MOS器件物理(2).ppt

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,*,第二讲,MOS,器件物理,(,续,),MOS,管的电特性,主要指：,阈值电压,I/V,特性,输入输出转移特性,跨导等电特性,MOS,管的电特性,阈值电压（,NMOS,）,在漏源电压的作用下刚开始有电流产生时的,V,G,为阈值电压,V,th,：,MS,：指多晶硅栅与硅衬底间的接触电势差,称为费米势，其中,q,是电子电荷,N,sub,：衬底的掺杂浓度,Q,b,：耗尽区的电荷密度，其值为，其中,是硅的介电常数,C,ox,：单位面积的栅氧电容，,Q,ss,：氧化层中单位面积的正电荷,V,FB,：平带电压，,V,FB,MOS,管的电特性,阈值电压,同理,PMOS,管的阈值电压可表示为：,注意：,器件的阈值电压主要通过改变,衬底掺杂浓度,、,衬底表面浓度,或,改变氧化层中的电荷密度,来调整，对于增强型,MOS,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,0,；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,NMOS,。,实际上，用以上方程求出的“内在”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：,在沟道中注入杂质,，或通过,对多晶硅掺杂金属,的方法来调整阈值电压。比如：若在,p,型衬底中掺杂三价离子形成一层薄的,p,区，为了实现耗尽，其栅电压必须提高，从而提高了阈值电压。,MOS,管的电特性,输出特性（,I/V,特性）,MOS,晶体管的输出电流电压特性的经典描述是萨氏方程。,忽略二次效应,，对于,NMOS,管导通时的萨氏方程为：,V,GS,V,th,：,MOS,管的“,过驱动电压,”,L,：指沟道的有效长度,W,/,L,称为宽长比,，称为,NMOS,管的导电因子,I,D,的值取决于工艺参数：,n,C,ox,、器件尺寸,W,和,L,、,V,DS,及,V,GS,。,MOS,管的电特性,输出特性（,I/V,特性）,截止区：,V,GS,V,th,，,I,D,0,；,线性区：,V,DS,V,GS,V,th,，,漏极电流即为萨氏方程。,深三极管区：,V,DS,1,是一非理想的因子；,I,D0,为特征电流：,，,m,为工艺因子，因此,I,D0,与工艺有关；而,V,T,称为热电压：。,亚阈值效应,亚阈值工作特点：,在亚阈值区的漏极电流与栅源电压之间呈指数关系,，这与双极型晶体管相似。,亚阈值区的跨导为：,由于,1,，所以,g,m,I,D,/V,T,，即,MOS,管的最大跨导比双极型晶体管（,I,C,/V,T,）小。且根据跨导的定义，,I,D,不变而增大器件宽,W,可以提高跨导，但,I,D,保持不变的条件是必须降低,MOS,管的过驱动电压,。,亚阈值效应,因此在亚阈值区域，大器件宽度（存在大的寄生电容）或小的漏极电流的,MOS,管具有较高的增益。,为了得到亚阈值区的,MOS,管的大的跨导，其工作速度受限（大的器件尺寸引入了大的寄生电容）。,温度效应,温度效应对,MOS,管的性能的影响主要体现在阈值电压,V,th,与载流子迁移率随温度的变化。,阈值电压,V,th,随温度的变化：以,NMOS,管为例，阈值电压表达式两边对温度,T,求导可以得到,温度效应,上式一直为负值，即,阈值电压随温度上升而下降,。,对于,PMOS,管则,dV,th,/d,T,总为正值，即,阈值电压随温度的上升而增大,。,温度效应,载流子迁移率随温度的变化,实验表明，对于,MOS,管，如果其表面电场小于,10,5,V/cm,，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率的一半。,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,。,温度效应,漏源电流,I,DS,随温度的变化,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。由萨氏公式两边对,T,求导得：,温度效应,则有：,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,I,DS,随温度的变化取决于这两项的综合，因此，,MOS,管的电性能的温度稳定性比双极型的晶体管好,。,