器件物理基础PPT课件.ppt

通信工程学院1 1 第二章MOS器件物理基础 通信工程学院1 2 MOSFET的结构 通信工程学院1 3 MOSFET的结构 通信工程学院1 4 MOSFETLayout 通信工程学院1 5 Terminals 通信工程学院1 6 ParametersDefinitions 通信工程学院1 7 带N阱的NMOS PMOS 所有的NMOS管共用一个P衬底所有PMOS在不同的N阱中所有二极管必须反偏 通信工程学院1 8 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 通信工程学院1 9 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 通信工程学院1 10 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 通信工程学院1 11 例 判断制造下列电路的衬底类型 通信工程学院1 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 通信工程学院1 13 NMOS管VGS VT VDS 0时的示意图 通信工程学院1 14 NMOS管VGS VT 0 VDS VGS VT时的示意图 沟道未夹断条件 通信工程学院1 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 通信工程学院1 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 通信工程学院1 17 I V特性的推导 2 对于半导体 且 通信工程学院1 18 三极管区的MOSFET 0 VDS VGS VT 等效为一个压控电阻 通信工程学院1 19 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 通信工程学院1 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 通信工程学院1 21 NMOS管VGS VT VDS VGS VT时的示意图 电子 耗尽区 通信工程学院1 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 通信工程学院1 23 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 通信工程学院1 24 MOSFET的跨导gm 通信工程学院1 25 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 通信工程学院1 26 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 通信工程学院1 27 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 通信工程学院1 28 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 通信工程学院1 29 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 通信工程学院1 30 MOS管的开启电压VT及体效应 体效应系数 VBS 0时 0 通信工程学院1 31 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 通信工程学院1 32 衬底跨导gmb 通信工程学院1 33 MOSFET的沟道调制效应 通信工程学院1 34 MOSFET的沟道调制效应 L L 通信工程学院1 35 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 通信工程学院1 36 MOS管跨导gm不同表示法比较 上式中 通信工程学院1 37 亚阈值导电特性 1 是一个非理想因子 通信工程学院1 38 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 通信工程学院1 39 MOS低频小信号模型 通信工程学院1 40 例 求下列电路的低频小信号输出电阻 0 通信工程学院1 41 例 求下列电路的低频小信号输出电阻 0 通信工程学院1 42 例 求下列电路的低频小信号输出电阻 0 通信工程学院1 43 小信号电阻总结 0 对于图 A 对于图 B 对于图 C 通信工程学院1 44 MOS器件版图 通信工程学院1 45 MOS电容器的结构 通信工程学院1 46 MOS器件电容 通信工程学院1 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 通信工程学院1 48 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 通信工程学院1 49 栅极电阻 通信工程学院1 50 完整的MOS小信号模型 通信工程学院1 51 NMOS器件的电容 电压特性 积累区 强反型 通信工程学院1 52 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