ch2 MOS器件物理基础.ppt

重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 1 第二章MOS器件物理基础 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 2 MOSFET的结构 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 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 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 4 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 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 5 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 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 6 例 判断制造下列电路的衬底类型 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 7 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 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 8 NMOS管VGS VT VDS 0时的示意图 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 9 NMOS管VGS VT 0 VDS VGS VT时的示意图 沟道未夹断条件 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 10 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 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 11 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 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 12 I V特性的推导 2 对于半导体 且 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 13 三极管区的MOSFET 0 VDS VGS VT 等效为一个压控电阻 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 14 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 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 15 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 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 16 NMOS管VGS VT VDS VGS VT时的示意图 电子 耗尽区 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 17 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 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 18 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 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 19 MOSFET的跨导gm 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 20 MOS管饱和的判断条件 NMOS饱和条件 Vgs VTN Vd Vg VTHN PMOS饱和条件 Vgs VTP Vd Vg VTP g d g d 判断MOS管是否工作在饱和区时 不必考虑Vs 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 21 MOS模拟开关 MOS管为什么可用作模拟开关 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 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 22 NMOS模拟开关传送高电平的阈值损失特性 假定 1 电平为3V 0 电平为0V VTN 0 5V 试确定C1 C2的终值电压 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 23 PMOS模拟开关传送低电平的阈值损失特性 假定 1 电平为3V 0 电平为0V VTP 0 5V 试确定C1 C2的终值电压 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 24 MOS管的开启电压VT及体效应 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 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 25 MOS管的开启电压VT及体效应 体效应系数 VBS 0时 0 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 26 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 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 27 衬底跨导gmb 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 28 MOSFET的沟道调制效应 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 29 MOSFET的沟道调制效应 L L 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 30 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 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 31 MOS管跨导gm不同表示法比较 上式中 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 32 亚阈值导电特性 1 是一个非理想因子 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 33 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 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 34 MOS低频小信号模型 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 35 例 求下列电路的低频小信号输出电阻 0 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 36 例 求下列电路的低频小信号输出电阻 0 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 37 例 求下列电路的低频小信号输出电阻 0 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 38 小信号电阻总结 0 对于图 A 对于图 B 对于图 C 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 39 MOS器件版图 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 40 MOS电容器的结构 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 41 MOS器件电容 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 42 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 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 43 栅源 栅漏电容随VGS的变化曲线 C3 C4 COVWCov 每单位宽度的交叠电容 MOS管关断时 CGD CGS CovW CGB C1 C2 C1 WLCox MOS管深线性区时 CGD CGS C1 2 CovW CGB 0 C2被沟道屏蔽 MOS管饱和时 CGS 2C1 3 CovW 蔼CGD CovW CGB 0 C2被沟道屏蔽 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 44 栅极电阻 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 45 完整的MOS小信号模型 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 46 NMOS器件的电容 电压特性 积累区 强反型 重邮光电工程学院 模拟集成电路设计绪论Ch 1 47 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