器件物理基礎(chǔ)PPT教案

1、器件物理基礎(chǔ)器件物理基礎(chǔ)MOSFET絕緣柵型絕緣柵型增強(qiáng)型增強(qiáng)型(常閉型常閉型)耗盡型耗盡型(常開型常開型)N溝道溝道P溝道溝道N溝道溝道P溝道溝道Insulated Gate Field Effect TransistorMOS管：管：Metal Oxide Semiconductor 利用柵源電壓的大小控制半導(dǎo)體表面的感生電荷的多利用柵源電壓的大小控制半導(dǎo)體表面的感生電荷的多少，從而改變溝道電阻，控制漏極電流的大小。少，從而改變溝道電阻，控制漏極電流的大小。第1頁/共81頁 N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSFET1. 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 第2頁/共81頁2. 工作原理工作原理00 GSDSuu, GSD

2、Suu, 0耗盡層加厚耗盡層加厚uGS 增加增加反型層反型層吸引自由電子吸引自由電子?xùn)艠O聚集正電荷柵極聚集正電荷 排斥襯底空穴排斥襯底空穴剩下負(fù)離子區(qū)剩下負(fù)離子區(qū) 耗盡層耗盡層0 GSu漏源為背對(duì)的漏源為背對(duì)的PN結(jié)結(jié) 無導(dǎo)電溝道無導(dǎo)電溝道 即使即使00 DDSiu,開啟電壓開啟電壓 ：溝道形成的柵源電壓。：溝道形成的柵源電壓。)(thGSU(1) 對(duì)導(dǎo)電溝道的影響對(duì)導(dǎo)電溝道的影響.GSDSuu時(shí)時(shí)0+第3頁/共81頁(2) 對(duì)對(duì) 的影響的影響.DSthGSGSuUu時(shí)時(shí))(Di)(thGSGSDSUuu)(thGSGSDSUuu)(thGSGSDSUuuDSu 線性增大線性增大Di溝道從溝道

3、從s-d逐漸變窄逐漸變窄DSu)(thGSGDUu 溝道溝道預(yù)夾斷預(yù)夾斷DSu夾斷區(qū)延長(zhǎng)夾斷區(qū)延長(zhǎng) 幾乎幾乎不變不變Di恒流區(qū)恒流區(qū)第4頁/共81頁3. 特性曲線與電流方程特性曲線與電流方程 2)(1thGSGSDODUuIi。時(shí)的時(shí)的是是，其中，其中，DthGSGSDOiUuI)(2第5頁/共81頁FET放大電路的動(dòng)態(tài)分析放大電路的動(dòng)態(tài)分析一、一、FET的低頻小信號(hào)等效模型的低頻小信號(hào)等效模型 DSGSDuufi, DSUDSDGSUGSDDduuiduuidiGSDS dsUDSDmUGSDruiguiGSDS1 令令dsdsgsmdUrUgI1 第6頁/共81頁DQDOthGSmDQDD

4、DOthGSUthGSGSthGSDOUGSDmIIUgIiiIUUuUIuigDSDS)()()()(2 .212 小信號(hào)作用時(shí)，小信號(hào)作用時(shí)，gm與與rds的求法的求法第7頁/共81頁gm與與rds的求法的求法第8頁/共81頁二、基本共源放大電路的動(dòng)態(tài)分析二、基本共源放大電路的動(dòng)態(tài)分析doidmgsdgsmgsddiouRRRRgURUgURIUUA 第9頁/共81頁2.1 MOSFET的基本概念的基本概念2.1.1 MOSFET開關(guān)開關(guān)閾值電壓是多少？當(dāng)器件導(dǎo)通時(shí)，漏源之間的電阻閾值電壓是多少？當(dāng)器件導(dǎo)通時(shí)，漏源之間的電阻有多大？這個(gè)電阻與端電壓的關(guān)系是怎樣的？總是有多大？這個(gè)電阻與端電

5、壓的關(guān)系是怎樣的？總是可以用簡(jiǎn)單的線性電阻來模擬漏和源之間的通道？可以用簡(jiǎn)單的線性電阻來模擬漏和源之間的通道？器件的速度受什么因素限制？器件的速度受什么因素限制？第10頁/共81頁1. MOSFET的三種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖的三種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖圖圖2.1 NMOS FET結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖2.1.2 MOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)第11頁/共81頁圖圖2.2 PMOS FET結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖第12頁/共81頁圖圖2.3 CMOS FET的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖第13頁/共81頁2. MOS FET結(jié)構(gòu)尺寸的通用概念結(jié)構(gòu)尺寸的通用概念W: gate widthLdrawn (L): gate length(layout ga

6、te length)Leff: effective gate lengthLD:S/D side diffusion lengthW/L: aspect ratioS,D,G,B: source,drain,gate,body(bulk)第14頁/共81頁3. MOS FET 的四種電路符號(hào)的四種電路符號(hào)GDSBGSDBNMOSPMOS(d)第15頁/共81頁(a) VGS=0 第16頁/共81頁在在(a)圖中，圖中，G極沒有加入極沒有加入電壓時(shí)，電壓時(shí)，G極和極和sub表面之間，表面之間，由于由于Cox的存在，構(gòu)成了一個(gè)的存在，構(gòu)成了一個(gè)平板電容，平板電容，Cox為單位面積的為單位面積的柵氧

7、電容柵氧電容;(b) VGS0 (c)在柵極加上正電壓后，如在柵極加上正電壓后，如圖圖(b)所示，所示，P-sub靠近靠近G的空的空穴就被排斥，留下了不可動(dòng)穴就被排斥，留下了不可動(dòng)的負(fù)離子。這時(shí)沒有導(dǎo)電溝的負(fù)離子。這時(shí)沒有導(dǎo)電溝道的形成，因?yàn)闆]有可移動(dòng)道的形成，因?yàn)闆]有可移動(dòng)的載流子，的載流子，G和襯底間僅形和襯底間僅形成了氧化層電容和耗盡層電成了氧化層電容和耗盡層電容的串連容的串連,如圖如圖(c)所示。所示。第17頁/共81頁（d）當(dāng)）當(dāng)VG繼續(xù)增加，界面電繼續(xù)增加，界面電勢(shì)達(dá)到一定值時(shí)，就有電子從源勢(shì)達(dá)到一定值時(shí)，就有電子從源極流向界面并最終到達(dá)漏極，導(dǎo)極流向界面并最終到達(dá)漏極，導(dǎo)電溝道形

8、成，晶體管打開。如圖電溝道形成，晶體管打開。如圖（d）所示。這時(shí)，這個(gè)電壓值）所示。這時(shí)，這個(gè)電壓值就是就是“閾值電壓閾值電壓” .THV)()(gatesubFFms oxdepFmsTHCQV 2 isubFnNqKTln (d)功函數(shù)差功函數(shù)差費(fèi)米勢(shì)費(fèi)米勢(shì),MOS強(qiáng)反型時(shí)的強(qiáng)反型時(shí)的表面勢(shì)為費(fèi)米勢(shì)的表面勢(shì)為費(fèi)米勢(shì)的2倍倍subFsidepNqQ 4耗盡區(qū)電荷耗盡區(qū)電荷(2.1)第18頁/共81頁P(yáng)MOS器件的導(dǎo)通器件的導(dǎo)通:與與NFETS類似類似,極性相反極性相反.oxdepFmsTHCQV 2 isubFnNqKTln subFsidepNqQ 4第19頁/共81頁Iv我們用一個(gè)電流棒

9、來輔助理解電流的概念我們用一個(gè)電流棒來輔助理解電流的概念.當(dāng)沿電流方向的電荷密度為當(dāng)沿電流方向的電荷密度為Qd (C/m)的電荷以速度的電荷以速度v沿電流沿電流方向移動(dòng)時(shí)方向移動(dòng)時(shí),產(chǎn)生的電流為產(chǎn)生的電流為vQId* AsmmC*量量綱綱(2.2)第20頁/共81頁 NMOS 溝道的平板電容近似與溝道電荷分布溝道的平板電容近似與溝道電荷分布若將若將MOS結(jié)構(gòu)等效為一個(gè)由結(jié)構(gòu)等效為一個(gè)由poly-Si和反型溝道構(gòu)成的平板和反型溝道構(gòu)成的平板電容。對(duì)均勻溝道，當(dāng)電容。對(duì)均勻溝道，當(dāng)VD=VS=0時(shí)，寬度為時(shí)，寬度為W的溝道中，單的溝道中，單位長(zhǎng)度上感應(yīng)的可移動(dòng)電荷量為位長(zhǎng)度上感應(yīng)的可移動(dòng)電荷量為式

10、中式中Cox為柵極單位面積電容，為柵極單位面積電容，WCox為單位長(zhǎng)度柵電容為單位長(zhǎng)度柵電容.)(THGSoxdVVWCQ (2.3)第21頁/共81頁如果從如果從S到到D有一電壓差有一電壓差VDS，假設(shè)平板電容在，假設(shè)平板電容在L方向上方向上x點(diǎn)點(diǎn)的電位為的電位為V(x), 如上圖所示如上圖所示則有則有:)()(xVVVWCxQTHGSoxd(2.4) 電荷漂移速度電荷漂移速度：漂移速度：漂移速度 drift speed ：遷移率：遷移率 mobility ：電場(chǎng)強(qiáng)度：電場(chǎng)強(qiáng)度 electric field EE(2.5)dxxdVxE)()(第22頁/共81頁)()()()()(xExQx

11、vxQxIddD 綜合綜合(2.2)-(2.5)有有)()( )()()(dxxdVVxVVWCdxxdVVxVVWCxInTHGSoxnTHGSoxD (2.6)DSVLVV)(,)(00邊界條件邊界條件DSVVTHGSoxnLxDxdVVxVVCWdxxI00)()()( 兩邊積分可得兩邊積分可得221DSDSTHGSoxnDVVVVLWCI)( 溝道中電流是連續(xù)的恒量，即有：溝道中電流是連續(xù)的恒量，即有：第23頁/共81頁分析：分析：令令 ,求得各拋物線的極求得各拋物線的極大值在大值在 點(diǎn)上，點(diǎn)上，且相應(yīng)各峰值電流為且相應(yīng)各峰值電流為: )(THGSDSVVV0DSDVI221)(max

12、,THGSoxnDVVLWCI (2.7)VGS-VTH為過驅(qū)動(dòng)（為過驅(qū)動(dòng)（overdrive）電壓，只有過驅(qū)動(dòng)電壓）電壓，只有過驅(qū)動(dòng)電壓可以形成反型層電荷?？梢孕纬煞葱蛯与姾?。THGSDSVVV時(shí)，器件工作在時(shí)，器件工作在“三極管區(qū)三極管區(qū)”.221DSDSTHGSoxnDVVVVLWCI)( 第24頁/共81頁MOS器件作為邏輯工作和模擬開關(guān)，或小值線性電阻運(yùn)器件作為邏輯工作和模擬開關(guān)，或小值線性電阻運(yùn)用時(shí)，都會(huì)工作于深用時(shí)，都會(huì)工作于深Triode區(qū)。此時(shí)區(qū)。此時(shí)VGS較大，較大，MOS管的管的VDS很小，若滿足：很小，若滿足：DSTHGSoxnDVVVLWCI)( )(THGSDSVV

13、V 22.2.3 MOS器件深器件深Triode區(qū)時(shí)的導(dǎo)通電阻區(qū)時(shí)的導(dǎo)通電阻此時(shí)（此時(shí)（2.6）簡(jiǎn)化為：）簡(jiǎn)化為：(2.8)(2.8)表明表明 為直線關(guān)系，如圖為直線關(guān)系，如圖(2.12)所示所示.DSDVI第25頁/共81頁)(THGSoxnDDSonVVLWCIVR 1(2.9)此時(shí)此時(shí) D, S間體現(xiàn)為一個(gè)電阻，其阻值為：間體現(xiàn)為一個(gè)電阻，其阻值為：第26頁/共81頁（2.9）式表示：）式表示：a：在滿足：在滿足 的條件下，的條件下，MOS管體現(xiàn)管體現(xiàn)出線性電阻的特性，其直流電阻與交流動(dòng)態(tài)電阻相等。出線性電阻的特性，其直流電阻與交流動(dòng)態(tài)電阻相等。b：該線性電阻大小取決與：該線性電阻大小取

14、決與VGS，即調(diào)節(jié)，即調(diào)節(jié)VGS，可調(diào)節(jié)，可調(diào)節(jié)電阻的大小。因此我們常常把工作在這種區(qū)域的晶體電阻的大小。因此我們常常把工作在這種區(qū)域的晶體管稱為管稱為“壓控晶體管壓控晶體管”。)(2THGSDSVVV第27頁/共81頁討論討論: 一個(gè)一個(gè)NMOS管管,若偏置電壓若偏置電壓VGSVTH , 漏級(jí)開路漏級(jí)開路(ID =0),問：此晶體管是處于問：此晶體管是處于cut off 狀態(tài)還是其他狀狀態(tài)還是其他狀態(tài)態(tài)?為什么為什么?例例2.1第28頁/共81頁由由 可知：可知：VDS1VG0X1)()(1THGSVVXV2.2.4 MOS管在飽和區(qū)的跨導(dǎo)管在飽和區(qū)的跨導(dǎo))()(xVVVWCxQTHGSox

15、d當(dāng)當(dāng) 時(shí)，漏極電流怎樣變化呢？時(shí)，漏極電流怎樣變化呢？ THGSDSVVVTHGSVVxV)(時(shí)，時(shí)，0)(xQd，此時(shí)認(rèn)為溝道夾斷，此時(shí)認(rèn)為溝道夾斷 (pinch off ).THGSDSVVV的增大向源端移動(dòng)。的增大向源端移動(dòng)。)()(2THGSVVXVVDS2VDS1VG0X2DSV時(shí)時(shí),夾斷點(diǎn)隨著夾斷點(diǎn)隨著THGSDSVVV, 溝道在溝道在 處夾斷處夾斷. Lx 第29頁/共81頁221)(THGSoxnDVVLWCI 若若LL DIDSV,則則與與無關(guān)無關(guān).DSVVTHGSoxnLxDxdVVxVVCWdxxI00)()()( THGSVVVTHGSoxnLxDxdVVxVVCWd

16、xxI00)()()( 由由 時(shí)時(shí) , 相對(duì)恒定，器件工作在飽和區(qū)。相對(duì)恒定，器件工作在飽和區(qū)。)(THGSDSVVVDI(2.10)第30頁/共81頁221)(THGSoxnDVVLWCI (2.10)221DSDSTHGSoxnDVVVVLWCI)( 式式(2.6),(2.10) 為為analog CMOS design 的最基本的方程的最基本的方程式式.(2.6)它們描述了它們描述了ID與工藝常數(shù)與工藝常數(shù) ,器件尺寸器件尺寸W和和L以及柵以及柵和漏相對(duì)于源的電位之間的關(guān)系和漏相對(duì)于源的電位之間的關(guān)系.oxnC第31頁/共81頁若若 ，可以得到，可以得到 不同不同VGS下漏電流曲線為下漏

17、電流曲線為:178GSGSGSVVV.LL 第32頁/共81頁221DSDSTHGSoxpDVVVVLWCI)( 221)(THGSoxpDVVLWCI 對(duì)于對(duì)于PMOS器件器件,其在三極管區(qū)和飽和區(qū)的電流方程分其在三極管區(qū)和飽和區(qū)的電流方程分別表示為別表示為第33頁/共81頁若若LL ,那么工作在飽和區(qū)的那么工作在飽和區(qū)的MOSFET構(gòu)成一個(gè)構(gòu)成一個(gè)連接源和漏的電流源連接源和漏的電流源,如圖如圖2.17所示所示.2121)(THGSoxnVVLWCI 2221)(THGSoxpVVLWCI 第34頁/共81頁)(HTGSoxnconstVGSDmVVLWCVIgDS 當(dāng)當(dāng)MOS器件處于飽和區(qū)

18、時(shí)器件處于飽和區(qū)時(shí),溝道被夾斷溝道被夾斷.當(dāng)當(dāng)VDS增大時(shí)增大時(shí),夾斷點(diǎn)夾斷點(diǎn)向向S方向移動(dòng)，溝道長(zhǎng)度由方向移動(dòng)，溝道長(zhǎng)度由L變成了變成了L,故飽和區(qū)電流方程中故飽和區(qū)電流方程中L應(yīng)用應(yīng)用L取代取代,但當(dāng)?shù)?dāng)L較大較大, VDS不是很高時(shí)不是很高時(shí),我們?nèi)砸晕覀內(nèi)砸訪作為作為MOS管的溝長(zhǎng)管的溝長(zhǎng).(2.11)第35頁/共81頁DoxnTHGSoxnoxnmILWCVVLWCLWCg 222)(.DoxnmILWCg 2)()().(HTGSDHTGSHTGSHTGSoxnmVVIVVVVVVLWCg2 (2.12)(2.13)第36頁/共81頁根據(jù)根據(jù)gm的表達(dá)式的表達(dá)式,我們可以得到如圖我

19、們可以得到如圖2.18所示的曲線所示的曲線,它反映了它反映了gm隨某一參數(shù)變化的特性隨某一參數(shù)變化的特性.THGSDDoxnHTGSoxnmVVIILWCVVLWCg22 )(第37頁/共81頁電阻以減小串連電阻電阻以減小串連電阻,因?yàn)橐驗(yàn)?(*DsdrsmmmRRgRggg1第38頁/共81頁怎樣區(qū)分飽和區(qū)和三極管區(qū)怎樣區(qū)分飽和區(qū)和三極管區(qū)?當(dāng)柵壓和漏壓之差不足以形成反型層時(shí)當(dāng)柵壓和漏壓之差不足以形成反型層時(shí),溝道被夾斷溝道被夾斷,器件工器件工作在飽和區(qū)作在飽和區(qū).THNDGVVVTHPGDVVV對(duì)對(duì)NMOS:對(duì)對(duì)PMOS:第39頁/共81頁THGSDSVVVTHGSDSVVVTHGSVVT

20、HGSodVVVTriode 區(qū)又稱非飽和區(qū)或線性電阻區(qū)；區(qū)又稱非飽和區(qū)或線性電阻區(qū)；Saturation 區(qū)又稱飽和區(qū)；區(qū)又稱飽和區(qū)；cut off 區(qū)又稱截止區(qū)；區(qū)又稱截止區(qū)；Overdrive Voltage 有時(shí)也稱有時(shí)也稱Vod，它的表達(dá)式為，它的表達(dá)式為有關(guān)的重要術(shù)語和概念：有關(guān)的重要術(shù)語和概念：aspect ratio W/L第40頁/共81頁對(duì)應(yīng)溝道剛剛對(duì)應(yīng)溝道剛剛pinch off 的情況的情況:如果如果D端電位增加，則溝道端電位增加，則溝道pinch off 的情況變?yōu)榈那闆r變?yōu)?THGSDSVVVTHGSDSVVV第41頁/共81頁但在實(shí)際電路中（特別是但在實(shí)際電路中（特

21、別是Analog電路中），一些器件會(huì)處于源電路中），一些器件會(huì)處于源極和襯底電位分離的狀態(tài)。例如襯底接地，源極電位高于襯底；極和襯底電位分離的狀態(tài)。例如襯底接地，源極電位高于襯底；或源極接地，襯底接上負(fù)電位，如圖或源極接地，襯底接上負(fù)電位，如圖(b)所示所示:(a)(b)第42頁/共81頁的作用，襯底吸走更多的空穴，在溝道處留下更多不可動(dòng)的作用，襯底吸走更多的空穴，在溝道處留下更多不可動(dòng)的負(fù)離子，由于柵的鏡像作用，柵上出現(xiàn)更多的正電荷，的負(fù)離子，由于柵的鏡像作用，柵上出現(xiàn)更多的正電荷，這表明襯底在反型前這表明襯底在反型前 被提高了，也就是閾值電壓被提高了，也就是閾值電壓 提提高了高了.以源極接

22、地，襯底接負(fù)電位為例：以源極接地，襯底接負(fù)電位為例：假設(shè)假設(shè) , 在反型溝在反型溝道出現(xiàn)之前道出現(xiàn)之前( )，溝，溝道處由于柵極電壓出現(xiàn)耗盡道處由于柵極電壓出現(xiàn)耗盡層。層。時(shí)，耗盡層中的電荷數(shù)量少些；時(shí)，耗盡層中的電荷數(shù)量少些；0BVBV當(dāng)當(dāng) 后后,由于由于0BVGVTHV0DSVVTHGVV 第43頁/共81頁這被稱為這被稱為body effect 或或back gate effect 或或substrate bia effect.(源極電位和襯底電位不同源極電位和襯底電位不同,引起閾值電壓的變化引起閾值電壓的變化)oxdepFmsTHCQV 2從從 的表達(dá)式來看的表達(dá)式來看:THVdepQ

23、增加了增加了,所以所以 提高了提高了.THV)(FSBFTHTHVVV 220考慮體效應(yīng)后，考慮體效應(yīng)后，oxsubSiCNq/ 2214030/.V 其中體效應(yīng)系數(shù)其中體效應(yīng)系數(shù)對(duì)于對(duì)于NMOS管，管，F(xiàn)為正為正,當(dāng)當(dāng)VB比比VS負(fù)時(shí)負(fù)時(shí),VSB為正為正,VTH提高提高.,(2.14)第44頁/共81頁實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)際應(yīng)用中，VSB只會(huì)為正值，或只會(huì)為正值，或VB只會(huì)等于只會(huì)等于VS或低于或低于VS，VSB被稱為被稱為sourcebody 電勢(shì)差。電勢(shì)差。對(duì)對(duì)PMOS管，襯底接管，襯底接Vdd，源極電位等于或低于，源極電位等于或低于Vdd。故這時(shí)。故這時(shí)VSB為負(fù)值，為負(fù)值， 且且F為負(fù)為負(fù)

24、 , 相應(yīng)地相應(yīng)地VTH絕對(duì)值增加。絕對(duì)值增加。)(FNFNBSpTHTHPVVV 220)(FPSBFPnTHTHNVVV 220)(FSBFTHTHVVV 220第45頁/共81頁考慮圖考慮圖(a)所示的電路所示的電路, Vin變化時(shí)變化時(shí), Vout將怎樣變化？將怎樣變化？第46頁/共81頁由由 變化引起變化引起.MOSFET工作于飽和區(qū)時(shí)工作于飽和區(qū)時(shí),有效溝長(zhǎng)有效溝長(zhǎng) 為為L(zhǎng)LL LLLLLLLLLL/ 11122)()()(LLVVLWCVVLWCITHGSoxnTHGSoxnD 1212122 LDSV L這時(shí)這時(shí),飽和區(qū)電流表達(dá)式為飽和區(qū)電流表達(dá)式為VDVG0LVSTHGSDS

25、VVVL第47頁/共81頁由于由于 由由 變化引起變化引起,故令故令LDSVDSVLL 于是可得到考慮溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)的飽和電流方程：于是可得到考慮溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)的飽和電流方程：)()(DSTHGSoxnDVVVLWCI 1212考慮溝長(zhǎng)調(diào)制效應(yīng)后飽和區(qū)的跨導(dǎo)相應(yīng)修改為：考慮溝長(zhǎng)調(diào)制效應(yīng)后飽和區(qū)的跨導(dǎo)相應(yīng)修改為：HTGSDDSDoxnDSHTGSoxnGSDmVVIVILWCVVVLWCVIg2121)( )( 其中其中 是溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)是溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù),表示表示VDS對(duì)溝道對(duì)溝道L產(chǎn)生作用的產(chǎn)生作用的大小因子。大小因子。(2.15)第48頁/共81頁,在一定的在一定的 下下, 為定值為

26、定值,于是有于是有關(guān)于溝長(zhǎng)調(diào)制效應(yīng)我們應(yīng)關(guān)注的問題：關(guān)于溝長(zhǎng)調(diào)制效應(yīng)我們應(yīng)關(guān)注的問題：DSVLLDSVLL由于由于反比于反比于 .DSDVI的曲線修正為：的曲線修正為：第49頁/共81頁器件進(jìn)入飽器件進(jìn)入飽和區(qū)后，和區(qū)后，ID隨隨VDS的增大而增的增大而增大。大。越靠近越靠近x軸的軸的曲線越平坦，曲線越平坦，越往上曲線越越往上曲線越陡峭，增幅越陡峭，增幅越大。大。從這個(gè)曲線可以從這個(gè)曲線可以看出：看出：第50頁/共81頁MOS器件輸出電阻與溝道長(zhǎng)度的關(guān)系器件輸出電阻與溝道長(zhǎng)度的關(guān)系:由由(2.15)式求出輸出電導(dǎo)式求出輸出電導(dǎo) 221)(THGSoxnDSDVVLWCVI22121LVVWCV

27、ITHGSoxnDSD)( L1 2LIVrDDSo DTHGSoxnDSDoIVVLWCVIr121112)(又因?yàn)橛忠驗(yàn)?故有故有或有輸出電阻或有輸出電阻以上分析表明以上分析表明: 在在(VGS VTH)一定時(shí)一定時(shí), 2Lro而在而在ID一定的情況下一定的情況下, Lro因?yàn)橐驗(yàn)?2.16)第51頁/共81頁重要結(jié)論重要結(jié)論:MOS器件輸出電阻與溝道長(zhǎng)度有極大的關(guān)系器件輸出電阻與溝道長(zhǎng)度有極大的關(guān)系.在模擬電路放在模擬電路放大器設(shè)計(jì)中大器設(shè)計(jì)中,作為放大器件的作為放大器件的MOS管及作為負(fù)載的管及作為負(fù)載的MOS管管,應(yīng)應(yīng)取較大的溝長(zhǎng)取較大的溝長(zhǎng).特別是負(fù)載器件特別是負(fù)載器件, L更要大

28、一些更要大一些.飽和區(qū)電流方程飽和區(qū)電流方程)()(DSTHGSoxnDVVVLWCI 1212表明一個(gè)表明一個(gè)MOS器件的溝道電流由器件的溝道電流由VGS和和VDS共同決定，但共同決定，但VDS的調(diào)節(jié)作用很微弱。作為恒流源的的調(diào)節(jié)作用很微弱。作為恒流源的MOSFET來說，恒流源由來說，恒流源由VGS決定，決定，VDS對(duì)對(duì)ID的調(diào)節(jié)只作為一種誤差分析。的調(diào)節(jié)只作為一種誤差分析。第52頁/共81頁TGSDVVII exp0亞閾值導(dǎo)電會(huì)導(dǎo)致較大的功率損耗。因此亞閾值工作狀亞閾值導(dǎo)電會(huì)導(dǎo)致較大的功率損耗。因此亞閾值工作狀態(tài)一般不可取。只在一些特殊情況，如低速低功耗的電態(tài)一般不可取。只在一些特殊情況，

29、如低速低功耗的電路（如數(shù)據(jù)紀(jì)錄的電表、儀表電路等）才會(huì)用到。路（如數(shù)據(jù)紀(jì)錄的電表、儀表電路等）才會(huì)用到。是一個(gè)非理想因子。是一個(gè)非理想因子。(2.17)第53頁/共81頁前面內(nèi)容復(fù)習(xí)前面內(nèi)容復(fù)習(xí)221)(THGSoxnDVVLWCI 221DSDSTHGSoxnDVVVVLWCI)( 1.MOS的的I/V特性特性THGSDSVVVTHGSDSVVVTHGSVVa.,MOS管截止管截止;THGSVVb.,MOS管導(dǎo)通管導(dǎo)通;當(dāng)當(dāng)時(shí)時(shí),MOS管工作在三極管區(qū)管工作在三極管區(qū);時(shí)時(shí),MOS管工作在飽和區(qū)管工作在飽和區(qū);當(dāng)當(dāng)?shù)?4頁/共81頁深三極管區(qū)導(dǎo)通電阻深三極管區(qū)導(dǎo)通電阻)(THGSoxnDDS

30、onVVLWCIVR 1飽和區(qū)跨導(dǎo)飽和區(qū)跨導(dǎo)THGSDDoxnHTGSoxnmVVIILWCVVLWCg22 )(第55頁/共81頁2.MOS的二級(jí)效應(yīng)的二級(jí)效應(yīng)a.體效應(yīng)體效應(yīng)(背柵效應(yīng)背柵效應(yīng))源與襯底電位不同源與襯底電位不同,引起閾值電壓的變化引起閾值電壓的變化(增加增加).)(FSBFTHTHVVV 220b.溝長(zhǎng)調(diào)制效應(yīng)溝長(zhǎng)調(diào)制效應(yīng)(飽和區(qū)飽和區(qū), 引起引起 的現(xiàn)象的現(xiàn)象.)DSVL)()(DSTHGSoxnDVVVLWCI 1212THGSDDSDoxnDSHTGSoxnGSDmVVIVILWCVVVLWCVIg2121)( )( 第56頁/共81頁 c.亞閾值導(dǎo)電性亞閾值導(dǎo)電性

31、VGS200mV后后,飽和區(qū)飽和區(qū)ID-VGS平方律的特性變?yōu)橹笖?shù)的關(guān)系平方律的特性變?yōu)橹笖?shù)的關(guān)系:TGSDVVII exp0第57頁/共81頁MOSFET的版圖由電路中的的版圖由電路中的器件所要求的電特性器件所要求的電特性和和工藝要求的工藝要求的設(shè)計(jì)規(guī)則設(shè)計(jì)規(guī)則共同決定共同決定.每個(gè)晶體管的寬度和長(zhǎng)度由電路設(shè)計(jì)決定每個(gè)晶體管的寬度和長(zhǎng)度由電路設(shè)計(jì)決定,而而L的最小值由工藝決定的最小值由工藝決定,版圖中其他大多數(shù)尺寸受設(shè)計(jì)規(guī)則的版圖中其他大多數(shù)尺寸受設(shè)計(jì)規(guī)則的限制限制.(最小寬度最小寬度,最小間距最小間距,最小包圍最小包圍,最小延伸最小延伸)第58頁/共81頁例例2.5 畫出圖畫出圖(a)所示

32、電路的版圖所示電路的版圖.第59頁/共81頁EWmBRjjVCC/ 10第60頁/共81頁于是我們可算出圖中于是我們可算出圖中C1-C6 分別為分別為:oxWLCC 1)/(FsubSiNqWLC 42 ovWCCC43jswjCEWCEWCC)(265EW第61頁/共81頁MOS電容電容:u圖中圖中CSB和和CDB為為S-B和和D-B結(jié)電結(jié)電容容,即即CSB=C5,CDB=C6;u器件關(guān)斷時(shí)，圖中器件關(guān)斷時(shí)，圖中CGB為氧化為氧化層電容和耗盡層電容的串聯(lián)；層電容和耗盡層電容的串聯(lián)；其他狀態(tài)時(shí)，其他狀態(tài)時(shí)， CGB被忽略；被忽略；u圖中圖中CGD和和CGS則與則與MOS管的管的工作狀態(tài)有關(guān)工作

33、狀態(tài)有關(guān):)/(2121CCCCCGB溝道截止時(shí)，溝道截止時(shí)，CGS=CGD=WCov.第62頁/共81頁于是可提出于是可提出CGS,CGD隨隨MOS狀態(tài)的變化圖狀態(tài)的變化圖:深深 Triode 導(dǎo)通區(qū)，導(dǎo)通區(qū)，S，D溝道連成一片，將溝道連成一片，將C1各分一半則得各分一半則得CGD和和CGS. 即即Triode區(qū)有區(qū)有CGS= CGD=WLCox/2+WCov.飽和區(qū)時(shí)飽和區(qū)時(shí),CGD=C4=WCov ,ovoxoxGSWCWLCWLCCC32323第63頁/共81頁第64頁/共81頁前面介紹了前面介紹了MOS器件在各工作區(qū)的器件在各工作區(qū)的I/V特性，討論的是電流特性，討論的是電流和電壓在

34、一個(gè)大范圍內(nèi)變化的特性，它與器件電容構(gòu)成了和電壓在一個(gè)大范圍內(nèi)變化的特性，它與器件電容構(gòu)成了MOSFET的大信號(hào)模型。通常我們研究器件的工作區(qū)域的大信號(hào)模型。通常我們研究器件的工作區(qū)域(工工作點(diǎn)作點(diǎn)),輸入輸出范圍輸入輸出范圍,都屬于大信號(hào)分析都屬于大信號(hào)分析.若我們的討論只限若我們的討論只限于于MOS器件在某一工作點(diǎn)附近微小變化的行為器件在某一工作點(diǎn)附近微小變化的行為,即信號(hào)對(duì)偏即信號(hào)對(duì)偏置影響小，稱為小信號(hào)分析置影響小，稱為小信號(hào)分析.此時(shí)此時(shí)MOS器件的工作模型稱小器件的工作模型稱小信號(hào)模型信號(hào)模型.第65頁/共81頁 MOS管的交流小信號(hào)模型是以其直流工作點(diǎn)為基礎(chǔ)的。管的交流小信號(hào)模型

35、是以其直流工作點(diǎn)為基礎(chǔ)的。由于分析的是由于分析的是MOS管的交流小信號(hào)的響應(yīng)，因此可以在工作管的交流小信號(hào)的響應(yīng)，因此可以在工作點(diǎn)附近采用線性化的方法得出模型。小信號(hào)模型中的參數(shù)直接點(diǎn)附近采用線性化的方法得出模型。小信號(hào)模型中的參數(shù)直接由直流工作點(diǎn)的電流、電壓決定。相同的由直流工作點(diǎn)的電流、電壓決定。相同的MOS管在不同的直管在不同的直流工作點(diǎn)處得到的小信號(hào)參數(shù)是不同的。交流模型反映的是流工作點(diǎn)處得到的小信號(hào)參數(shù)是不同的。交流模型反映的是MOS管對(duì)具有一定頻率的信號(hào)的響應(yīng)，它有別于管對(duì)具有一定頻率的信號(hào)的響應(yīng)，它有別于MOS管的直管的直流特性。直流模型和交流模型的關(guān)系如下圖所示：流特性。直流模

36、型和交流模型的關(guān)系如下圖所示：第66頁/共81頁MOS器件是一個(gè)壓控器件。以器件是一個(gè)壓控器件。以NMOS FET為例，它處于三個(gè)為例，它處于三個(gè)直流電壓偏置狀態(tài)：直流電壓偏置狀態(tài)：VGS 、VBS、VDS。這三個(gè)偏置電壓中任。這三個(gè)偏置電壓中任意一個(gè)發(fā)生改變，都會(huì)引起器件溝道電流的變化。電流變化意一個(gè)發(fā)生改變，都會(huì)引起器件溝道電流的變化。電流變化與電壓變化的比率就是電導(dǎo)參數(shù)，因此，在小信號(hào)分析中我與電壓變化的比率就是電導(dǎo)參數(shù)，因此，在小信號(hào)分析中我們必須借助于三個(gè)電導(dǎo)參數(shù)。們必須借助于三個(gè)電導(dǎo)參數(shù)。柵跨導(dǎo)柵跨導(dǎo):襯底跨導(dǎo)襯底跨導(dǎo):溝道電導(dǎo)溝道電導(dǎo):contVVGSDmBSDSVIg,cont

37、VVDSDdsBSGSVIg,contVVBSDmbGSDSVIg,第67頁/共81頁(1) 不考慮二級(jí)效應(yīng)時(shí)不考慮二級(jí)效應(yīng)時(shí),最簡(jiǎn)單的低頻小信號(hào)模型最簡(jiǎn)單的低頻小信號(hào)模型:DSdsBSmbGSmDScontVVDSDBScontVVBSDGScontVVGSDDvgvgvgVVIVVIVVIiBSGSGSDSBSDS , GSmGScontVVGSDDvgVVIiBSDS ,(2.19)(2.18)小信號(hào)模型小信號(hào)模型（等效電路）（等效電路）第68頁/共81頁(2)考慮溝長(zhǎng)調(diào)制效應(yīng)后模型考慮溝長(zhǎng)調(diào)制效應(yīng)后模型:DSdsGSmDScontVVDSDGScontVVGSDDvgvgVVIVVIi

38、BSGSBSDS ,)()(DSTHGSoxnDVVVLWCI 1212oDDDSrIIV 1注注: 器件模型中會(huì)給出器件模型中會(huì)給出,所給出所給出的的為特征尺寸下的為特征尺寸下的值值.不同的溝不同的溝長(zhǎng)長(zhǎng)MOS器件器件不同不同,因因1/L.由由(2.18)知某一給定知某一給定MOS器件器件,工作直流偏置越大工作直流偏置越大,輸出電阻越輸出電阻越小小.(2.20)第69頁/共81頁(3) 同時(shí)考慮溝道調(diào)制效應(yīng)和同時(shí)考慮溝道調(diào)制效應(yīng)和body效應(yīng)效應(yīng),模型為模型為:其中其中VBS是通過影響是通過影響VTH發(fā)生作用的發(fā)生作用的.DSdsBSmbGSmDScontVVDSDBScontVVBSDGScontVVGSDDvgvgvgVVIVVIVVIiBSGSGSDSBSDS , 第70頁/共81頁2122)(SBFSBTHVVV BSSBVVSBFmSBTHmmbVgVVgg 22 對(duì)對(duì)NMOS,有有)(FSBFTHOTHVVV 22 于是于是因?yàn)橐驗(yàn)?所以所以(2.22)()( BSTHmBSTHTHGSoxnBSTHTHDBSDmbVVgVVVVLWCVVVIVIg (2.21)求得求得221)(THGSoxnDVVLWCI 根據(jù)根據(jù)