-MOS晶體管基本原理

MOS電晶醴基本原理MOS重晶醴概述MOS埸效鷹重晶（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTran）H0各SMOS數(shù)位稹颼重路的基本組成罩詢(xún)資吸型重晶瞰BJT,BipolarJunctionTransistor^比，MOS重晶颼的面稹比敕小，且裂造工序也少，因此OS已成卷VLSI重路中使用最廉泛的器件，主要用於橫造數(shù)位重路的^信局器件。金^氧化半醇醴MOS）的結(jié)情H2.1所示的是具有雨他重?cái)X的藺MOS結(jié)播它由三眉橫成金^柵擷二氧化矽系面^^p型勰底（在Si中攙入了3^元素如硼）MOS結(jié)情形成了一固重容，其中柵擷和勰底分別是重容的雨擷，二氧化矽余色^^作懸雨擷之^的重介^，其厚度一般在10nm到50nm之亂在勰底的截流子浸度及分偉可以受加到刪財(cái)口勰底的外部重屋影警。MOS重晶醴（MOSFET）的結(jié)情和工作原理一他n型MOS器件的基本結(jié)橫如圈.8所示造槿器件的勰底箱型其中雨他顯域探臥+攙雄可以形成漏擷和源趣勰底表面源擷和柵擷之^的扇域用一屑薄氧化物覆蓋金^（或者多晶矽）沉稹其上作卷柵擷雨他〃+顯域是追他器件重流傅翰的雨擷。造槿器件中源擷和漏擷結(jié)橫上是完全封耦的；所載入的結(jié)重屋和重流流勤的方向決定了造雨他扇域的不同功能。厚重潢道的形成是取決於源擷和漏擷之^所載入的重屋及柵擷上施加的偏置重屋。漏擷和源擷之^^散眉的距雕叫做潢道接度潢道的橫向播展耦之卷潢道寬度

W。潢道笈度和潢道：！度都是重要的參噩優(yōu)可以控制MOS重晶颼的一些重器特性。另外，覆蓋在潢道上的氧化眉的厚度也是一他重要的參數(shù)。GATES2.8n清道增強(qiáng)型MOSt晶颼的物理結(jié)情GATES2.8n清道增強(qiáng)型MOSt晶颼的物理結(jié)情MOSt晶颼在零偏置重屋的情況下沒(méi)有醇喜黃道，它耦卷增強(qiáng)型(ncement-Type/EnhancementMode)MOSt晶骨!)否即它耦懸耗翥型(Depletion-Type/GS2.9器件端的縮癮是s s ]GS2.9器件端的縮癮是s s ]|~ -B G |__| G °D D D四極 簡(jiǎn)化 簡(jiǎn)化p溝道MOSFETn清道和p清道增強(qiáng)型MOSt晶颼的t路符虢柵擷用表示，漏擷用0表示，源擷膈表示，勰底理表S S S四極 簡(jiǎn)化 簡(jiǎn)化n溝道MOSFET2Depletion-Mode)MOSt晶骨良具隹型勰底和h+型的源擷、漏才骷MOSt晶艘中，表面形成的曷型。因此，造槿器件被耦之編潢道MOSt晶骨良具母型勰底和P+型的源擷漏擷的MOSt晶颼中表面形成的母型。因此造槿器件被耦之^p潢道MOSt晶骨良D D DG BG G

示。在n潢道MOS重晶颼中，重酸交低的+顯域是源甌敕高的是漏包的定所有的擷耕重屋都用相封源擷的重屋來(lái)表示。因此，柵擷到源擷的置斛勰底到源GS擷的重屋就5。n潢道和p潢道的增強(qiáng)型MOS重晶颼的重路符號(hào)虎如圜9所示。除了造槿四擷符虢可以表示器件所有外部擷黑占外，常常逮探用藺罩的三擷表示方法。注意在造槿藺罩的MOS重晶颼重路符虢圈中，治恩是用小箭^來(lái)^^源擷。首先考感一下膏.8中所示的^^道增強(qiáng)型MOS重晶艘造槿器件的藺罩工作原理是：使用柵擷重屋羥生的重埸作卷可控燮數(shù)，來(lái)控制源擷和漏擷之^的重流傅翰。因卷潢道重流輿源漏重屢和勰底重屢相信隊(duì)重流可以被熬卷是追些外部信號(hào)虎的函數(shù)。下面符辭^的言瑞俞擷期重屋和潢道重流之^的國(guó)矍孀副系。然而，懸了在漏擷和源擷之^傅翰重流，首先必須形成一他厚重潢道。n潢道增強(qiáng)型MOS重晶颼最藺罩的偏置情況可以如圓0所示。源擷，漏擷和勰底全部接地。加到柵擷一他正向的柵擷-源擷警，以便形成厚重潢道。隨著偏置重屋的改燮，源擷和漏擷之^播散扇的潢道曾像在第中所描述的那檬燮化。封於小的柵擷111主要截流子（空穴）被排斥到勰底中表面的p型勰底是耗翥的。由於表面缺乏任何自由截流子，重流不能在源擷和漏擷之^傅翰。V=0 VGSYv源極(n源極(n+)耗盡區(qū)漏極(n+)襯底（p型硅）§2.10n清道增強(qiáng)型MOSt晶颼耗翥眉

2.2MOS重晶醴^算模型MODFET重流一重屋特性分析不同偏置修件下的4OS重晶颼重流-重屋昌御系需要迤行一些近似來(lái)藺化相鷹的^算。如果不迤行一些藺化，那麼分析^B祭的三儺S系統(tǒng)符曾是一他非常禊雄的冏霉也不曾得到一固朗合型的重流-重屢割系式。在下面的部分，我跚各曾使用逐步的5黃道近似法GradualChannelApproximatipiGCA）來(lái)建立MOS重晶骨亶的重流-重^^系，道可符分析藺化到一雉的重流-重屋冏題。所得到的結(jié)果相封比敕藺罩^且也比敕符合^^結(jié)果然而由於是一槿近似的方法GCA也有它的局限性，尤其是封於小尺寸白MOS重晶骨良我憑曾言儒俞最常見(jiàn)的局限性企且指出可能的修正方法。vDSSvDSS2.14工作于玲泉性扇的15道t晶颼橫截面圜2.16工作在鮑和扇的1清道MOS重晶醴的清道晨度^裂因此，潢道重流可以表示懸：, ^N-圜2.16工作在鮑和扇的1清道MOS重晶醴的清道晨度^裂因此，潢道重流可以表示懸：, ^N-C—z、I(sat)=n-喀? ?(V-V)2D 2LGST0(2.43)注意追他重流建算式輿有效潢道笈感且工作于能和顯的MOS重晶颼相一致。式了潢道笈度的縮短，道被耦之寂皆道笈度^^髓著匕$的增加而減少，能和顯重流ID(sat)曾隨著V$而增加。通遇大概估三十潢道的有效笈度L=L-AL(漏擷偏置重屋的函數(shù)冊(cè)周整式2.43)以便反映漏擷重屋的影警。首先，重新改嘉能和重流如下:I(sat)=)二AL

LNnJ.—.(V-V)22LGST0能和重流建算式中的第一項(xiàng)是考感潢道^^效鷹的影警，而其他部分均奧舞)(完全相同。造就官兌明潢道笈度的縮短量^B祭上火-匕＜仃的平方根成正比:$D$A1(2.45)ALxJV-V(2.45)ID$DSAT^了迤一步藺化分析，使用如下完全根摞^^得來(lái)的輿漏擷-源擷重屋之^的^(2.46)1——a1一九,V(2.46)L DSBa九是一囤柳瞬模型爹!■攵通常被耦作潢道笈度^黝藕假定九么?1,式（2.43）%合定的能和重流可以被重新改嘉卷：,、U?CW, 、廠c 、I（sat）=———吐?一?（V一V）2?（1+"V） （247）D 2LGS T0 DSB他藺罩的重流建算式指出了重晶颼中能和重流和漏擷偏置懸樂(lè)泉性昌御系的部分，其主要取決於誨里瞬參數(shù)。儒管道一建算式加不能精碓反映潢道笈度縮短量輿漏擷偏置之^的物理割系，但是式2.47）用來(lái)作一皆手工分析已誨型足別了。量7中描述了使用式（2.32）得到的口型MOS重晶颼漏擷重流和漏擷-柵擷重屢的樂(lè)泉性扇和使用式（2.47）得到的能和國(guó)能和顯的重流闔章「泉性增艮而不再保持常量。能和顯的重流-重屋曲樂(lè)泉的斜率取決於黃道笈度^^系數(shù)cSJJnocSJJno匚-B」白Ora^nVoltage圄2.17受清道晨度^^影轡閨清道MOS重晶醴重流-重屢特性的^底偏置效鷹

扇入和扇出扇出是指圉妾到輸出的翼載咒的數(shù)國(guó)幅2.34)。增加咒的扇出曾影警它的暹事苴輸出重平。優(yōu)模擦放大器中可以看到，懸了減少造槿影警，符輸入阻抗儒量增大6成少輸入重流)同畤儒量減少輸出阻抗(減少翼載重流封輸出重屋的影鷺扇出敕大畤，增加的翼載^化了^^咒的勤熊性能。由於追他原因，卷午多通用物件廛中定羲了最大扇出，以便保瞪咒的靜熊性能和勤熊性能。咒的扇入定羲懸咒的輸入數(shù)量(量4力。具有大扇入的咒表琨出禊雄的性^,造厚致敕差的靜熊或者勤熊特性。(a)N個(gè)扇出(b)M個(gè)扇入(a)N個(gè)扇出(b)M個(gè)扇入圈2.34數(shù)字F4中扇入和扇出的定羲理想的數(shù)位FE

2.3.4CMOS反相器前面所分析的反相器都有圜28所示的通用的重路結(jié)橫，它包括一他增強(qiáng)顫OS用品勤管和一他翼載器件，如重阻、增強(qiáng)1MOS管、或耗^^NMOS管。在造槿通用的配置中，輸入信虢治恩是遵在用品勤管的柵擷，反相器的工作主要是由翻醇用品勤管來(lái)控制的介貂一槿完全不同的反相器結(jié)看它包括一他增強(qiáng)曾MOS管和一他增強(qiáng)型PMOS管，工作在互禱模式下圈2.45）。造槿配置被成卷互禱致OS（CMOS）。B路偉局是互禱推挽式的，常輸入卷高號(hào)NMOS管^勤（下拉）輸出第黑占而MOS管作懸翼戴，常輸入卷低0PMOS管^勤（上拉）輸入第黑占而MOS管作卷翼載。雨他器件在重路工作性能上的直獻(xiàn)是一檬的。VinVDD非理想性開(kāi)關(guān)VoutVinVDD非理想性開(kāi)關(guān)Vout非理想性開(kāi)關(guān)（a） （b）圈2.45（a）CMOS反相器B路。（b）CMOS反相器的藺化視圈。CMOS反相器有雨他重要的其他反相器）欠有的侵第一他最重要的侵勢(shì)是除了由於漏B流而引起的很小的功耗MOS反相器的靜熊功耗匍祭上是可以忽略白在其他反相器結(jié)橫中常用品勤管醇通畤治用有非零的靜熊B波符引起很大的靜熊功耗CMOS配置的另一侵勢(shì)是B懿醇移特性VTC）的幅度在0V和V加之胤且VTC曲樂(lè)泉更接近輿理想狀熊。因卷NMOS和PMOS管必爆在同一晶片上此行的罄所以CMOS的加工比襟津NMOS-only的加工禊雄。尤其足乂。5的加工必演舒MOS管提供n型勰底，同畤逮要卷NMOS管提供p型勰底通遇在p型晶片上做1阱或在n型晶片上做3阱而^^此外NMOS和PMOS管的相腐可能曾形成雨他附加的二擷懿而羥生尚金勤效鷹。懸了避免造槿影警，需要在乂。5和PMOS管之^加額外的防^圈￡乂。5裂造中增加的加工禊雄性可看作是減小功耗和提高^(guò)^容限所付出的代1賈。重路的工作在圈2.45中，輸入重屋圖MOS管和PMOS管的柵包麗固重晶颼都直接被輸入信虢匕，噩軌NMOS的勰底接地而PMOS的勰底接重渡必以使源擷和漏旗鼠占反偏。因卷雨他器件的^二0，所以勰底偏屢封雨他器件都沒(méi)有影警。彳他15可看至UV二VGS,n inV=VDS,n out(2.133)\cm/建有VGS,「—(VDD-Vn)VDS,pF-Lu) ⑵134)鬻俞入重屋小雨MOS翻直重做寺，艮Vin＜匕0,NMOS管截止。同除PMOS管醇通，工作在樂(lè)泉性顯。因卷雨他管的漏重流可近似於零，即IDn=IDp=0 (2.135)PMOS的漏擷到源擷的重屋也等於零，且翰入嗨等於重源重屋。Vout".「VDD (2」36)另一方面鬻俞入重屋超遇VDD+匕0)寺，PMOS管截止。道寺NMOS管工作在樂(lè)泉性顯，但是它的漏擷到源擷的重屋等於零，因卷滿(mǎn)足式35)的修件。重路的輸出重^懸Vt=VL=0 (2.137)輸入重屋和輸出重雷夬電MOS管和PMOS管的工作模式。鼠n＞VT0,n且以下修件滿(mǎn)足寺，NMOS工作在能和顯。VdS產(chǎn)VGS.-Vr0,nOVu."V「VT0,n如果滿(mǎn)足匕＜(VDD+VT0p)和以下修件寺，PMOS管工作在能和取VDS,p"八;VT0,pOVout& V0,pH2.46的除影部分表示使器件工作在能和顯的追雨槿修件。定羲到E五他不同的扇域，每一他都封鷹於不同的工作修件。然列出了追些顯域及其相愿的昌馥健翰入和輸出重平。在A&/<匕0,NMOS管截止，輸出重屋等於,=VDD。鬻俞入重屋大於匕0,n畤（迤入8扇），NMOS管期臺(tái)醇通，虞於能和熊，加且輸出重屋翔臺(tái)減小。注意相勵(lì)口匕/叱”=-1的V遼就在B國(guó)鬻俞出重屋迤一步減小曝MOS管在C扇的遏沿迤入能和熊。優(yōu)圜46可看到反相器的^值重屢黑占在顯，有亥黑占慮有Vn=*鬻俞出重圜Vout降到低胭匕一匕on）暗NMOS管期臺(tái)工作在勵(lì)性國(guó)道相愿於H2.46中的DE,lffiBEfV/H在^^內(nèi)。最俊，衽顯，輸入重屋Vn>（VDD+%°，）,PMOS管截止，輸出重屢溫繳=0。表2.5彳能A到E五他不同扇域及其相愿的^筵輸入和輸出重平扇域VinVoutNMOSPMOSA<VT0,nVOH截止扇樂(lè)泉性扇BVILhighxVOH能和扇樂(lè)泉性扇CVThVTh能和扇能和扇DVIHlowXVOL樂(lè)泉性扇能和扇E>(VDD+VT0,p)VOL樂(lè)泉性扇截止10

岫rHonInipuiVoltage(V)S臬晝3號(hào)。nMO&msaiur^i&n岫rHonInipuiVoltage(V)S臬晝3號(hào)。nMO&msaiur^i&nS2.46NMOSg和PMOS管的工作顯在遇分藺化的模型中NMOS管和PMOS管可被看作是理想的四局一由輸入重屋控制一輸出第黑占根摞輸入重平遵到重源上或地壯^^^CMOS反相器的互禱特性。造槿重路的一他最重要的特性是在雨他靜熊工作，上A扇和E扇中，重源提供的重流黑乎^零。在造雨槿情況下的重流是反偏源擷和漏擷結(jié)黑占的漏HMOS反相器可通遇封翼載供鷹重流，或優(yōu)翼載吸收重流來(lái)^^任何翼載，如互逋重容或逋接輸出第黑占的扇出暹事苴PZCMOS反相器的靜螂俞入-輸出重屢特性可通遇考感圜NMOS管和PMOS管特性的交互作用來(lái)注明NMOS重晶颼的漏11流；是重色"和的函覲D,n GS,nDS,n因此，根摞式2.133),NMOS管的漏重流也是反相器輸入和輸出蜀町和Vou的國(guó)覲Jnf(Vn。H2.52示出了典型的CMOS反相器重路的重屋醇移特性曲樂(lè)泉和重源重流作卷輸入重屋的函數(shù)的曲樂(lè)泉。11Q1 Q1 2 3 4 5 6inputVoltage(V)os^-OErpea宜10盤(pán)A)S2.52典型的。^05反相器電路的建屋斡移特性曲^和電源電流。CMOS反相器的建源建屋定襟重源重屋定黑即加的減小，封CMOS反相器的靜熊重懿醇移特性的影警。任何數(shù)位重路的整颼功耗都是重源鶻。的函數(shù)隨著要求在大規(guī)模集成系統(tǒng)中尤其是便揣鷹用器件中減小功耗，重源重屢的減小被^、卷是官招十低功耗系統(tǒng)的一他最普遍而^除的方法。雖隹然造槿方法通常是很有效地，但是我憑必須解決由此而引起的系統(tǒng)性能下降的冏題本第符分析一下在藺罩的MOS反相器重路中重源重屢的減小封VTC的影舞在本第中0,VH和V^的建算式^明3CMOS反相器的靜熊特性允卷午重源重屢有敕大燮化而不影警反相器的基本功能。忽略如克^值傅醇等二P皆影警，常重源重BS如下的最小擷限值晦MOS反相器仍能多夠隱^正碓的工作。"=V。,JV0,J(2.167)道意味著封任何令合定的輸入重屋來(lái)官丸即使至少有一他重晶颼保持醇通，反相器仍能正常工作。S2.54所示在不同重源重屢飛MOS反相器的重屋醇移特性。接近於擷限值的VTC曲樂(lè)泉的匍祭形狀本^上是囪MOS和PMOS管的空阿直傅醇特性決定的，反相器可以在童◎圉很大的重源重屢^^內(nèi)工作。12

InputVollagB(V)SInputVollagB(V)S?=薦石>一各noS2.54電源建屋不同的:MOS反相器的重11斡移特性即使重源重屋超遇了式2(167)所描述的擷值,CMOS反相器仍曾畿^工作，員隹然結(jié)果有一些不同如果重源重屢小於雨他^值重屋之列TC中符有一他任何重晶颼都不W1的顯域。在^^域中，輸出重平由輸出的前一狀懿夬定，因卷前一輸出重平^是被保存在輸出第黑占上。因此，封低重源