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1、MOS晶体管晶体管一一. MOS晶体管晶体管2q MOS晶体晶体管管本节课主要内容本节课主要内容v 器件结构器件结构v 电流电压特性电流电压特性v 电流方程电流方程v 沟道长、短沟道效应、衬底偏压效应沟道长、短沟道效应、衬底偏压效应3MOSFET MOS晶体管晶体管4MOS晶体管的动作晶体管的动作 MOS晶体管实质上是一种使晶体管实质上是一种使电流时而流过，时而切断的电流时而流过，时而切断的开关开关开关开关n+n+p型硅基板型硅基板栅极（金属）栅极（金属）绝缘层（绝缘层（SiO2）半半导导体体基基板板漏极漏极源极源极N N沟沟沟沟MOSMOS晶体管的基本结构晶体管的基本结构晶体管的基本结构晶体
2、管的基本结构源极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)MOSFET的基本结构5源极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)VG=3.3VVS=0VD=0栅极电压为栅极电压为3.3V时，表面的时，表面的电位下降，形成了连接源漏电位下降，形成了连接源漏的通路。的通路。+ + + + + + + +3.3VMOSFET的工作原理 26+ + + + + + + +3.3V3.3V电流电流源极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)VG=3.3VVS=0VD=3.3V更进一步，在漏极加上更进一步，在漏极加上3.3V的的电压，漏极的电位下降，从源电压，漏极的电位下降，从源极有电子流向漏极，形成电流。极有电子
3、流向漏极，形成电流。（电流是由漏极流向源极）（电流是由漏极流向源极）MOSFET的工作原理 375V源极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)VG=0VVS=0VVD=3.3V漏极保持漏极保持3.3V的电压，而将栅的电压，而将栅极电压恢复到极电压恢复到0V，这时表面的，这时表面的电位提高，源漏间的通路被切电位提高，源漏间的通路被切断。断。MOSFET的工作原理 48IDm mnCoxW2L(VG-VTH) 2(0VDVG-VTH)(0 VG-VTH 1m mm) MOS晶体管12MOS管的电流解析方程（管的电流解析方程（L1m mm)工艺参数工艺参数工艺参数工艺参数与（与（与（与（V VGSG
4、S-V-VTHTH) )的平方成正比的平方成正比的平方成正比的平方成正比 MOS晶体管13源极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)VGVDIDnMOS晶体管的晶体管的I-V特性特性VTHIDVG增强型（增强型（E)VTHIDVG耗尽型耗尽型(D)NMOS晶体管的I/V特性-214阈值电压的定义阈值电压的定义饱和区外插饱和区外插V VTHTH在晶体管的漏源极加上接近电源在晶体管的漏源极加上接近电源在晶体管的漏源极加上接近电源在晶体管的漏源极加上接近电源VDDVDDVDDVDD的电压，画出的电压，画出的电压，画出的电压，画出VGS-IDSVGS-IDSVGS-IDSVGS-IDS的关系的关系的关
5、系的关系曲线，找出该曲线的最大斜率，曲线，找出该曲线的最大斜率，曲线，找出该曲线的最大斜率，曲线，找出该曲线的最大斜率，此斜率与此斜率与此斜率与此斜率与X X X X轴的交点定义为阈值轴的交点定义为阈值轴的交点定义为阈值轴的交点定义为阈值电压。电压。电压。电压。以漏电流为依据以漏电流为依据定义定义V VTHTH在晶体管的漏源极加上接近电源在晶体管的漏源极加上接近电源在晶体管的漏源极加上接近电源在晶体管的漏源极加上接近电源VDDVDDVDDVDD的电压，画出的电压，画出的电压，画出的电压，画出VGS-Log(IDS)VGS-Log(IDS)VGS-Log(IDS)VGS-Log(IDS)的关系曲
6、线，从该曲线中找出电的关系曲线，从该曲线中找出电的关系曲线，从该曲线中找出电的关系曲线，从该曲线中找出电流为流为流为流为1 1 1 1微安时所对应的微安时所对应的微安时所对应的微安时所对应的VGSVGSVGSVGS定义为定义为定义为定义为阈值电压。阈值电压。阈值电压。阈值电压。 MOS晶体管15MOS管短沟道效应管短沟道效应 IDS 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16衬底偏压效应衬底偏压效应 通常衬底偏压通常衬底偏压通常衬底偏压通常衬底偏压VBS=0, VBS=0, 即即即即NMOSNMO
7、S的衬底接地，的衬底接地，的衬底接地，的衬底接地， PMOS PMOS衬底接电源。衬底接电源。衬底接电源。衬底接电源。 衬底偏压衬底偏压衬底偏压衬底偏压VSB0VSB0时，阈值电压增大。时，阈值电压增大。时，阈值电压增大。时，阈值电压增大。如果源极是浮如果源极是浮如果源极是浮如果源极是浮动的，由于衬动的，由于衬动的，由于衬动的，由于衬底效应，阈值底效应，阈值底效应，阈值底效应，阈值电压就会增大。电压就会增大。电压就会增大。电压就会增大。 MOS晶体管17与栅源电压与栅源电压的平方成正比的平方成正比微小微小MOS晶体管的静态特性晶体管的静态特性(沟道长小于沟道长小于1m mm)微小MOS晶体管长
8、沟道长沟道MOS晶体管晶体管平方成正比平方成正比1至至1.4次方成正比次方成正比1至至1.4次方成正比次方成正比短沟道短沟道MOS晶体管晶体管18载流子的饱和速度引起的载流子的饱和速度引起的 Early Satutation微小MOS晶体管 散乱引起速度饱和散乱引起速度饱和散乱引起速度饱和散乱引起速度饱和 沟道长小于沟道长小于沟道长小于沟道长小于1 1微米时，微米时，微米时，微米时，NMOSNMOS饱和饱和饱和饱和 NMOSNMOS和和和和PMOSPMOS的饱和速度基本相同的饱和速度基本相同的饱和速度基本相同的饱和速度基本相同 PMOSPMOS不显著不显著不显著不显著饱和早期开始饱和早期开始饱
9、和早期开始饱和早期开始19短沟道短沟道MOS晶体管电流解析式晶体管电流解析式微小MOS晶体管20微小微小MOS晶体管的静态特性晶体管的静态特性(沟道长小于沟道长小于1m mm)微小MOS晶体管NMOS 当当当当V V V VDSATDSATDSATDSAT=1V,=1V,=1V,=1V,速度饱和速度饱和速度饱和速度饱和PMOS 电流是电流是电流是电流是NMOSNMOSNMOSNMOS的一半的一半的一半的一半 没有速度饱和没有速度饱和没有速度饱和没有速度饱和21MOSFET的寄生效应的寄生效应GateGateCgCgCgdCgdCgsCgsCjCjCjCjCdCdSUBSUBGGS SD DR
10、RS SC CGSGSC CGDGDC CGBGBR RGGR RDDC CDBDBC CSBSBB B寄生电容不可忽视寄生电容不可忽视寄生电容不可忽视寄生电容不可忽视寄生电阻与管子的导通电阻寄生电阻与管子的导通电阻寄生电阻与管子的导通电阻寄生电阻与管子的导通电阻 （数十（数十（数十（数十KKW WW W）相比，通常可）相比，通常可）相比，通常可）相比，通常可 以忽略不计以忽略不计以忽略不计以忽略不计例如：例如：例如：例如： 栅极电容栅极电容栅极电容栅极电容 C CGSGS, C, CGDGD, C, CGBGB ( (各为各为各为各为1.01.0fF)fF) 漏源电容漏源电容漏源电容漏源电容
11、 C CDBDB, C, CSB SB ( (各为各为各为各为0.50.5fF)fF) 栅极电阻栅极电阻栅极电阻栅极电阻 R RGG (40(40W WW W) ) 源漏电阻源漏电阻源漏电阻源漏电阻 R RD D, R, RS S ( (各各各各1 1W WW W) ) MOS寄生元素2223MOSFET栅极电容栅极电容 MOS寄生元素典型参数：典型参数：典型参数：典型参数：C COXOX=6fF/=6fF/m m m mmm2 2, C, COO=0.3fF/=0.3fF/m m m mmm2 2(0.25(0.25m m m mmm工艺；工艺；工艺；工艺；NMOS,PMOSNMOS,PMO
12、S共通）共通）共通）共通）24有关栅极电容的知识有关栅极电容的知识 MOS寄生元素寄生元素阈值电压附近，栅极电容变动较大阈值电压附近，栅极电容变动较大 栅极电容从衬底向源漏极转变栅极电容从衬底向源漏极转变栅极电容从衬底向源漏极转变栅极电容从衬底向源漏极转变 电容值减小到一半。电容值减小到一半。电容值减小到一半。电容值减小到一半。因此，电路中如果要利用栅极电容，设计时需应使因此，电路中如果要利用栅极电容，设计时需应使因此，电路中如果要利用栅极电容，设计时需应使因此，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。电路避开在阈值电压附近的工作。电路避开在阈值电压附近的工作。电路
13、避开在阈值电压附近的工作。晶体管饱和时晶体管饱和时qq 栅极电容的对象主要为源极栅极电容的对象主要为源极栅极电容的对象主要为源极栅极电容的对象主要为源极qq 电容值减小到电容值减小到电容值减小到电容值减小到2/32/3程度程度程度程度由上可知，在饱和区，栅漏电容主要由由上可知，在饱和区，栅漏电容主要由由上可知，在饱和区，栅漏电容主要由由上可知，在饱和区，栅漏电容主要由C CGDOGDO决定，决定，决定，决定，其值大约为栅极电容的其值大约为栅极电容的其值大约为栅极电容的其值大约为栅极电容的20%20%左右。左右。左右。左右。25MOS晶体管的扩散电容晶体管的扩散电容 MOS寄生元素29MOS晶体管的导通电阻晶体管的导通电阻D DS SGG电流电流电流电流I IDSDS导通电阻：导通电阻：导通电阻：导通电阻：R Reqeq30MOS晶体管的导通电阻晶体管的导通电阻
