ch02MOS器件物理基础

ch02MOS器件物理基础第一页，共60页。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第二页，共60页。MOSFET的结构3第三页，共60页。衬底Ldrawn：沟道总长度Leff：沟道有效长度，Leff＝Ldrawn－2LDMOSFET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第四页，共60页。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第五页，共60页。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第六页，共60页。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SMOS管所有pn结必须反偏:7第七页，共60页。MOS晶体管符号8第八页，共60页。NMOS晶体管工作原理导电沟道形成9第九页，共60页。VGS>VT、VDS=010第十页，共60页。VGS>VT、0<VDS<VGS-VT称为三极管区或线性区沟道未夹断条件11第十一页，共60页。VGS>VT、VDS>VGS-VT称为饱和区12第十二页，共60页。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VT13第十三页，共60页。ΦMS：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2ΦF：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εsi：硅的介电常数14第十四页，共60页。阈值电压调整：改变沟道区掺杂浓度。15第十五页，共60页。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=VDS16第十六页，共60页。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=VDS17第十七页，共60页。I/V特性的推导（2）对于半导体：且18第十八页，共60页。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第十九页，共60页。三极管区的nMOSFET（0<VDS<VGS－VT）等效为一个压控电阻20第二十页，共60页。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第二十一页，共60页。MOSFET的I/V特性TriodeRegionVDS>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-VTVDS<VGS-VT用作恒流源条件：工作在饱和区且VGS

＝const！22第二十二页，共60页。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-VTH23第二十三页，共60页。MOS管饱和的判断条件NMOS饱和条件：Vgs>VTHN；Vd≥Vg-VTHNPMOS饱和条件:Vgs<VTHP

；Vd≤Vg＋|VTHP

|gdgd判断MOS管是否工作在饱和区时，不必考虑Vs24第二十四页，共60页。MOSFET的跨导gm25第二十五页，共60页。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≈026第二十六页，共60页。二级效应27第二十七页，共60页。MOS管的开启电压VT及体效应无体效应源极跟随器

有体效应体效应系数，VBS＝0时，＝028第二十八页，共60页。MOS管体效应的Pspice仿真结果Vb=0.5vVb=0vVb=-0.5vIdVg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第二十九页，共60页。衬底跨导gmb30第三十页，共60页。MOSFET的沟道调制效应31第三十一页，共60页。MOSFET的沟道调制效应LL’32第三十二页，共60页。MOS管沟道调制效应的Pspice仿真结果VGS-VT=0.15V,W=100µ∂ID/∂VDS∝λ/L∝1/L2Ｌ=2µＬ=6µＬ=4µ33第三十三页，共60页。MOS管跨导gm不同表示法比较跨导gm123上式中:34第三十四页，共60页。亚阈值导电特性(ζ>1,是一个非理想因子)35第三十五页，共60页。MOS管亚阈值导电特性的Pspice仿真结果VgSlogID仿真条件：VT＝0.6ＶW/L＝100µ/2µMOS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第三十六页，共60页。MOS器件模型37第三十七页，共60页。MOS器件版图38第三十八页，共60页。MOS电容器的结构39第三十九页，共60页。MOS器件电容40第四十页，共60页。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第四十一页，共60页。C5,C6有源区和衬底之间的结电容42第四十二页，共60页。栅源、栅漏、栅衬电容与VGS关系1)VGS<VTH截止区43第四十三页，共60页。2)VGS>VTHVDS<<VGS–VTH深三极管区44第四十四页，共60页。3)VGS>VTHVDS>VGS–VTH饱和区45第四十五页，共60页。栅源、栅漏电容随VGS的变化曲线46第四十六页，共60页。NMOS器件的电容--电压特性积累区强反型47第四十七页，共60页。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)Cjsw48第四十八页，共60页。栅极电阻49第四十九页，共60页。MOS低频小信号模型50第五十页，共60页。完整的MOS小信号模型51第五十一页，共60页。作业：2.1,2.2,2.5,2.9,2.1552第五十二页，共60页。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第五十三页，共60页。例：求下列电路的低频小信号输出电阻(γ＝0)54第五十四页，共60页。例：求下列电路的低频小信号输出电阻(γ＝0)55第五十五页，共60页。例：求下列电路的低频小信号输出电阻(γ＝0)56第五十六页，共60页。小信号电阻总结（γ＝0）对于图（A）：对于图（B）：对于图（C）：57第五十七页，共60页。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-9λn=0.1,λp=0.2,μ

n=350cm2/V/s,μ

p=100cm2/V/s）tox=50Å,Cox6.9fF/μm2(1Å=10-10

m,1fF=10-15

F)∴tox=90Å,Cox6.9*50/90=3.83fF