1、2022-5-3012022-5-30 MOSFET晶体管晶体管2022-5-30q MOS晶体管晶体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电流方程电流方程v电流电压特性电流电压特性v衬底偏压效应衬底偏压效应v短沟道效应短沟道效应vMOSFETMOSFET的电容的电容vMOSFETMOSFET的导通电阻的导通电阻2022-5-30MOSFETMOS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n+n+p型硅基板型硅基板栅极栅极绝缘层（绝缘层（SiO2）半半导导体体基基板板漏极漏极源极源极2022-5-30源
2、极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)源极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)VDID非饱和区非饱和区饱和区饱和区VGNMOSPMOS源极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)(a)(b)NMOSPMOS源极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)2022-5-30非饱和区的电流方程非饱和区的电流方程DSGSTHVVVTGSVV)(xV(0) 0, ( )( )( )DSoxGSTHVV LVQ xWCVVV xTGSVVox()()GGSTGSTWLQCVVVVt( ),dVIQ xEdx ( )DSoxGSTHdVIWCVVV xdx00( )DSV VLDSoxGSTHxVIdxWCV
3、VV x dV21()2DSoxGSTHDSDSWICVVVVL2022-5-30饱和区的电流方程饱和区的电流方程 MOS晶体管00( )GSTHVVLDSoxGSTHxVIdxWCVVV x dV21()2DSoxGSTHWICVVLDSGSTHVVVTGSVVL沟道长度调制效应沟道长度调制效应2022-5-30VDSID非饱和区非饱和区饱和区饱和区VDSsat=VGS-VTHn+n+p型硅基板型硅基板GSD21()2DSoxGSTHDSDSWICVVVVL非饱和区的电流方程非饱和区的电流方程:21()2DSoxGSTHWICVVL饱和区的电流方程饱和区的电流方程:记住记住2022-5-30
4、ID(0VDSVGS-VTH)(0 VGS-VTH 1 m)1.0V1.5V2.0V2.5VIDSVDSVGS2022-5-30PMOS的的IDS-VDS特性特性（沟道长（沟道长1 m)2022-5-30MOS管的电流解析方程（管的电流解析方程（L1 m)ID(0VDSVGS-VTH)(0 VGS-VTH VDS)(22DSDSTHGSnDSVVVVKI)1 ()(2DSTHGSnDSVVVKI沟道长度调制系数沟道长度调制系数VTH 阈值电压阈值电压LWCKoxnn212022-5-30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
5、强型（增强型（E)VTHIDVG耗尽型耗尽型(D)VTHVTHIDVGIDVG增强型（增强型（E)耗尽型耗尽型(D)TGSVVNMOS的的ID-VG特性特性(转移特性）转移特性）VGS=0阈值电压的定义阈值电压的定义2022-5-30MOS管的跨导管的跨导gm（饱和区）饱和区）)(THGSoxnVGSDmVVLWCVIgDS常数表征电压转换电流的能力表征电压转换电流的能力2022-5-30衬底偏压效应衬底偏压效应VBS(V)MOS管短沟道效应管短沟道效应 I IDS DS 正比于正比于 W/L, LW/L, L要尽可能小要尽可能小当沟道长度变短到可以与源漏当沟道长度变短到可以与源漏的耗尽层宽度
6、相比拟时，发生短的耗尽层宽度相比拟时，发生短沟道效应。沟道效应。栅下耗尽区电荷不再完全受栅栅下耗尽区电荷不再完全受栅控制，其中有一部分受源、漏控控制，其中有一部分受源、漏控制，并且随着沟道长度的减小，制，并且随着沟道长度的减小，受栅控制的耗尽区电荷不断减少，受栅控制的耗尽区电荷不断减少，因此，只需要较少的栅电荷就可因此，只需要较少的栅电荷就可以达到反型，使阈值电压降低以达到反型，使阈值电压降低DSGSTHVVVGSV2022-5-30载流子的饱和速度引起的载流子的饱和速度引起的 Early Saturation2022-5-30短沟道短沟道MOS晶体管电流解析式晶体管电流解析式2022-5-3
7、0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1 m)2022-5-30MOSFET的电容的电容2022-5-30MOSFET栅极电容栅极电容oxoxoxtc2022-5-30截止截止(VGSVTH, VDSVTH, VDS VGS-VTH)2022-5-30MOS晶体管的扩散晶体管的扩散(PN结结)电容电容MOSFET的导通电阻的导通电阻源极：载流子（电子）的供给源源极：载流子（电子）的供给源漏极：载流子（电子）的排出口漏极：载流子（电子）的排出口2022-5-30MOS晶体管的导通电阻晶体管的导通电阻2022-5-30n导通电阻是一个非线性电阻，与器件的导通电阻是一
8、个非线性电阻，与器件的工作状态有关工作状态有关,平均电阻一般取平均电阻一般取0.75R0n在非饱和区，导通电阻近似为线性电阻在非饱和区，导通电阻近似为线性电阻 即即Ron=1/gmn导通电阻反比于（导通电阻反比于（W/L)，W每增加一倍，每增加一倍，电阻减小一半电阻减小一半)(1THGSoxnonVVLWCR2022-5-30作业作业：1.请画出晶体管的请画出晶体管的ID-VDS特性曲线，指特性曲线，指出饱和区和非饱和区的工作条件及各出饱和区和非饱和区的工作条件及各自的电流方程（忽略沟道长度调制效自的电流方程（忽略沟道长度调制效应和短沟道效应）。应和短沟道效应）。2.写出考虑沟道调制效应时饱和区电写出考虑沟道调制效应时饱和区电流方程式。流方程式。
