MOS器件物理基础.ppt

1、第二章MOS器件物理基础,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？ ,MOSFET的结构,衬底,Ldrawn：沟道总长度,Leff：沟道有效长度， Leff Ldrawn2 LD,MOSFET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,MOSFET ： Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor CMOS : 互补MOS n型MOSFET ：载流子为电子 p型MOSFET ：载流子为空穴,阱：局部衬底,

2、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,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:,例：判断制造下列电路的衬底类型,n型衬底p阱,p型衬底n阱,MOS晶体管符号,NMOS晶体管工作原理,导电沟道形成,VGSVT、VDS=0,VGSVT、 0VDS VGS-VT称为三极管区或线性区,沟道未夹断条件,VGSVT、VDSVGS-VT称为饱和区,NMOS器件的阈值电压VTH,(a)栅压

3、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VT,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,2F：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,阈值电压调整：改变沟道区掺杂浓度。,NMOS沟道电势示意图(0VDS VGS-VT ),边界条件:V(x)|x=0=0, V(x)|x=L=VDS,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

4、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,I/V特性的推导（2）,对于半导体：,且,I/V特性的推导（3）,三极管区(线性区),每条曲线在VDSVGSVTH时取最大值，且大小为：,VDSVGSVTH时沟道刚好被夹断,三极管区的nMOSFET（0 VDS VGSVT）,等效为一个压控电阻,饱和区的MOSFET（VDS VGSVT）,当V(x)接近VGS-VT，Qd(x)接近于0，即反型层将在XL处终止，沟道被夹断。,MOSFET的I/V特性,Triode Reg

5、ion,VDSVGS-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,VDSVGS-VT,用作恒流源条件：工作在饱和区且VGS const！,NMOS管的电流公式,截至区，VgsVTH,线性区,Vgs VTH VDS Vgs - VTH,饱和区,Vgs VTH VDS Vgs - VTH,MOS管饱和的判断条件,NMOS饱和条件：VgsVTHN；VdVg-VTHN,PMOS饱和条件: VgsVTHP ；VdVg| VTHP |,g,d,g,d,判断MOS管是否工作在饱和区时，不必考虑Vs,MOSFET的跨导gm,MOS模拟开关,MOS管D、S可互换，电流可以双向流

6、动。 可通过栅源电源（Vgs）方便控制MOS管的导通与关断。关断后Id0,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，VTN0.5V，试确定C1、C2的终值电压。,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。,二级效应,MOS管的开启电压VT及体效应,体效应系数，VBS0时，0,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,衬底跨导

7、 gmb,MOSFET的沟道调制效应,MOSFET的沟道调制效应,L,L,MOS管沟道调制效应的Pspice仿真结果,VGS-VT=0.15V, W=100,ID/VDS/L1/L2,=2,=6,=4,MOS管跨导gm不同表示法比较,上式中:,亚阈值导电特性,(1,是一个非理想因子),MOS管亚阈值导电特性的Pspice仿真结果,VgS,logID,仿真条件：,VT0.6,W/L100/2,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。,MOS器件模型,MOS器件版图,MOS电容器的结构,MOS器件电容,C1:栅极和沟道之间的氧化层电容,C2:衬底和沟道之间的耗

8、尽层电容,C3,C4栅极和有源区交叠电容,C5,C6有源区和衬底之间的结电容,栅源、栅漏、栅衬电容与VGS关系,1) VGS VTH截止区,2) VGS VTH VDS VGS VTH深三极管区,3) VGS VTH VDS VGS VTH饱和区,栅源、栅漏电容随VGS的变化曲线,NMOS器件的电容-电压特性,积累区,强反型,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)Cjsw CSB=2(W/2)ECj+2(W/2)+E)Cjsw = WECj +2(W+2E)Cjsw,栅极电阻,MO

9、S 低频小信号模型,完整的MOS小信号模型,作业： 2.1,2.2,2.5,2.9,2.15,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，在不同的W/L下，Ids与Vds关系 2) 习题2.5b 3) 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。,例：求下列电路的低频小信号输出电阻(0),例：求下列电路的低频小信号输出电阻(0),例：求下列电路的低频小信号输出电阻(0),小信号电阻总结（0）,对于图（A）：,对于图（B）：,对于图（C）：,例：若W/L50/0.5，|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 , Cox6.9fF/m2(1 =10-10 m, 1fF= 10-15 F),tox=90 , Cox6.9*50/9