• 高的阈值电压用高的衬底掺杂完成，但击穿电压 低、结电容大、体校应系数大。
• 做法：离子注入产生局部高的衬底浓度，注入和 衬底相同类型的杂质。
• 例2 ：耗尽型器件要低或相反的阈值电压
• 做法：离子注入和衬底相反类型的杂质，以便形 成原始沟道。
2000-9-20
15
9-2-4 短、窄沟道效应对阈值电压的影响1
第九章MOS场效应晶体管
• 9-1， MOS 管基本原理 • 9-2， MOS 管的电学参数1阈值电压 • 9-3，电流方程 • 9-4，其他电学参数
2000-9-20
1
第九章Mos场效应晶体管原理
• 参考书：
• 双极型与MOS半导体器件原理
• 黄均鼎 汤庭鳌 编著 • 复旦大学出版社
• 晶体管原理 • 半导体器件电子学（英文版）
• 基本结构：源区，漏区，沟道区,图1-1-2， 图1-1-1,
• 主要结构参数：
– 沟道长度（1-1-2,栅极图形沟道长度poly,实际沟道长度S-D） – 沟道宽度W (1-1-3, W= W1 +W2 +W3) – 栅氧化层厚度tox – 源漏区结深 Xj （见图1-1-1 ）
2000-9-20
11
9-2-1影响V t的基本因素
• 1，材料：
ф – 金属类型 MS ，氧化层中的电荷QOX
– 半导体沟道区掺杂浓度NA
ε – 半导体材料参数 ni ; i
• 2，氧化层厚度：越厚则阈值电压越大 • 衬底参杂高，则阈值电压越大 • 3，温度：温度上升，阈值电压下降 • 4，和器件的横向尺寸无关 • 调整考虑：
• 短沟道效应
• 现象：图1-2-5, L方向，源漏耗尽区横向 扩展使有效的L下降。
• 分析：耗尽层体积减小--使栅压控制的耗 尽层电荷减少--使阈值电压降低
• 公式：1-2-29 • 计算结果：图1-2-6
2000-9-20
16
9-2-4 短、窄沟道效应对阈值电压的影响2
• 窄沟道效应
• 现象：图1-1-9, W方向，电场的边缘效应使W增加 • 分析：耗尽层体积增加--使栅压控制的耗尽层电
荷增加--使阈值电压增加 • 公式：1-2-30
• 其它
– 场区注入使Vt增加
– 漏感应势垒降低效应使Vt下降
• 综合公式：1-2-31
2000-9-20
17
9-3 电流方程
– 四端器件图 （1-3-1） – 2维电场 （1-3-2） – 推导近似 – 方程推导和结果（式1-3-9）
IDβ(VG-SV F-B 2F)VD-S1 2VD2 S
– （图1-1-6，截止区，线性区，饱和区，击穿区）
• 问题：为什么MOS晶体管也叫单极晶体管？
2000-9-20
6
9-1-3 MOS晶体管的分类
• 按导电类型：
– NMOS管： N沟道 MOS晶体管 – PMOS管： P沟道 MOS晶体管
• 按工作机制分：
– 增强型器件：（也叫常截止器件） – 耗尽型器件：（也叫常导通器件） – 图1-1-9
-3 2rB(2FVBS VD)S32(2FVB)S32
• 美国，R.M.Warner, • 电子工业出版社
2000-9-20
2
9-1 MOS晶体管工作原理
• 9-1-1 MOS晶体管的结构特点和基本原理 • 9-1-2 MOS晶体管的阈值电压分析 • 9-1-3 MOS晶体管的电流方程 • 9-1-4 MOS晶体管的瞬态特性
2000-9-20
3
9-1，MOS晶体管工作原理
• 1-1 MOS晶体管的结构特点和基本原理 • 1-2 MOS晶体管的阈值电压分析 • 1-3 MOS晶体管的电流方程 • 1-4 MOS晶体管的瞬态特性
• 补充：1-5 MOS晶体管的其它电学参数1
2000-9-20
4
9-1-1 MOS晶体管的基本结构
• MOS晶体管--- MOSFET,金属-氧化物-半 导体场效应晶体管
• 阈值电压V t：决定MOS管状态的关键。 • Vgs < V t ：截止态； • Vgs > V t：导通态。
2000-9-20
9
9-2-1 影响阈值电压的因素
• 定义：V t= Vgs |表面强反型时
• 表达式： –V t= V FB+2фF-QBm/Cox
• 电压降在平带电压，强反型电压，栅氧化层
2000-9-20
7
9-1-4 MOS晶体管的结构特点
• 结构简单面积小-------便于集成 • 输入阻抗很高-------级间可以直接耦合 • 源漏对称-------------电路设计灵活 • 有效工作区集中在表面，和衬底隔离
2000-9-20
8
9-2 MOS管的阈值电压分析
• 阈值电压定义：使沟道区源端半导体表 面达到强反型所需要的栅压。
• Vbs增加，则阈值电压增加
• 衬底浓度增加，则阈值电压增加
– 实验结果：图1-2-1Βιβλιοθήκη 2000-9-2013
体效应公式
VTVFB2 FQ'Bm
Cox
Q B m '-20S iq N A (2F V B S), V B S0
2000-9-20
14
9-2-3 离子注入调节阈值电压
• 例1：增强型器件要高的阈值电压
– 降低。以便降低芯片耗电。 – 控制器件类型 – 平衡对偶器管子（CMOS）
2000-9-20
12
9-2-2 体效应对阈值电压的影响
– Vbs不是0时，产生体效应。 – 例：对 nmos管 Vbs <0，源和漏PN结反
偏-- QBm 增加--阈值电压增加 – 计算：公式1-2-11和1-2-13（下页） – 理论结果：
5
9-1-2 MOS管基本工作原理
• 工作原理--栅压控制器件 (1-1-4能带图)
– Vgs=0，截止 – 0< Vgs < V t，截止（沟道表面耗尽、弱反型） – Vgs > V t （图1-3-3）开启
• 情况1：Vds=0 • 情况2： Vds>0
• 转移特性曲线（图1-1-5，漏级电流，栅压，漏压，阈值电压） • 输出特性曲线---I-V曲线
• 计算：将公式1-1-3到1-2-8代入上式
2000-9-20
10
VTVFB 2FQ Bm(1.2.1)
Cox
VFB M-SQ CO OX X (1.2.6)
FkqΤlnΝ nΑ i
(1.2.2)
QBm- 2ε0εSiqNA(2F)
C ox εt0o εoxx
(1.2.5)
2000-9-20