《MOS器件物理》PPT课件

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1、第二讲MOS器件物理(续)MOS管的电特性主要指：阈值电压I/V特性输入输出转移特性跨导等电特性MOS管的电特性－阈值电压（NMOS）在漏源电压的作用下刚开始有电流产生时的VG为阈值电压Vth：ΦMS：指多晶硅栅与硅衬底间的接触电势差称为费米势，其中q是电子电荷Nsub：衬底的掺杂浓度Qb：耗尽区的电荷密度，其值为　　　　　　　　，其中是硅的介电常数Cox：单位面积的栅氧电容，　　　　　　　　，Qss：氧化层中单位面积的正电荷VFB：平带电压，VFB＝MOS管的电特性－阈值电压同理PMOS管的阈值电压可表示为：注意：器件的

2、阈值电压主要通过改变衬底掺杂浓度、衬底表面浓度或改变氧化层中的电荷密度来调整，对于增强型MOS管，适当增加衬底浓度，减小氧化层中的正电荷即可使其阈值大于0；而氧化层中的正电荷较大或衬底浓度太小都可形成耗尽型NMOS。实际上，用以上方程求出的“内在”阈值在电路设计过程中可能不适用，在实际设计过程中，常通过改变多晶与硅之间的接触电势即：在沟道中注入杂质，或通过对多晶硅掺杂金属的方法来调整阈值电压。比如：若在p型衬底中掺杂三价离子形成一层薄的p＋区，为了实现耗尽，其栅电压必须提高，从而提高了阈值电压。MOS管的电特性－输出特性（

3、I/V特性）MOS晶体管的输出电流－电压特性的经典描述是萨氏方程。忽略二次效应，对于NMOS管导通时的萨氏方程为：VGS－Vth：MOS管的“过驱动电压”L：指沟道的有效长度W/L称为宽长比，称为NMOS管的导电因子ID的值取决于工艺参数：μnCox、器件尺寸W和L、VDS及VGS。MOS管的电特性－输出特性（I/V特性）截止区：VGS≤Vth，ID＝0；线性区：VDS≤VGS－Vth，漏极电流即为萨氏方程。深三极管区：VDS<<2（VGS－Vth）时称MOS管工作在，萨氏方程可近似为：上式表明在VDS较小时，ID是VDS

4、的线性函数，即这时MOS管可等效为一个电阻，其阻值为：即：处于深三极管区的MOS管可等效为一个受过驱动电压控制的可控电阻，当VGS一定时，沟道直流导通电阻近似为一恒定的电阻。MOS管的电特性－输出特性（I/V特性）饱和区：VDS≥VGS－Vth：漏极电流并不是随VDS增大而无限增大的，在VDS＞VGS－Vth时，MOS管进入饱和区：此时在沟道中发生了夹断现象。萨氏方程两边对VDS求导，可求出当VDS＝VGS－Vth时，电流有最大值，其值为：这就是饱和萨氏方程。MOS管的电特性－输出特性（I/V特性）转移特性曲线在一个固定的

5、VDS下的MOS管饱和区的漏极电流与栅源电压之间的关系称为MOS管的转移特性。转移特性的另一种表示方式增强型NMOS转移特性耗尽型NMOS转移特性转移特性曲线在实际应用中，生产厂商经常为设计者提供的参数中，经常给出的是在零电流下的开启电压注意，Vth0为无衬偏时的开启电压，而是在与VGS特性曲线中与VGS轴的交点电压，实际上为零电流的栅电压从物理意义上而言，为沟道刚反型时的栅电压，仅与沟道浓度、氧化层电荷等有关；而Vth0与人为定义开启后的IDS有关。转移特性曲线从转移特性曲线可以得到导电因子KN（或KP），根据饱和萨氏方

6、程可知：即有：所以KN即为转移特性曲线的斜率。MOS管的直流导通电阻定义：MOS管的直流导通电阻是指漏源电压与漏源电流之比。饱和区：线性区：深三极管区：饱和区MOS管的跨导与导纳工作在饱和区的MOS管可等效为一压控电流源，故可用跨导gm来表示MOS管的电压转变电流的能力，跨导越大则表示该MOS管越灵敏，在同样的过驱动电压（VGS－Vth）下能引起更大的电流，根据定义，跨导为漏源电压一定时，漏极电流随栅源电压的变化率，即：饱和区跨导的倒数等于深三极管区的导通电阻Ron饱和区MOS管的跨导与导纳讨论1：在KN（KP）为常数（W

7、/L为常数）时，跨导与过驱动电压成正比，或与漏极电流ID的平方根成正比。若漏极电流ID恒定时，则跨导与过驱动电压成反比，而与KN的平方根成正比。为了提高跨导，可以通过增大KN（增大宽长比，增大Cox等），也可以通过增大ID来实现，但以增大宽长比为最有效。饱和区MOS管的跨导与导纳讨论2：双极型三极管的跨导为：，两种跨导相比可得到如下结论：对于双极型，当IC确定后，gm就与几何形状无关，而MOS管除了可通过IDS调节跨导外，gm还与几何尺寸有关；双极型三极管的跨导与电流成正比，而MOS管的跨导与成正比，所以在同样工作电流情况

8、下，MOS管的跨导要比双极型三极管的跨导小。饱和区MOS管的跨导与导纳对于MOS管的交流小信号工作还引入了导纳的概念，导纳定义为：当栅源电压与衬底电压为一常数时的漏极电流与漏源电压之比，即可表示为：MOS管的最高工作频率定义：当栅源间输入交流信号时，由源极增加（减小）流入的电子流，一部分通过沟道对电容充