ch02MOS器件物理基础

1、第二章MOS器件物理基础1G(Gate)栅极D(Drain)漏极S(Source)源极MOSFET开关开关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？2MOSFET的结构3衬底衬底Ldrawn：沟道总长度：沟道总长度Leff：沟道有效长度，：沟道有效长度， Leff Ldrawn2 LDMOSFET的结构LD：横向扩散长度：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4MOSFET ： Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect TransistorCMOS : 互补MOSn

2、型MOSFET ：载流子为电子p型MOSFET ：载流子为空穴阱：局部衬底5MOS管正常工作的基本条件MOS管正常工作的基本条件是管正常工作的基本条件是:所有衬源（所有衬源（B、S）、衬漏（）、衬漏（B、D）pn结必须反偏结必须反偏寄生二极管寄生二极管6同一衬底上的NMOS和PMOS器件寄生二极管寄生二极管*N-SUB必须接最高电位必须接最高电位VDD！*P-SUB必须接最低电位必须接最低电位VSS！*阱中阱中MOSFET衬底常接源极衬底常接源极SMOS管所有管所有pn结必须反偏结必须反偏:7MOS晶体管符号晶体管符号G GD DS SS SD DG GN NM MO OS SP PM MO

3、OS SG GD DS SS SD DG GN NM MO OS SP PM MO OS SB BB B8NMOS晶体管工作原理导电沟道形成9VGSVT、VDS=010VGSVT、 0VDSVT、VDSVGS-VT称为饱和区12NMOS器件的阈值电压VTH(a)栅压控制的栅压控制的MOSFET (b)耗尽区的形成耗尽区的形成(c)反型的开始反型的开始 (d)反型层的形成反型层的形成形成沟道时的VG称为阈值电压记为VT13depTHMSFoxQV=+2 + CMSgatesilicon=-subFikTN =lnqndepsiFsubQ=4q NMS：多晶硅栅与硅衬底功函数之差多晶硅栅与硅衬底功

4、函数之差Qdep耗尽区的电荷耗尽区的电荷,是衬源电压是衬源电压VBS的函数的函数Cox：单位面积栅氧化层电容：单位面积栅氧化层电容2F：强反型时的表面电势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oxoxoxC=t14阈值电压调整：改变沟道区掺杂浓度。15NMOS沟道电势示意图(0VDS VGS-VT )oxGSTHdq(x)= -C Wdxv-v(x)-V边界条件边界条件:V(x)|x=0=0, V(x)|x=L=VDS16Qd：沟道电荷密度沟道电荷密度Cox：单位面积栅电容单位面积栅电容沟道单位长度电荷沟道单位长度电荷

5、(C/m)WCox：MOSFET单位长度的总电容单位长度的总电容Qd(x)：沿沟道点：沿沟道点x x处的电荷密度处的电荷密度V(x)：沟道沟道x x点处的电势点处的电势I/V特性的推导（1）电荷移电荷移动速度动速度(m/s)V(x)|x=0=0, V(x)|x=L=VDSdI = Q .vdoxGSTHQ =W C (V- V )doxGSTHQ (x) = WC (V- V(x) - V)17I/V特性的推导（2）对于半导体对于半导体：DoxGSTHI= -WC V- V(x) - V= = E Ed dV V( (x x) )E E( (x x) ) = = - -d dx x且且DoxG

6、STHndV(x)I= WCV- V(x) - VdxdVDSVLDoxnGSTHx=0V=0I d(x) =WCV- V(x) - V DSVL2D0noxGSTH01I x= WC (V- V)V(x) -V(x) 22DnoxGSTHDSDSW1I=C(V- V )V-VL218I/V特性的推导（3）三极管区三极管区(线性区线性区)每条曲线在每条曲线在VDSVGSVTH时时取最大值，且大小为：取最大值，且大小为： （）2DnoxGSTHDSDSW1I=C(V- V )V-V2.8L222noxDGSTHCWI=(V- V )LVDSVGSVTH时沟道刚好被夹断时沟道刚好被夹断W称为过驱动

7、电压； 称为宽长比LGSTHV- V19三极管区的nMOSFET（0 VDS VGSVT）等效为一个等效为一个压控电阻压控电阻2DnoxGSTHDSDSW1I=C(V- V )V-VL2DnoxGSTHDSWI=C(V- V )VLDSGSTHVVGS-VT沟道电阻随沟道电阻随VDS增加而增加导增加而增加导致曲线弯曲致曲线弯曲曲线开始斜曲线开始斜率正比于率正比于VGS-VTVDSVGS-VT用作恒流源条件：用作恒流源条件：工作在饱和区工作在饱和区且且VGS const！22NMOS管的电流公式2noxDGSTHDSDSC WI =2(V -V )V-V2L2noxDGSTHC WI=(V- V

8、 )2L0DI截至区，截至区，VgsVTHVDSVTHVDS Vgs - VTH23MOS管饱和的判断条件NMOS饱和条件：饱和条件：VgsVTHN；VdVg-VTHNPMOS饱和条件饱和条件: Vgs1,是一个非理想因子是一个非理想因子)35MOS管亚阈值导电特性的Pspice仿真结果VgSlogID仿真条件：仿真条件：VT0.6W/L100/2MOS管亚阈值电流管亚阈值电流ID一般为几十一般为几十几百几百nA, 常用于低功耗放大器、带隙基准设计。常用于低功耗放大器、带隙基准设计。36MOS器件模型器件模型37MOS器件版图38MOS电容器的结构电容器的结构2oxoxt0.1m, C0.35

9、fF/m2oxoxt50(0.005 m), C6.9fF/mA2oxoxt0.02m, C1.75fF/m39MOS器件电容40C1: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1OXCCWL2/ 4sisubFCWL qN34OvCCovCCW单位宽度交叠电容41C5,C6有源区和衬底之间的结电容jj=CCWEE下极板电容有源区长度单位面积下极板电容jswjsw=CC侧壁电容 有源区周长单位长度侧壁电容jswCjC5，C6=WEC +有源区周长j0jRBmRBCC V :m 0.30.41+V /反向电压；内建电势； ：（）42栅源、栅漏、栅衬电

10、容与VGS关系GDGSOvCCCW1) VGS VTH VDS VTH VDS VGS VTH饱和区jjswjswSBmmSBBSBBC(1V /)(1V /)j源极源极周长WECC=jjswjswDBmmDBBDBBC(1 V /)(1 V /)j漏极漏极周长WECC=G BC可 以 忽 略 不 计OXGSOv2LCC3WCWGDOvCCW45栅源、栅漏电容随VGS的变化曲线46NMOS器件的电容-电压特性积累区积累区强反型强反型47减小MOS器件电容的版图结构对于图对于图a:CDB=CSB = WECj + 2(W+E)Cjsw对于图对于图b: CDB=(W/2)ECj+2(W/2)+E)

11、Cjsw CSB=2(W/2)ECj+2(W/2)+E)Cjsw = WECj +2(W+2E)Cjsw 48栅极电阻49MOS 低频小信号模型DSonoxDDDSD2GSTHV111r = CWII / VI(V-V ) 2L50完整的MOS小信号模型51作业：2.1,2.2,2.5,2.9,2.1552实验实验熟悉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 A W,L不变，在不同的Vgs下，Ids与Vds关系 B W,L不变，在不同的Vds下，Ids与Vgs关系 C Vgs不变，在不

12、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)XXmgs0XmX0V= (I- g V )r = (I- g V )rm 0XX 0(1 + g r )V= I r10XinXm 0mrVR=I(1 + g r )g54例：求下列电路的低频小信号输出电阻(0)XXmgs0XDXmDXmX0XDV= (I- g V )r + I R(I+ g R I- g V )r + I Rm 0X0DmD 0X(1 + g r )V= (r + R+ g R r )Igs

13、XXDV= V- I R10DmD 0XinXm 0D0mm 0r + R + g R rVR=I1+ g rRrgg r55例：求下列电路的低频小信号输出电阻(0)gsXV= -VXXmgs0XDXmX0XDV = (I + g V )r + I R(I - g V )r + I R10DXDinXm 0mm 0r + RVRR=I1+ g rgg r56小信号电阻总结（0）1/inmRg1/inmDm 0RgRg r1/inm0Dm 0RgrRg r对于图（对于图（A）：）：对于图（对于图（B）：）：对于图（对于图（C）：）：57例：若W/L50/0.5，|ID|500uA，分别求: NM

14、OS、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 =10-10 m, 1fF= 10-15 F)tox=90 , Cox 6.9*50/90=3.83fF/m2 - -4 4- -1 15 5- -1 12 2- -4 4m mN Ng g = = 2 2 3 35 50 0 1 10 03 3. .8 83 3 1 10 0 / /1 10 01 10 00 0 5 5 1 10 03 3. .6 6m mA A/ /V V72- -3 3- -3 3m mN N 0 0N Ng g r r= = 3 3. .6 61 10 02 20 01 10 0同理可求得同理可求得PMOS的参数如下：的参数如下：gmP 1.96mA/V ，r0P 10K ，gmP r0