5.6 MOSFET尺寸按比例缩小
5.7 MOS器件的二阶效应
Science and Technology of Electronic Information
MOS管特性
5.1.1 MOS管伏安特性的推导
两个PN结：
1）N型漏极与P型衬底； 2）N型源极与P型衬底。
同双极型晶体管中的PN 结
一样，在结周围产生了耗尽层。
在耗尽层中束缚电荷的总量为
2 Si Q qNA X pWL qN AWL WL 2 Si qNA q NA
G G + + + + + + tox 沟道 耗尽层 P型衬底 Vss Vss
MOS管的电容
Co 沟道 Cdep
d
MOS电容
1 ）当 Vgs<0 时，在 Si 表面和栅极之间， 形成了平板电容器，其容量为：
Cox
oxWL
tox

oxWL
tox
通 常 ， ox=3.98.85410-4 F/cm2 ； W 为栅宽， L 为栅极长， 单位是 cm2 ； tox 是厚度，单位是cm。
这时，栅极电压所感应的电荷Q为，
Q=CVge 式中Vge是栅极有效控制电压。
MOS管特性
电荷在沟道中的渡越时间
非饱和时（沟道夹断），在漏源电压Vds作用 下，这些电荷Q将在时间内通过沟道，因此有
L L2 Eds Vds L
为载流子速度，Eds= Vds/L为漏到源方向电场强度，Vds为漏 到源电压。 为载流子迁移率： n n µ n = 650 cm2/(V.s) 电子迁移率(NMOS) µ p = 240 cm2/(V.s) 空穴迁移率(PMOS)
集成电路设计基础
Basic of Integrated Circuit Design
电子信息工程系 武 斌
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MOS管特性
第五章
MOS 场效应管的特性
5.1 MOS场效应管
5.2 MOS管的阈值电压 5.3 体效应 5.4 MOSFET的温度特性 5.5 MOSFET的噪声
一个电容器结构
栅极与栅极下面区域形成一个电容器，
是MOS管的核心。
MOS管特性
MOSFET的三个基本几何参数
poly-Si G D W S diffusion L t ox
p+/n+ p+/n+
栅长:L; 栅宽: W; 氧化层厚度: tox Lmin： MOS工艺的特征尺寸(feature size) L影响MOSFET的速度， W决定电路驱动能力和功耗 L和W由设计者选定,通常选取L= Lmin，
1 1 C C C Si ox
1
+
N+ N+ N+
G N+ N+
以SiO2为介质的电容器—Cox 以耗尽层为介质的电容器—CSi
MOS管的电容
MOS电容—束缚电荷层厚度
耗尽层电容的计算方法同 PN 结的耗尽层电容的计算 方法相同，利用泊松方程

2
1
Si
MOS管的电容
SiO2和耗尽层介质电容
2 ） 当 Vgs>0 时， MOS 电容器可以看成两个电容器 的串联。 栅极上的正电荷排斥了Si中的空穴，在栅极下
面的Si表面上，形成了一个耗尽区。耗尽区中空穴被赶走 后剩下的固定的负电荷，分布在厚度为Xp的整个耗尽区内； 而栅极上的正电荷则集中在栅极表面，基底接负极。
MOSFET饱和特性
当Vgs-VT=Vds时，满足: Ids达到最大值Idsmax，其值为 Vgs-VT=Vds，意味着： Vge=Vgs-VT-Vds=Vgs-Vds-VT =0 沟道夹断，电流不会再增大， 因而，这个 Idsmax 就是饱和电流。
dIds 0 dVds
I dsmax 1 ox W 2 Vgs VT 2 tox L
(Ids与Vds无关, 与 Vgs有关)
I ds a2 V Idsgs VT
线性区


2
饱和区 击穿区
0
MOS管特性
Vds
5.1.2 MOSFET电容的组成
MOS 电容是一个相当复杂的电容，具有多层介 质，在栅极电极下面有一层 SiO2 介质， SiO2 下面是 P 型衬底，最后是衬底电极，同衬底之间是欧姆接触。
′ = 4.5,
1 2 Vgs VT Vds Vds 2
1 Vge Vgs VT Vds 2
= '.0 栅极-沟道间氧化层介电常数,
0 = 0.88541851.10-11 C.V-1.m-1
Vge：栅级对衬底的有效控制电压
MOS管特性
MOS管特性
MOSFET特性曲线
• 在非饱和区 呈线性电阻 • 饱和区
I ds
ox W
tox
ds C

1 2 V V V Vds gs T ds L 2
I ds V
a1Vgs b1
2 1 ox W I ds Vgs VT 2 tox L

1
Si
qNA
式中NA是P型衬底中的掺杂浓度，ρ为空间电荷密度， 为电势，
将上式积分得耗尽区上的电位差 ： 1 qN A 2 ' qN A dxdx Xp Si Si 从而得出束缚电荷层厚度
Xp 2 Si q NA
MOS管的电容
MOS电容 —耗尽层电容
MOS管特性
MOSFET的伏安特性方程
CVge oxWL MOS管漏源间的电流 ox W Q 1I 非饱和情况下，通过 I ds 2 2 VgeVds (Vgs VT V ds ds )Vds L tox L tox L 2 为： Vds
ox W tox L
由此，设计者只需选取W
MOS管特性
n(p)
MOSFET的伏安特性:电容结构
当VGS<=0，
当漏源电极之间加上电压时，除了PN结的漏电流之外，不 会有更多电流形成。
当VGS>0时 P 型区内的空穴被不断地排斥到衬底方向，少子电子在栅 极下的P型区域内就形成电子分布，建立起反型层，即N型 层，当VGS>=VT时形成从漏极到源极的导电沟道。