟道长度L’实际上是实际上是VDS的函数这种由于栅源电压变化引起沟道有效长度的函数这种由于栅源电压变化引起沟道有效长度改变的效应称为改变的效应称为“沟道调制效应沟道调制效应”o记记 ，， ，，λ称为沟道调制系称为沟道调制系数，当远小于数，当远小于L时有：时有：沟道调制效应沟道调制效应o在饱和区时，其漏极电流为在饱和区时，其漏极电流为o调制系数为：调制系数为：o而而ΔΔL L为：为：oλ的大小与沟道长度及衬底浓度有关，的大小与沟道长度及衬底浓度有关，ND上升则上升则λ下降。

考虑沟下降考虑沟道调制效应的道调制效应的I/V曲线如下图所示曲线如下图所示 沟道调制效应沟道调制效应由上图可以看出：由上图可以看出：o实际的实际的I/V曲线在饱和时并非是一平行的直线，而是具有一定斜曲线在饱和时并非是一平行的直线，而是具有一定斜率的斜线率的斜线o所有斜线反方向延长与水平轴所有斜线反方向延长与水平轴VDS间有同一交叉点，该点的电压间有同一交叉点，该点的电压称为厄莱电压称为厄莱电压VAo因此在源漏之间是一个非理想的电流源参数因此在源漏之间是一个非理想的电流源参数λ反映了沟道调制反映了沟道调制的深度，且沟道越短，的深度，且沟道越短，λ越大，表明沟道调制越明显越大，表明沟道调制越明显λ与与VA的的关系为：关系为：λ＝＝1/VA 沟道调制效应沟道调制效应o考虑沟道调制效应后考虑沟道调制效应后MOS管的在饱和区的跨管的在饱和区的跨导导gm为：为：o所以沟道调制效应改变了所以沟道调制效应改变了MOS管的管的I/V特性，特性，进而改变了跨导进而改变了跨导 沟道调制效应沟道调制效应o不考虑沟道调制效应时，不考虑沟道调制效应时，MOS管工作于饱和区时管工作于饱和区时的漏源之间的交流电阻为无穷大，是一理想的电流的漏源之间的交流电阻为无穷大，是一理想的电流源。

源o考虑沟道调制效应后，由于漏电流随漏源电压变化考虑沟道调制效应后，由于漏电流随漏源电压变化而变化，其值为一有限值这个电流源的电流值与而变化，其值为一有限值这个电流源的电流值与其电压成线性关系，其电压成线性关系， 可以等效为一个连接在可以等效为一个连接在 漏源之间的线性电阻，漏源之间的线性电阻， 这个电阻值为：这个电阻值为： 沟道调制效应沟道调制效应o一般一般ro也称为也称为MOS管的输出阻抗，它会限制大部分放大管的输出阻抗，它会限制大部分放大器的最大电压增益，影响模拟电路的性能器的最大电压增益，影响模拟电路的性能o对于一个给定的栅源电压，一个较大的沟道长度对于一个给定的栅源电压，一个较大的沟道长度L可以提可以提供一个更理想的电流源，同时降低了器件的电流能力供一个更理想的电流源，同时降低了器件的电流能力因此，为了保证其电流值，应同比例增加因此，为了保证其电流值，应同比例增加W的值o注：以上各式的推导是基于条件：注：以上各式的推导是基于条件：ΔΔL L远小于远小于L（即长沟（即长沟道）而得到的，此时才有道）而得到的，此时才有 的近似线性关系，的近似线性关系，而对于短沟道器件则上述条件不成立，它会导致饱和而对于短沟道器件则上述条件不成立，它会导致饱和ID/VDS特性曲线的斜率可变。

特性曲线的斜率可变 亚阈值效应亚阈值效应 o亚阈值效应又称为弱反型效应亚阈值效应又称为弱反型效应o前面分析前面分析MOS管的工作状态时，采用了强反管的工作状态时，采用了强反型近似，即假定当型近似，即假定当MOS管的管的VGS大于大于Vth时，时，表面产生反型，沟道立即形成，而当表面产生反型，沟道立即形成，而当MOS管管的的VGS小于小于Vth时，器件就会突然截止时，器件就会突然截止亚阈值效应亚阈值效应o但但MOS管的实际工作状态应用弱反型模型，即当管的实际工作状态应用弱反型模型，即当VGS略小于略小于Vth时，时，MOS管已开始导通，仍会产生一管已开始导通，仍会产生一个弱反型层，从而会产生由漏流向源的电流，称为亚个弱反型层，从而会产生由漏流向源的电流，称为亚阈值导通，而且阈值导通，而且ID与与VGS呈指数关系：呈指数关系：o其中其中ξ>1是一非理想的因子；是一非理想的因子；ID0为特征电流：为特征电流： ，，m为工艺因子，因此为工艺因子，因此ID0与工艺有关；与工艺有关；而而VT称为热电压：称为热电压： 亚阈值效应亚阈值效应亚阈值工作特点：亚阈值工作特点：o在亚阈值区的漏极电流与栅源电压之间呈指数关系在亚阈值区的漏极电流与栅源电压之间呈指数关系，这，这与双极型晶体管相似。

与双极型晶体管相似o亚阈值区的跨导为：　　　　　　　　　　亚阈值区的跨导为：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 由于由于ξ>1，所以，所以gm

化o阈值电压阈值电压Vth随温度的变化：以随温度的变化：以NMOS管为管为例，阈值电压表达式两边对温度例，阈值电压表达式两边对温度T求导可以求导可以得到得到温度效应温度效应o上式一直为负值，即上式一直为负值，即阈值电压随温度上升而阈值电压随温度上升而下降下降o对于对于PMOS管则管则dVth/dT总为正值，即总为正值，即阈值阈值电压随温度的上升而增大电压随温度的上升而增大温度效应温度效应载流子迁移率随温度的变化载流子迁移率随温度的变化 o实验表明，对于实验表明，对于MOS管，如果其表面电场小管，如果其表面电场小于于105V/cm，则沟道中电子与空穴的有效，则沟道中电子与空穴的有效迁移率近似为常数，并约为半导体体内迁移迁移率近似为常数，并约为半导体体内迁移率的一半率的一半o实验还发现，在器件工作的正常温度范围内，实验还发现，在器件工作的正常温度范围内，迁移率与温度近似成反比关系迁移率与温度近似成反比关系 温度效应温度效应o漏源电流漏源电流IDS随温度的变化随温度的变化 o根据以上的分析，温度的变化会引起阈值电压根据以上的分析，温度的变化会引起阈值电压与迁移率的变化，进而影响其漏源电流。

由萨与迁移率的变化，进而影响其漏源电流由萨氏公式两边对氏公式两边对T求导得：求导得：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　温度效应温度效应o则有：则有：　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　o由于温度的变化对阈值电压与迁移率的影响正好是反由于温度的变化对阈值电压与迁移率的影响正好是反向的，漏源电流向的，漏源电流IDS随温度的变化取决于这两项的综随温度的变化取决于这两项的综合，因此，合，因此，MOS管的电性能的温度稳定性比双极型管的电性能的温度稳定性比双极型的晶体管好的晶体管好。