MOS晶体管原理与特性

• 一、工作区域
• 二、长沟道晶体管的I-V特性
• • I-V特性表达式为
  • I-V特性表现图为
• 三、非理想晶体管的I-V效应
• 四、晶体管的C-V特性
• • 栅电容Cg
  • 覆盖电容Cgol
  • 扩散电容Csb、Cdb

一、工作区域

MOS管有三种状态工作区域：

• 截止区
• 线性区
• 饱和区

以nMOS管为例：(Vgs为栅极与源级间的电压，Vt为截止电压，Vgd为栅极与漏级间的电压，Vds为源级与漏级间的电压)

  如果Vgs<Vt时，晶体管为截止区；

  如果Vgs>Vt时，晶体管为导通，并Vds较小，晶体管处于线性区，因为此时电流Ids与电压Vds成正比；

  如果Vgs>Vt时，并Vds较大时，晶体管处于饱和区，因为此时电流Ids与电压Vds成无关；

例图如下：

  当Vgd=Vgs，即Vds=0时，源级与漏级两端的沟道厚度相同；当Vgs>Vgd>Vt，即0<Vds<Vgs-Vt时，漏级沟道变薄；当Vgd<Vt,即Vds>Vgs-Vt时，漏级沟道夹断，并沟道长度变短。

  pMOS管与nMOS管工作方式相反。

二、长沟道晶体管的I-V特性

  长沟道晶体管的I-V特性也可称为理性型晶体管的I-V特性，因为没有考虑在高电场下引起的迁移率退化和速度饱和。

I-V特性表达式为

  详细过程请看《cMOS超大规模集成电路设计》(第四版)的2.2节。

I-V特性表现图为

三、非理想晶体管的I-V效应

  从图中可以看到饱和电流随Vgs的增长小于平方律的增长。这是由两个效应引起的:速度饱和与迁移率退化。当横向电场强度(Vds/L)很大时，载流子速度不再随场强线性增加。这称为速度饱和，它使Ids在Vds较大时小于预期值。当纵向电场强度(Vgs/tox)很大时，载流子由于经常发生散射而偏离栅氧界面，这使它们沿沟道方向的进程减慢。这一迁移率退化的效应也使电流在V较大时小于预期值。非理想晶体管的饱和电流也会随Va的增加而增大一些。这是由沟长调制引起的，因为较高的Vds加大了漏极附近的耗尽区，因而在实际上缩短了沟道长度。

  阈值电压是表示使沟道反型所需要的栅电压，因而它主要由栅氧厚度和沟道掺杂浓度决定。但晶体管中的其他电场也会对沟道产生某些影响，即实际上它们也会改变阈值电压。例如，加大源和体之间的电压将会由于体效应使阈值电压提高，加大漏极电压将会由于漏致势垒降低(DIBL)使阈值电压降低，而加大沟道长度将会由于短沟道效应使阈值电压增加。

  有几个泄漏原因使在名义上关断的晶体管中仍有电流流过。当Vgs<Vt时，电流将按指数方式下降而不是立即变为0，这称为亚阈值导电。理想上进入栅极的电流Ig为0。但由于栅氧厚度已减小到只有几个原子层的厚度，因此电子可以隧穿到栅中引起某些栅泄漏电流。虽然源和漏扩散区通常是反向偏置的二极管，但它们也有进人衬底或阱的结泄漏电流。

  迁移率和阈值电压都随温度升高而减小。对于充分导通的晶体管，迁移率的影响往往是主要的，这使在高温下L减小。而对于关断的晶体管，阈值电压的影响是最重要的，因而高温下的泄漏电流较大。总之，MOS管的特性随温度升高而变差。

  由于这些一些列效应，使I-V效应变得复杂，很难对其进行计算，因此需要用到SPICE或类似的软件进行模拟。

四、晶体管的C-V特性

  MOS晶体管的每一个端口对其他的端口间都有电容。一般来说，这些电容都是非线性的并且与电压有关（C-V）。

  电容可分为：栅电容Cg和扩散电容Csb、Cdb。

栅电容Cg

  栅电容Cg 又由本征电容Cgc和覆盖电容Cgol两部分组成。

  本征电容Cgc 又由本Cgb(栅与体)和Cgs(栅与源)、Cgd(栅与漏)三部分组成。

  在长沟道nMOS管中，对扩散电容对其影响很小，在不考虑覆盖电容时，MOS管的栅电容的近似情况为：

  图中

覆盖电容Cgol

  覆盖电容Cgol又分为Cgsol(栅与源覆盖部分)和Cgdol(栅与漏覆盖部分)。

  在短沟道晶体管中，覆盖电容对其影响就较大了。所以，在实际器件中，总的栅电容需由本征电容和覆盖电容相加得到。

扩散电容Csb、Cdb

  扩散电容Csb为源级扩散区与体之间的p-n结形成了跨在耗尽区上的寄生电容。这一电容同时取决于源扩散区的面积( area)AS和侧壁周长( sidewall perimeter)PS.

  漏极扩散区具有类似的寄生电容，它的大小与AD、PD和V。有关。pMOS晶体管也有同等的关系式，但掺杂浓度不同。