2022-2023学年高二物理竞赛课件：半导体瞬态电路模型SPICE模型的建立

半导体瞬态电路模型（SPICE模型）的建立

1、交流瞬态模型结构

栅源电容栅漏电容栅衬电容栅源覆盖电容

栅漏覆盖电容

衬漏寄生电容衬源寄生电容源极材料电阻材料串联电阻沟道电流寄生二极管电流半导体瞬态电路模型（SPICE模型）的建立

MOS场效应晶体管中的电荷存储效应，对MOS场效应晶体管及MOS电路的交流以及瞬态特性有决定性作用。覆盖电容：栅区和源、漏区相应覆盖区域之间的电容（1）多子表面堆积状态——图中的AB段栅压为负值时，多子(空穴)表面堆积，表面电容CA取代CS可得多子表面堆积状态下的“归一化”电容负栅压UG比较大时，US是比较大的负值，分母第二项趋于零。C/COX

=1，即C=COX

，电容是不随栅偏压变化的，总电容就等于SiO2层的电容。Accumulation（2）平带状态——图中BC段，C点栅偏压的绝对值逐渐减小时，US也变得很小，空穴的堆积减弱，使得C/COX随表面势|Us|的减小而变小；当UGS

=0时，曲线C点——平带点

平带电容平带状态的归一化电容C点的位置与衬底的掺杂浓NA及SiO2的厚度有密切的关系。（3）表面耗尽状态——图中CD段栅极上加正偏，但未出现反型状态，表面空间电荷区仅处于耗尽状态，耗尽层电容表面刚耗尽时耗尽层归一化电容电容随栅压的平方根增加而下降，耗尽状态时，表面空间电荷层厚度Xdm随偏压UG增大而增厚，CD则越小，C/COX也就越小；Depletion（4）表面反型状态——图DE段栅极加正偏增大，表面出现强反型层，表面空间电荷区的耗尽层宽度维持在最大值Xdm，表面空间电荷层的电容表面出现强反型层归一化电容当US正值且较大时，大量的电子堆积到表面，C/COX

=1图中EF段——C=COX

Inversion2、交流瞬态模型参数

（1）寄生电流参数沟道电流IDS已确定，两个寄生PN结二极管电流UBS、UBD为衬-源和衬-漏寄生PN结二极管的电压（2）寄生势垒电容AS和AD分别为源和漏结的底面积，CJ为源或漏对衬底结单位面积的零偏置电容，PS和PD分别为源结和漏结的周长，CJSW为源或漏侧面单位周长的零偏置电容，mJ为源或漏底面积结的梯度系数，mJSW为源或漏侧面结的梯度系数，UBJ为衬底结的自建势。（3）电荷存储产生的栅沟电容参数

栅-衬覆盖电容栅-源覆盖电容栅-漏覆盖电容L、W为沟道长度和宽度；CGS0和CGD0分别为单位沟道宽度上的栅-源和栅-漏的覆盖电容，CGB0为单位沟道长度上的栅-衬底覆盖电容;3、极间电容随工作条件发生的变化（1）在截止区

沟道尚未形成，栅-沟道电容CGC等于栅对衬底的电容CGB

UGS的增加，表面开始反型，CGB随着UGS的增大而减小≤

多子表面堆积状态平带状态（2）在线性区沟道已经形成，CGC=CGS+CGD

在UDS=0时，UGD=UGS，（3）在饱和区沟道中载流子电荷不随漏极电压改变而改变，CGD等于零，临界饱和时，沟道开始夹断，UDS

=UGS

UT

，4.5交流小信号参数和频率特性

小信号(Smallsignal)特性——在一定工作点上，输出端电流IDS的微小变化与输入端电压UGS的微小变化之间有定量关系，是一种线性变化关系；小信号参数——不随信号电流和信号电压变化的常数；假定：在任意给定时刻，端电流瞬时值与端电压瞬时值间的函数关系与直流电流、电压间的函数关系相同。4.5.1交流小信号参数

1．跨导

gm

反映外加栅极电压(Input)