mos器件物理——转移特性曲线

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1、MOS器件物理(续)转移特性曲线在一个固定的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

2、曲线可以得到导电因子KN（或KP），根据饱和萨氏方程可知：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：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（放）电，一部分经过沟道流向漏极，形成漏源电流的增量，当变化的电流全部用于对沟道电容充放电时，MOS管就失去了放大能力，因此MOS管的最高工作频率定义为：对栅输入电容的充放电电流和漏源交流电流值相等时所对应的工作频

3、率。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/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

4、。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

5、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C表示栅极输入电容，该电容正比于WLCox。MOS管的最高工作频率与沟道长度的平方成反比，因此，减小MOS管的沟道长度就能很显著地提高工作频率。二阶效应二阶效应在现代模拟集成电路的设计中是不能忽略的，主要的二阶效应有：MOS管的衬底效应沟道调制效应亚阈值导通温度效应衬底偏置效应（体效应）在前面的分析中：没有考虑衬底电位对MOS管性能的影响假设了所有器件的衬底都与器件的源端相连，即VBS＝0但在实际的模拟集成电路中，由于MOS器件制作在

6、同一衬底上，就不可能把所有的MOS管的源极与公共衬底相接，即VBS≠0例如：在实际电路设计中NMOS管的源极电位有时就会高于衬底电位（仍能保证源极与漏极与衬底间保持为反偏，使器件正常工作）衬底偏置效应（体效应）根据阈值电压的定义及MOS管的工作原理可知，MOS管要形成沟道必须先中和其耗尽层的电荷，假设VS＝VD＞VB，当0＜VGB＜Vth时则在栅下面产生了耗尽但没产生反型层，保持MOS管的三端电压不变，而降低衬底电压VB，则VGB增大，更多的空穴被排斥到衬底，而留下了更多的负电荷，从而使其耗尽区变得更宽，即当VB下降

7、、Qb上升时，Vth也会增大。这种由于VBS不为0而引起阈值电压的变化的效应就称为“衬底效应”，也称为“背栅效应”。衬底偏置效应（体效应）在考虑衬底效应时，其耗尽层的电荷密度变化为：把上式代入阈值电压的表达式，可得其阈值电压为：其中Vth0是在无体效应时的阈值电压；，称为体效应因子，γ的大小由衬底浓度与栅氧厚度决定，其典型值在0.3到0.4V1/2。对于PMOS管，考虑体效应后的阈值电压为：对于衬底效应表明其衬底势能Vsub不需改变：如果其源电压相对于Vsub发生了改变，会发生同样的现象。衬底偏置效应（体效应）例：衬

8、底偏置效应（体效应）由于衬底电位会影响阈值电压，进而影响MOS管的过驱动电压，所以衬底可以视为MOS管的第二个栅（常称背栅）。因此为了衡量体效应对MOS管的I/V的影响，定义一衬底跨导衬底跨导：在源漏电压与栅源电压为常量时漏极电流随衬底电压的变化关系：则衬底电位对漏极电流的影响可用一个电流源gmbVBS表示。衬底偏置效应（体效应）在饱和区，gm