ch02 MOS器件物理基础.ppt

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1、第二章MOS器件物理基础1MOSFET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？…2MOSFET的结构3衬底Ldrawn：沟道总长度Leff：沟道有效长度，Leff＝Ldrawn－2LDMOSFET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4MOSFET：Metal-OxideSemiconductorField-EffectTransistorCMOS:互补MOSn型MOSFET：载流子为电子p型MOSFET：载流子为空穴阱：局部衬底5MOS管正常工作的基

2、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6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SMOS管所有pn结必须反偏:7MOS晶体管符号8NMOS晶体管工作原理导电沟道形成9VGS>VT、VDS=010VGS>VT、0VT、VDS>VGS-VT称为饱和区12NMOS器件的阈值电压VTH(a)栅压控制的MOSFET(b)耗尽区的形成(c)反型的开

3、始(d)反型层的形成形成沟道时的VG称为阈值电压记为VT13ΦMS：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2ΦF：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εsi：硅的介电常数14阈值电压调整：改变沟道区掺杂浓度。15NMOS沟道电势示意图(0

4、x=0=0,V(x)

5、x=L=VDS16Qd：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单位长度的总电容Qd(x)：沿沟道点x

6、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)

7、x=0=0,V(x)

8、x=L=VDS17I/V特性的推导（2）对于半导体：且18I/V特性的推导（3）三极管区(线性区)每条曲线在VDS＝VGS－VTH时取最大值，且大小为：VDS＝VGS－VTH时沟道刚好被夹断19三极管区的nMOSFET（0

9、VDS>VGS-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-VTVDSVTHVDSVTHVDS>Vgs-VTH23MOS管饱和的判断条件NMOS饱和条件：Vgs>VTHN；Vd≥Vg-VTHNPMOS饱和条件:Vgs

10、VTHP

11、gdgd判断MOS管是否工作在饱和区时，不必考虑Vs24MOSFET的跨导gm25MOS模拟开关MOS管D、S可互换，电流可以双向

12、流动。可通过栅源电源（Vgs）方便控制MOS管的导通与关断。关断后Id≈026二级效应27MOS管的开启电压VT及体效应无体效应源极跟随器有体效应体效应系数，VBS＝0时，＝028MOS管体效应的Pspice仿真结果Vb=0.5vVb=0vVb=-0.5vIdVg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29衬底跨导gmb30MOSFET的沟道调制效应31MOSFET的沟道调制效应LL’32MOS管沟道调制效应的Pspice仿真结果VGS-VT=0.15V,W=100µ∂ID/∂VDS∝λ/L∝1/L2Ｌ=2µＬ=6µ

13、Ｌ=4µ33MOS管跨导gm不同表示法比较跨导gm123上式中:34亚阈值导电特性(ζ>1,是一个非理想因子)35MOS管亚阈值导电特性的Pspice仿真结果VgSlogID仿真条件：VT＝0.6ＶW/L＝100µ/2µMOS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。36MOS器件模型37MOS器件版图38MOS电容器的结构39MOS器件电容40C1:栅极和沟道之间的氧化层电容C2:衬底和沟道之间的耗尽层电容C3,C4栅极和有源区交叠电容41C5,C6有源区和衬底之间的结电容42栅源、栅漏、栅衬电容与VGS关系1)VGS

14、截止区432)VGS>VTHVDS<