中国绅学我术大学 University of Science and Technology of China 第6章MOSFET的电气特性 本章目录 6.1MOS物理学 6.2nFET电流-电压方程 6.3FET的RC模型 6.4pFET特性 6.5小尺寸MOSFET模型 2018-9-5 第6章MOSFET的电气特性 §6.1MOS物理学 © NMOS的电流和电压 Gate VGSn SourceL Ipn ·Drain VDSn Figure 6.1 nFET current and voltages Ipn =Ipn(VGsn VpSa) 2018-9-5 第6章MOSFET的电气特性 2
2018-9-5 第6章 MOSFET的电气特性 1 第 6 章 MOSFET的电气特性 本章目录 6.1 MOS物理学 6.2 nFET电流-电压方程 6.3 FET的RC模型 6.4 pFET特性 6.5 小尺寸MOSFET模型 2018-9-5 第6章 MOSFET的电气特性 2 ( , ) Dn Dn VGSn VDSn I = I NMOS的电流和电压 §6.1 MOS物理学
§6.1MOS物理学 MOS的结构 +VG Gate voltage Gate tox Gate oxide Silicon surface p-type substrate Figure 6.2 Structure of the MOS system 6 OX ￡ax=3.9e,6=8.854×10-14F/cm 2018-9-5 第6章MOSFET的电气特性 §6.1MOS物理学 MOS的结构中的电压 +VG>0 Voltage *ox VG M 9s p-type φs Distance Figure 6.4 Voltages in the MOS system '6='x+s V:氧化层的电压降；s:表面电势 23=-Cx'x Qs:表面电荷密度，单位：C/cm2 2018-9-5 第6章MOSFET的电气特性
2018-9-5 第6章 MOSFET的电气特性 3 §6.1 MOS物理学 ox ox ox t C ε = 3.9 , 8.854 10 F/cm 14 0 0 − ε ox = ε ε = × MOS的结构 2018-9-5 第6章 MOSFET的电气特性 4 §6.1 MOS物理学 VG =Vox +φS QS = −CoxVox MOS的结构中的电压 Vox：氧化层的电压降；φS：表面电势 2 QS：表面电荷密度，单位：C/cm
§6.1MOS物理学 MOS结构中的体（耗尽）电荷 +VG >0 small Gate Vox Depletion region xd Bulk charge OB p-type.Na Figure 6.6 Bulk(depletion)charge in the MOS system 0B=-V2q8N4, Q:体电荷密度，单位：C/cm2 6=11.8eo;N,:衬底掺杂浓度 2018-9-5 第6章MOSFET的电气特性 §6.1MOS物理学 19 MOS的结构中的电子电荷 VG Vmn Gate Electron layer Qe Bulk charge 9B p-type.Na 9s=9B+9e Figure 6.7 Formation of the electron charge layer Qs=QB+Q。 Q。:反型层电子密度 'e>Vn时，g。=-Cx(Wc-'m) 2018-9-5 第6章MOSFET的电气特性 6
2018-9-5 第6章 MOSFET的电气特性 5 §6.1 MOS物理学 B SiNa s Q = − 2qε φ MOS结构中的体(耗尽)电荷 ； ：衬底掺杂浓度 ：体电荷密度，单位： Si a B N Q 0 2 11.8 C/cm ε = ε 2018-9-5 第6章 MOSFET的电气特性 6 §6.1 MOS物理学 MOS的结构中的电子电荷 QS = QB + Qe ( ) VG >VTn时，Qe = −Cox VG −VTn Qe ：反型层电子密度
§6.1MOS物理学 阈值电压公式 阈值电压：衬底表面形成强反型时的栅源电压。 强反型：反型层中的载流子浓度与衬底的多数载流子浓度 相等。 当表面电势=2|中时，衬底表面出现强反型 2018-9-5 第6章MOSFET的电气特性 §6.1MOS物理学 理想MOS结构的阈值电压 理想MOS:栅和衬底材料一样，氧化层没有电荷 三2g6N.21D+2, 实际MOS结构的阈值电压 m-C2g8N214D+2到4+'a VB:平带电压 调整后的阈值电压公式 m=CV2qN.214D+2141+'6+2 1 D:注入剂量，即每平方厘米注入的离子数 2018-9-5 第6章MOSFET的电气特性 8
2018-9-5 第6章 MOSFET的电气特性 7 §6.1 MOS物理学 阈值电压公式 阈值电压：衬底表面形成强反型时的栅源电压。 ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = = i a F F S F n N q kT | | | | ln 2 | | φ φ φ φ ：体费米电势， 当表面电势 时，衬底表面出现强反型 强反型：反型层中的载流子浓度与衬底的多数载流子浓度 相等。 2018-9-5 第6章 MOSFET的电气特性 8 ox I Si a F F FB ox Tn C qD q N V C V = 2 (2 | |) + 2 | | + + 1 ε φ φ Si a F F FB ox Tn q N V C V = 2 (2 | |) + 2 | | + 1 ε φ φ 实际MOS结构的阈值电压 调整后的阈值电压公式 §6.1 MOS物理学 VFB：平带电压 DI ：注入剂量，即每平方厘米注入的离子数 2 (2 | |) 2 | | 1 Si a F F ox Tn q N C V = ε φ + φ 理想MOS结构的阈值电压 理想MOS：栅和衬底材料一样，氧化层没有电荷
§6.1MOS物理学 例：已知T=300K,N。=105/cm3,tox=50A=50×10-8cm,'FB=-0.85V, D,=4×102/cm2,求' 解： k灯=0.026V C-Ea=39x8854x10-4 50x10-8 —=0.69×106F/em2 24,|=2×7x1n-=2x0026xIn 105 q 1.45x1010=0.579V 1 q6N,D 01 0.69×10×v2x16x10-x1.8x8854×10“x105x0.579=0.02V 1 9D=1.6×1019×4×102 =0.928V Cox 0.69×10-6 Vm=0.02+0.579-0.85+0.928=0.677V 2018-9-5 第6章MOSFET的电气特性 §6.1MOS物理学 19 §6.2.2体偏置效应 当源和体（衬底）之间存在Vsm>0时 Vm VTon +r(210F 1+VsBn -v21 0FD) G 体偏置系数：y-2g5,单位vVN VSBn B 体偏置效应使阈值电压增大！ Bulk (substrate) Figure 6.15 Bulk electrode and body-bias voltage 2018-9-5 第6章MOSFET的电气特性 10
2018-9-5 第6章 MOSFET的电气特性 9 §6.1 MOS物理学 求 。 例：已知 I Tn a ox FB D V T N t V 4 10 / cm , 300K, 10 / cm , 50A 50 10 cm, 0.85V, 12 2 15 3 8 = × = = = = × = − − o 解： = 0.026V q kT 0.579V 1.45 10 10 2 2 ln 2 0.026 ln 10 15 = × = × × = × × i a F n N q kT φ 6 2 8 14 0.69 10 F/cm 50 10 3.9 8.854 10 − − − = × × × × = = ox ox ox t C ε 2 1.6 10 11.8 8.854 10 10 0.579 0.02V 0.69 10 1 2 (2 | |) 1 19 14 15 6 × × × × × × × × = × = − − − Si a F ox q N C ε φ 0.928V 0.69 10 1.6 10 4 10 6 19 12 = × × × × = − − ox I C qD VTn = 0.02 + 0.579 − 0.85+ 0.928 = 0.677V 2018-9-5 第6章 MOSFET的电气特性 10 §6.2.2 体偏置效应 当源和体（衬底）之间存在VSBn>0时 ( 2 | | 2 | |) VTn VT 0n φ F VSBn φ F = + γ + − V 2 体偏置系数： ，单位 ox Si a C qε N γ = 体偏置效应使阈值电压增大！ §6.1 MOS物理学
§6.1MOS物理学 例6.3，有-个nFET,它的yom=0.70V,y=0.08V2,2pp=0.58V。 阈值电压与体偏置电压'的关系为 Vm=0.70+0.08(V0.58+V-V0.58) VSBn(V) Vin(V) Vm 0 0.70 1.0 1 0.74 2 0.77 0.5 3 0.79 0 VSBn Figure 6.16 Body-bias effect 2018-9-5 第6章MOSFET的电气特性 §6.2nFET电流一电压方程 NMOS结构细节 Gate n+ n+ Gate Source. Gate oxide Source Drain 之←Drain -HL p-substrate -Bulk electrode (a)Side view (b)Top view Figure 6.8 Details of the nFET structure 注：本章讨论中所用的W和L值是从电气上考虑的尺寸即 “有效”值，不是版图设计时所画的尺寸。 L=L'-△L W=W-△W 2018-9-5 第6章MOSFET的电气特性 12
2018-9-5 第6章 MOSFET的电气特性 11 3 0.79 2 0.77 1 0.74 0 0.70 VTn V (V) SBn(V) 0.70 0.08( 0.58 0.58) 6.3 nFET, 0.70V, 0.08V ,2 0.58V 1 2 0 = + + − = = = Tn SBn SBn T n F V V V V 阈值电压与体偏置电压 的关系为 例 ，有一个 它的 γ φ 。 §6.1 MOS物理学 2018-9-5 第6章 MOSFET的电气特性 12 §6.2 nFET电流—电压方程 NMOS结构细节 注：本章讨论中所用的W和L值是从电气上考虑的尺寸即 “有效”值，不是版图设计时所画的尺寸。 L = L'−ΔL W = W '−ΔW
§6.2nFET电流一电压方程 NMOS电流一电压方程 VGSn'>0 =c(g-以空到-号--l 饱和区：'psn>'m-Vm>0 器件互导：P=K W 工艺互导：k,=以，C-4匹 2018-9-5 第6章MOSFET的电气特性 14
2018-9-5 第6章 MOSFET的电气特性 13 §6.2 nFET电流—电压方程 NMOS电流—电压方程 2018-9-5 第6章 MOSFET的电气特性 14 §6.2 nFET电流—电压方程 [2( ) ] 2 ] 2 [( ) 0 2 2 GSn Tn DSn DSn DSn n Dn n ox GSn Tn DSn GSn Tn DSn V V V V V V V V L W I C V V V ⎟ − − = − − ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = − > > β μ 非饱和区（线性区）： 2 2 ( ) 2 ( ) 2 1 0 GSn Tn n Dn n ox GSn Tn DSn GSn Tn V V V V L W I C V V V ⎟ − = − ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = > − > β μ 饱和区： ox n ox n n n n ox t k C L W k μ ε β ⎟ = μ = ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = ' ' 器件互导： 工艺互导： < = 0 GSn Tn Dn 截止区：V V I NMOS电流—电压方程
§6.2nFET电流一电压方程 例6.1：一个nFET,其栅氧层厚度为tx=12nm, 电子迁移率为4，=540cm2/(V·s) 每cm的氧化层电容为 Cm-398-39x8854×10-4 1.2×10-6 —=2.88×10-7F/cm2 工艺互导为 kn=4nCm=540×2.88×10-7=1.55×104A/W2=155uA/V2 若氧化层厚度为tox=8nm, 则工艺互导为k,=233μAV2，说明器件更加灵敏。 2018-9-5 第6章MOSFET的电气特性 15 §6.2nFET电流一电压方程 例6.2：一个具有下列特性的n沟道MOSFET: tox=10nm,4n=520cm2/(V.s),(W1L)=8,'m=0.7V, 氧化层电容 3.9×8.854×10-14 10×10-7 =3.453×10-7F/cm2 工艺互导为 k,=4nCa=520×3.453×10-7=1.8×10-4A/V2=180μA/V2 器件互号为民-（艺）=-180uA×8=14mAN 2018-9-5 第6章MOSFET的电气特性 16
2018-9-5 第6章 MOSFET的电气特性 15 tox =12nm， 540cm /(V s) 2 n μ = ⋅ 7 2 6 14 0 2.88 10 F/cm 1.2 10 3.9 3.9 8.854 10 − − − = × × × × = = ox ox t C ε ' 7 4 2 2 = = 540× 2.88×10 =1.55×10 A/V =155μA/V − − n nCox k μ tox = 8nm， ' 2 kn = 233μA/V 例6.1：一个nFET，其栅氧层厚度为 电子迁移率为 每cm2的氧化层电容为 工艺互导为 若氧化层厚度为 则工艺互导为 ，说明器件更加灵敏。 §6.2 nFET电流—电压方程 2018-9-5 第6章 MOSFET的电气特性 16 10nm, 520cm /(V s),( / ) 8, 0.7V, 2 tox = μn = ⋅ W L = VTn = 7 2 7 14 3.453 10 F/cm 10 10 3.9 8.854 10 − − − = × × × × = = ox ox ox t C ε ' 7 4 2 2 = = 520×3.453×10 =1.8×10 A/V =180μA/V − − n nCox k μ ' 2 = ( ) =180μA×8 =1.44mA/V L W k β n n 例6.2：一个具有下列特性的n沟道MOSFET： 氧化层电容 工艺互导为 器件互导为 §6.2 nFET电流—电压方程
§6.2nFET电流一电压方程 若nFET的电压'csn=2V,'osm=2V, 'cm-'m=2-0.7=1.3VVosm=1.2V nFET非饱和，所以 1nm-号2Ua-ym.-%l s1.44 2×1.3×1.2-1.22)=1.210mA 2 2018-9-5 第6章MOSFET的电气特性 §6.2nFET电流一电压方程 沟道长度调制效应 Ipn non-←=i→saturation saturation VGSn VTn 0 Vsat VDSn 1nm*号(as-ynI+i-y】 1:沟道长度调制参数 饱和电压：V.a=Vps peak cumrent='csn-'n 2018-9-5 第6章MOSFET的电气特性 18
2018-9-5 第6章 MOSFET的电气特性 17 VGSn −VTn = 2 − 0.7 =1.3V VDSn =1.2V (2 1.3 1.2 1.2 ) 1.210mA 2 1.44 [2( ) ] 2 2 2 = × × − = = GSn − Tn DSn − DSn n I Dn V V V V β nFET饱和，所以 若nFET的电压 nFET非饱和，所以 = 2V, = 2V, 若nFET的电压 VGSn VDSn §6.2 nFET电流—电压方程 2018-9-5 第6章 MOSFET的电气特性 18 §6.2 nFET电流—电压方程 ( ) [1 ( )] 2 2 GSn Tn DSn sat n I Dn ≈ V −V + λ V −V β λ：沟道长度调制参数 Vsat =VDSn peak current =VGSn −VTn 饱和电压： | 沟道长度调制效应
§6.2nFET电流一电压方程 © §6.2.1 SPICE Level1方程 Vasn<'时： Ipn =0 'osn≤Va时： 1a-号2a-.ya-%1KI+z） Vosn≥Va时： 1nm-号(Wa-nPI+s) 2018-9-5 第6章MOSFET的电气特性 19 §6.3FET的RC模型 NMOS的线性模型 G G Rn S+ ·D s. ·D 卞Cs CD 登n (a)nFET Symbol (b)Linear model for nFET Figure 6.19 RC model of an nFET 2018-9-5 第6章MOSFET的电气特性 20
2018-9-5 第6章 MOSFET的电气特性 19 §6.2 nFET电流—电压方程 §6.2.1 SPICE Level 1方程 [2( ) ](1 ) 2 2 GSn Tn DSn DSn DSn n Dn DSn sat I V V V V V V V λ β= − − + ≤ 时： ( ) (1 ) 2 2 GSn Tn DSn n Dn DSn sat I V V V V V λ β= − + ≥ 时： = 0 < Dn GSn Tn I V V 时： 2018-9-5 第6章 MOSFET的电气特性 20 §6.3 FET的RC模型 NMOS的线性模型