（模擬集成電路原理）第2章mos器件物理基礎(chǔ)

第二章

MOS器件物理基礎(chǔ)2023/1/121MOSFET的結(jié)構(gòu)2023/1/122襯底Ldrawn：溝道總長度Leff：溝道有效長度，Leff＝Ldrawn－2LDMOSFET的結(jié)構(gòu)LD：橫向擴(kuò)散長度（bulk、body）2023/1/123MOS管正常工作的基本條件MOS管正常工作的基本條件是:所有襯源（B、S）、襯漏（B、D）pn結(jié)必須反偏！寄生二極管2023/1/124同一襯底上的NMOS和PMOS器件寄生二極管*N-SUB必須接最高電位VDD！*P-SUB必須接最低電位VSS！*阱中MOSFET襯底常接源極SMOS管所有pn結(jié)必須反偏:2023/1/125例：判斷制造下列電路的襯底類型2023/1/126NMOS器件的閾值電壓VTH(a)柵壓控制的MOSFET(b)耗盡區(qū)的形成(c)反型的開始(d)反型層的形成2023/1/127NMOS管VGS>VT、VDS=0時的示意圖2023/1/128NMOS管VGS>VT、0<VDS<VGS-VT時的示意圖溝道未夾斷條件2023/1/129NMOS溝道電勢示意圖(0<VDS<VGS-VT)邊界條件:V(x)|x=0=0,V(x)|x=L=VDS2023/1/1210Qd：溝道電荷密度Cox：單位面積柵電容溝道單位長度電荷(C/m)WCox：MOSFET單位長度的總電容Qd(x)：沿溝道點x處的電荷密度V(x)：溝道x點處的電勢I/V特性的推導(dǎo)（1）電荷移動速度(m/s)V(x)|x=0=0,V(x)|x=L=VDS2023/1/1211I/V特性的推導(dǎo)（2）對于半導(dǎo)體：且2023/1/1212線性區(qū)的MOSFET（0<VDS<VGS－VT）等效為一個壓控電阻2023/1/1213I/V特性的推導(dǎo)（3）三極管區(qū)(線性區(qū))每條曲線在VDS＝VGS－VTH時取最大值，且大小為：VDS＝VGS－VTH時溝道剛好被夾斷2023/1/1214飽和區(qū)的MOSFET（VDS≥VGS－VT）當(dāng)V(x)接近VGS-VT，Qd(x)接近于0，即反型層將在X≤L處終止，溝道被夾斷。2023/1/1215NMOS管VGS>VT、VDS>VGS-VT時的示意圖電子耗盡區(qū)2023/1/1216NMOS管的電流公式截至區(qū)，Vgs<VTH線性區(qū),Vgs>VTHVDS<Vgs-VTH飽和區(qū),Vgs>VTHVDS>Vgs-VTH2023/1/1217MOSFET的I/V特性TriodeRegionVDS>VGS-VT溝道電阻隨VDS增加而增加導(dǎo)致曲線彎曲曲線開始斜率正比于VGS-VTVDS<VGS-VT用作恒流源條件：工作在飽和區(qū)且VGS＝const！2023/1/1218MOSFET的跨導(dǎo)gm2023/1/1219MOS管飽和的判斷條件NMOS飽和條件：Vgs>VTN；Vd≥Vg-VTHNPMOS飽和條件:Vgs<VTP；Vd≤Vg＋|VTP

|gdgd判斷MOS管是否工作在飽和區(qū)時，不必考慮Vs2023/1/1220MOS模擬開關(guān)MOS管為什么可用作模擬開關(guān)？MOS管D、S可互換，電流可以雙向流動?？赏ㄟ^柵源電源（Vgs）方便控制MOS管的導(dǎo)通與關(guān)斷。關(guān)斷后Id≈02023/1/1221NMOS模擬開關(guān)傳送高電平的閾值損失特性假定“1”電平為3V，“0”電平為0V，VTN＝0.5V，試確定C1、C2的終值電壓。2023/1/1222PMOS模擬開關(guān)傳送低電平的閾值損失特性假定“1”電平為3V，“0”電平為0V，VTP＝-0.5V，試確定C1、C2的終值電壓。2023/1/1223MOS管的開啟電壓VT及體效應(yīng)ΦMS：多晶硅柵與硅襯底功函數(shù)之差Qdep耗盡區(qū)的電荷,是襯源電壓VBS的函數(shù)Cox：單位面積柵氧化層電容2023/1/1224MOS管的開啟電壓VT及體效應(yīng)無體效應(yīng)源極跟隨器

有體效應(yīng)體效應(yīng)系數(shù)，VBS＝0時，＝02023/1/1225MOS管體效應(yīng)的Pspice仿真結(jié)果Vb=0.5vVb=0vVb=-0.5vIdVg體效應(yīng)的應(yīng)用：利用襯底作為MOS管的第3個輸入端利用VT減小用于低壓電源電路設(shè)計2023/1/1226襯底跨導(dǎo)gmb2023/1/1227MOSFET的溝道調(diào)制效應(yīng)2023/1/1228MOSFET的溝道調(diào)制效應(yīng)LL’2023/1/1229MOS管溝道調(diào)制效應(yīng)的Pspice仿真結(jié)果VGS-VT=0.15V,W=100μ?ID/?VDS∝λ/L∝1/L2Ｌ=2μＬ=6μＬ=4μ2023/1/1230MOS管跨導(dǎo)gm不同表示法比較跨導(dǎo)gm123上式中:2023/1/1231亞閾值導(dǎo)電特性(ζ>1,是一個非理想因子)2023/1/1232MOS管亞閾值導(dǎo)電特性的Pspice仿真結(jié)果VgSlogID仿真條件：VT＝0.6ＶW/L＝100μ/2μMOS管亞閾值電流ID一般為幾十~幾百nA,常用于低功耗放大器、帶隙基準(zhǔn)設(shè)計。2023/1/1233MOS低頻小信號模型2023/1/1234例：求下列電路的低頻小信號輸出電阻(γ＝0)2023/1/1235例：求下列電路的低頻小信號輸出電阻(γ＝0)2023/1/1236例：求下列電路的低頻小信號輸出電阻(γ＝0)2023/1/1237小信號電阻總結(jié)（γ＝0）對于圖（A）：對于圖（B）：對于圖（C）：2023/1/1238MOS器件版圖2023/1/1239MOS電容器的結(jié)構(gòu)。2023/1/1240MOS器件電容2023/1/1241減小MOS器件電容的版圖結(jié)構(gòu)對于圖a:CDB=CSB=WECj+2(W+E)Cjsw對于圖b:CDB=(W/2)ECj+2((W/2)+E)CjswCSB=2((W/2)ECj+2((W/2)+E)Cjsw=WECj+2(W+2E)Cjsw2023/1/1242柵源、柵漏電容隨VGS的變化曲線C3=C4=COVWCov：每單位寬度的交疊電容MOS管關(guān)斷時:CGD=CGS=CovW,CGB=C1//C2C1=WLCoxMOS管深線性區(qū)時:CGD=CGS=C1/2+CovW,CGB=0,C2被溝道屏蔽MOS管飽和時:CGS=2C1/3+CovW,藹CGD=CovW,CGB=0,C2被溝道屏蔽2023/1/1243柵極電阻2023/1/1244完整的MOS小信號模型2023/1/1245NMOS器件的電容--電壓特性積累區(qū)強(qiáng)反型2023/1/1246例：若W/L＝50/0.5，|ID|＝500uA，分別求:

NMOS、PMOS的跨導(dǎo)及輸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=50?,Cox6.9fF/μm2(1?=10-10

m,1fF=10-15

F)∴tox=90?,Cox6.9*50/90=3.83fF/μm2同理可求得PMOS的參數(shù)如下：gmP

1.96mA/V，r0P

10KΩ

，gmPr0P

19.62023/1/1247寄生pnpn效應(yīng)2023/1/1248自鎖產(chǎn)生的條件2023/1/12492023/1/1250消除自鎖的幾項措施版圖設(shè)計和工藝考慮

1.減小Rs和Rw,2.保護(hù)環(huán)(橫向寄生管),深阱擴(kuò)散(縱向寄生管);3.減小有害的電位梯度.其他措施

1.控制電源跳動,