第5講 MOS管閾值電壓和IV

1、第5講 MOS管的理論公式MOS管閾值電壓的物理學(xué)定義o 定義 使溝道中反型載流子濃度反型載流子濃度與襯底中多數(shù)載流襯底中多數(shù)載流子濃度相等子濃度相等時(shí)所需要的柵源電壓定義為閾值電壓。推導(dǎo)閾值電壓時(shí)的外部連接和內(nèi)部狀態(tài)o 源漏區(qū)都接地，溝道剛剛產(chǎn)生，厚度忽略。推導(dǎo)思路o 如何使柵氧化層與半導(dǎo)體接觸面的表面勢與襯底材料的靜電勢大小相等，方向（符號(hào)）相反。o NMOS管的體（P型）的靜電勢為o 使表面勢為-Vfp（正數(shù)）需要施加的柵源電壓即閾值電壓。iAfpifpnNqkTqEEVln推導(dǎo)閾值電壓需考慮的各種因素o 考慮接觸電勢差和表面附加電荷體接源極（VSB=0）時(shí)的公式o VSB為0時(shí)的閾值電

2、壓公式oxssbfpmsTHNCQQVVV002其中Vms是多晶硅柵與體之間的電勢差iAipolyDfpGmsnNqkTnNqkTVVVlnln,考慮體電位的閾值電壓公式o 完整公式如下fpSBfpTHNTHNVVVVV220此公式對(duì)電路設(shè)計(jì)者的意義o 閾值電壓與溫度有關(guān)。o 閾值電壓與體電位有關(guān)。o 閾值電壓與工藝偏差有關(guān)。研究閾值電壓與溫度的關(guān)系的文件o*- 例6: ST02工藝NMOS閾值電壓分析-o*-o.option post=2 $輸出波形文件o*-o.option search=d:/hspice2011/libs $指定庫路徑 o*-o.lib st02.lib tt $指定模

3、型庫和入口o*-o.temp 25 $指定環(huán)境溫度o*-om1 nd ng ns nb mn w=20u l=0.5u ovg ng gnd 1ovd nd gnd 5ovs ns gnd 0ovb nb gnd 0o*-o.print dc i1(m1) $記錄m1第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流o*-o.dc vg 0.4 1 0.01 sweep temp -40 85 10o.print LV9(m1)o.end閾值電壓與溫度的關(guān)系利用SPICE模型給出的VTH別名的仿真分析文件o*- 例8: NMOS閾值(別名）與溫度關(guān)系分析-o*-o.option post=2 $輸出波形文件o*-o.optio

4、n search=d:/hspice2011/libs $指定庫路徑 o*-o.lib st02.lib tt $指定模型庫和入口o*-o.temp 25 $指定環(huán)境溫度o*-om1 nd ng gnd nb mn w=20u l=0.5u ovgs ng gnd 1ovds nd gnd 1ovbs nb gnd 0o*-o.print dc i1(m1) $記錄m1第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流o*-o.dc temp -40 85 1o.print LV9(m1)o.end閾值電壓隨溫度變化曲線實(shí)驗(yàn)結(jié)果o 閾值電壓隨溫度升高而下降。o 在VGS和VDS不變時(shí)，ID隨溫度升高而升高。閾值電壓與體電位的關(guān)

5、系注意：下圖中VBS最高只能加到0.5V。體電位對(duì)閾值電壓影響的仿真文件o*- 例7: NMOS閾值(別名）與體電位關(guān)系分析-o*-o.option post=2 $輸出波形文件o*-o.option search=d:/hspice2011/libs $指定庫路徑 o*-o.lib st02.lib tt $指定模型庫和入口o*-o.temp 25 $指定環(huán)境溫度o*-om1 nd ng gnd nb mn w=20u l=0.5u ovgs ng gnd 1ovds nd gnd 0ovbs nb gnd 0o*-o.print dc i1(m1) $記錄m1第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流o*-o.dc

6、 vbs -1 0.5 0.1o.print LV9(m1)o.end閾值電壓與VBS關(guān)系曲線體電位的作用o 記憶方法：“體相當(dāng)于另一個(gè)柵，VBS與VGS對(duì)ID的作用方向相同”【拉扎維】。問題：ID1與ID2哪個(gè)大？MOS管IV特性方程IV特性即ID與VGS和VDS之間的方程長溝道MOS管的IV特性方程線性區(qū)：溝道未夾斷考慮溝道中間與源區(qū)距離為y的一個(gè)“小塊”計(jì)算電荷面密度qdyWNyQI)(考慮溝道中間的一個(gè)小塊的平面圖。如果該小塊溝道中電子總數(shù)為N，則單位面積電荷為單位面積電荷可由單位面積電容和電壓得出Y點(diǎn)附近單位面積柵氧化層、溝道和耗盡層中中的電荷為的電荷。oxC單位面積氧化層電容漏極電

7、流計(jì)算輸運(yùn)方程（晶體管原理）nqDnEqJnnnJn 是電流密度，E是電場，Dn是擴(kuò)散系數(shù)，n是電子遷移率，n是電子濃度，q是電子的電荷量。 是濃度梯度。n從漏極電流密度Jn開始計(jì)算dydVnqnEqJnynndydVqnyhWInD)(假設(shè)溝道中電子濃度相同，忽略擴(kuò)散作用，則ID等于電流密度乘以截面積。截面積等于W乘高度h(y)。替換公式中的濃度ndydVyQWdydVyhdyyhWNqWIInnD)()()(dyyhWNn)(濃度等于電子數(shù)N除以體積。接上頁dVyQWdyIInD)(dVVyVVCWdyITHNGSoxnD)()()(00ydVVyVVKPWdyIDSVTHNGSLnDox

8、nnCKP定義跨導(dǎo)參數(shù)積分后得到線性區(qū)方程2)(2DSDSTHNGSnDVVVVLWKPITHNDSGSVVV處于線性區(qū)的條件線性區(qū)方程線性區(qū)方程的另一種表示法LWKPnn2)(2DSDSTHNGSnDVVVVI為便于記憶，定義于是，線性區(qū)方程可以寫為處于飽和區(qū)的NMOS管飽和區(qū)方程22)(2)(2THNGSnTHNGSnDVVVVLWKPI線性方程中，ID有最大值，當(dāng)VDS=VGS-VTHN時(shí)，ID最大.這個(gè)公式是最簡單的飽和區(qū)公式，按此公式飽和區(qū)曲線是水平的。為什么飽和后ID仍隨VDS增加？引入溝道長度調(diào)制系數(shù)的修正)(1)(2,2satDSDSTHNGSnDVVVVLWKPIDSdlelecdVdXL1THNGSsatDSVVV,溝道夾斷后，ID隨VDS增加的原因是有效溝道長有效溝道長度減小。度減