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第二章MOS器件物理基础 1 MOSFET开关 N型MOSFET 导通时VG的值 阈值电压 源漏之间的电阻 源漏电阻与各端电压的关系 2 MOSFET的结构 3 衬底 Ldrawn 沟道总长度 Leff 沟道有效长度 Leff Ldrawn 2LD MOSFET的结构 LD 横向扩散长度 bulk body tox 氧化层厚度 源极 提供载流子 漏极 收集载流子 4 MOSFET Metal OxideSemiconductorField EffectTransistorCMOS 互补MOSn型MOSFET 载流子为电子p型MOSFET 载流子为空穴 阱 局部衬底 5 MOS管正常工作的基本条件 MOS管正常工作的基本条件是 所有衬源 B S 衬漏 B D pn结必须反偏 寄生二极管 6 同一衬底上的NMOS和PMOS器件 寄生二极管 N SUB必须接最高电位VDD P SUB必须接最低电位VSS 阱中MOSFET衬底常接源极S MOS管所有pn结必须反偏 7 MOS晶体管符号 8 NMOS晶体管工作原理 导电沟道形成 9 VGS VT VDS 0 10 VGS VT 0 VDS VGS VT称为三极管区或线性区 沟道未夹断条件 11 VGS VT VDS VGS VT称为饱和区 12 NMOS器件的阈值电压VTH a 栅压控制的MOSFET b 耗尽区的形成 c 反型的开始 d 反型层的形成 形成沟道时的VG称为阈值电压记为VT 13 MS 多晶硅栅与硅衬底功函数之差 Qdep耗尽区的电荷 是衬源电压VBS的函数 Cox 单位面积栅氧化层电容 2 F 强反型时的表面电势 k 玻耳兹曼常数q 电子电荷Nsub 衬底掺杂浓度ni 本征自由载流子浓度 si 硅的介电常数 14 阈值电压调整 改变沟道区掺杂浓度 15 NMOS沟道电势示意图 0 VDS VGS VT 边界条件 V x x 0 0 V x x L VDS 16 Qd 沟道电荷密度 Cox 单位面积栅电容 沟道单位长度电荷 C m WCox MOSFET单位长度的总电容 Qd x 沿沟道点x处的电荷密度 V x 沟道x点处的电势 I V特性的推导 1 电荷移动速度 m s V x x 0 0 V x x L VDS 17 I V特性的推导 2 对于半导体 且 18 I V特性的推导 3 三极管区 线性区 每条曲线在VDS VGS VTH时取最大值 且大小为 VDS VGS VTH时沟道刚好被夹断 19 三极管区的nMOSFET 0 VDS VGS VT 等效为一个压控电阻 20 饱和区的MOSFET VDS VGS VT 当V x 接近VGS VT Qd x 接近于0 即反型层将在X L处终止 沟道被夹断 21 MOSFET的I V特性 TriodeRegion VDS VGS VT 沟道电阻随VDS增加而增加导致曲线弯曲 曲线开始斜率正比于VGS VT VDS VGS VT 用作恒流源条件 工作在饱和区且VGS const 22 NMOS管的电流公式 截至区 Vgs VTH 线性区 Vgs VTHVDS Vgs VTH 饱和区 Vgs VTHVDS Vgs VTH 23 MOS管饱和的判断条件 NMOS饱和条件 Vgs VTHN Vd Vg VTHN PMOS饱和条件 Vgs VTHP Vd Vg VTHP g d g d 判断MOS管是否工作在饱和区时 不必考虑Vs 24 MOSFET的跨导gm 25 MOS模拟开关 MOS管D S可互换 电流可以双向流动 可通过栅源电源 Vgs 方便控制MOS管的导通与关断 关断后Id 0 26 二级效应 27 MOS管的开启电压VT及体效应 体效应系数 VBS 0时 0 28 MOS管体效应的Pspice仿真结果 Vb 0 5v Vb 0v Vb 0 5v Id Vg 体效应的应用 利用衬底作为MOS管的第3个输入端利用VT减小用于低压电源电路设计 29 衬底跨导gmb 30 MOSFET的沟道调制效应 31 MOSFET的沟道调制效应 L L 32 MOS管沟道调制效应的Pspice仿真结果 VGS VT 0 15V W 100 ID VDS L 1 L2 2 6 4 33 MOS管跨导gm不同表示法比较 上式中 34 亚阈值导电特性 1 是一个非理想因子 35 MOS管亚阈值导电特性的Pspice仿真结果 VgS logID 仿真条件 VT 0 6 W L 100 2 MOS管亚阈值电流ID一般为几十 几百nA 常用于低功耗放大器 带隙基准设计 36 MOS器件模型 37 MOS器件版图 38 MOS电容器的结构 39 MOS器件电容 40 C1 栅极和沟道之间的氧化层电容 C2 衬底和沟道之间的耗尽层电容 C3 C4栅极和有源区交叠电容 41 C5 C6有源区和衬底之间的结电容 42 栅源 栅漏 栅衬电容与VGS关系 1 VGS VTH截止区 43 2 VGS VTHVDS VGS VTH深三极管区 44 3 VGS VTHVDS VGS VTH饱和区 45 栅源 栅漏电容随VGS的变化曲线 46 NMOS器件的电容 电压特性 积累区 强反型 47 减小MOS器件电容的版图结构 对于图a CDB CSB WECj 2 W E Cjsw 对于图b CDB W 2 ECj 2 W 2 E CjswCSB 2 W 2 ECj 2 W 2 E Cjsw WECj 2 W 2E Cjsw 48 栅极电阻 49 MOS低频小信号模型 50 完整的MOS小信号模型 51 作业 2 1 2 2 2 5 2 9 2 15 52 实验熟悉HSPICE环境及MOS晶体管特性在Windows下Tanner环境下SPICE的使用任务 1 完成NMOS和PMOS晶体管I V特性的仿真 包括AW L不变 在不同的Vgs下 Ids与Vds关系BW L不变 在不同的Vds下 Ids与Vgs关系CVgs不变 在不同的W L下 Ids与Vds关系2 习题2 5b3 衬底调制效应的仿真 习题2 5e时间4小时实验报告要求画出各个曲线 上交电子版 53 例 求下列电路的低频小信号输出电阻 0 54 例 求下列电路的低频小信号输出电阻 0 55 例 求下列电路的低频小信号输出电阻 0 56 小信号电阻总结 0 对于图 A 对于图 B 对于图 C 57 例 若W L 50 0 5 ID 500uA 分别求 NMOS PMOS的跨导及输出阻抗以及本征增益gmr0 tox 9e 9 n 0 1 p 0 2 n 350cm2 V s p 100cm2 V s tox 50 Cox 6 9fF m2 1 10 10m 1fF 10 15F tox 90 Cox 6 9 50 90 3 83f