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1、 MOS器件物理基础Ch.2#1MOSFET的结构的结构第1页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#2衬底Ldrawn：沟道总长度Leff：沟道有效长度，Leff Ldrawn2 LDMOSFET的结构的结构LD：横向扩散长度（bulk、body）第2页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#3MOS管正常工作的基本条件管正常工作的基本条件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！寄生二极管第3页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#4同一衬底上的同一衬底上的NMOS和和PMOS器件器件寄生二极管*N-SUB必须接最高电位VDD！*P-SUB必须接最低
2、电位VSS！*阱中MOSFET衬底常接源极SMOS管所有pn结必须反偏:第4页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#5例：判断制造下列电路的衬底类型例：判断制造下列电路的衬底类型第5页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#6NMOS器件的阈值电压器件的阈值电压VTH(a)栅压控制的MOSFET (b)耗尽区的形成(c)反型的开始 (d)反型层的形成第6页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#7p 以NMOS为例：D和S接地 VG0，空穴在硅表面积积累 0VGVTH 硅表面反型：自由电子吸引到硅表面p 强反型条件：栅极下硅表面反型层的载流子浓度=衬底掺杂浓度第7页/共70页 MOS器件物理
3、基础Ch.2#8这里 是多晶硅栅和硅衬底的函数，Nsub是衬底的掺杂浓度，Qdep是耗尽层的电荷，Cox是单位面积的栅极电容。由pn结的原理，,这里si是硅的介电常数。因为Cox经常出现在器件的计算公式中，一般认为tox 50A，Cox 6.9fF/，Cox的值可以来估其他厚度的氧化层面积。=为体效应系数，为源体之间的电势差 第8页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#9NMOS管管VGSVT、VDS=0时的示时的示意图意图第9页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#10NMOS管管VGSVT、0VDS VGS-VT时的时的示意图示意图沟道夹断条件VdsVgs-Vth第10页/共70页 M
4、OS器件物理基础Ch.2#11NMOS沟道电势示意图沟道电势示意图(0VDS VGS-VT)边界条件:V(x)|x=0=0,V(x)|x=L=VDS第11页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#12Qd：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处的电荷密度V(x)：沟道x点处的电势I/V特性的推导（特性的推导（1）电荷移动速度(m/s)V(x)|x=0=0,V(x)|x=L=VDS第12页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#13I/V特性的推导（特性的推导（2）对于半导体：且第13页/共70页 MOS器件物理
5、基础Ch.2#14三极管区的三极管区的MOSFET（0 VDS VT、VDSVGS-VT时的示意时的示意图图电子耗尽区第17页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#18NMOS管的电流公式管的电流公式截至区，VgsVTHVDSVTHVDS Vgs-VTH第18页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#19MOSFET的的I/V特性特性Triode RegionVDSVGS-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-VTVDSVGS-VT用作恒流源条件：工作在饱和区且VGS const！第19页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#20例2.1：在图2.14a中，表
6、示M1是受VG控制的电阻。假设Cox50uA/V，W/L=10，VTH0.7V。漏端开路解：因为漏端开路，ID 0，VDS 0。因此，假如器件导通，它就工作在深线性区。如果VG1V+VTH我们有第20页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#21MOSFET的跨导的跨导gm第21页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#22例2.2：如图2.19，画出跨导与 的函数曲线 当 从无穷大减小到零时来研究 的变化，会使这个问题变的简单。只要 ，晶体管就工作在饱和区，和 就保持相对恒定，这可从 式得到。当它工作在线性区时，此时有=因此，如图2.19曲线所示，一旦器件进入线性区，跨导将下降。因此，在放大
7、应用时，我们通常使MOSFET工作在饱和区 第22页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#23MOS管饱和的判断条件管饱和的判断条件NMOS饱和条件：VgsVTN；VdsVgs-VTHNPMOS饱和条件:Vgs1,是一个非理想因子)第37页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#38MOS管亚阈值导电特性的管亚阈值导电特性的Pspice仿真仿真结果结果VgSlogID仿真条件：VT0.6W/L100/2MOS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。第38页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#39MOS器件版图器件版图第39页/共70页 MOS器件物理基础Ch
8、.2#40 MOS器件电容在许多模拟电路中，器件电容也必须加以考虑以便预测其交流特性。我们认为电容存在于MOSFET的四个端子中任意两个之间。（1）基本的覆盖电容（线性的）（2）沟道电容（非线性的，值与晶体管的工作区域有关。（3）结电容，也是非线性的。第40页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#41The Gate Capacitancetoxn+n+Cross sectionLGate oxidexdxdLdPolysilicon gateTop viewGate-bulkoverlapSourcen+Drainn+W第41页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#42Gate Capa
9、citanceCut-offResistiveSaturationMost important regions in digital design:saturation and cut-off第42页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#43Gate CapacitanceCapacitance as a function of VGS(with VDS=0)Capacitance as a function of the degree of saturation第43页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#44Measuring the Gate Cap第44页/共70页 MOS器件物理
10、基础Ch.2#45Diffusion CapacitanceBottomSide wallSide wallChannelSourceNDChannel-stop implant NA1Substrate NAWxjLS第45页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#46Junction Capacitance第46页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#47Linearizing the Junction CapacitanceReplace non-linear capacitance bylarge-signal equivalent linear capacitancewhich d
11、isplaces equal charge over voltage swing of interest第47页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#48Capacitances in 0.25 m mm CMOS process第48页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#49MOS电容电容存在于MOS管的任意二极点之间电容可分为：栅-沟道电容：栅-源漏交叠电容：=是单位长度电容沟道-衬底耗尽层电容：结电容：C5，C6底板电容Cj0、侧壁电容Cjsw第49页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#50不同工作区的不同工作区的MOS电容电容关断：线性区：饱和区：SDGB如果栅压发生变化，电
12、荷是由源和漏提供，而不是由衬底提供。P27最后一段第50页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#51栅源、栅漏电容随栅源、栅漏电容随VGS的变化曲线的变化曲线C3=C4=COVW Cov：每单位宽度的交叠电容MOS管关断时:CGD=CGS=CovW,CGB=C1/C2C1=WLCoxMOS管深线性区时:CGD=CGS=C1/2+CovW,CGB=0,C2被沟道屏蔽MOS管饱和时:CGS=2C1/3+CovW,蔼CGD=CovW,CGB=0,C2被沟道屏蔽第51页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#52MOS电容器的结构。第52页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#53MOS器件电容器
13、件电容第53页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#54减小减小MOS器件电容的版图结构器件电容的版图结构对于图a:CDB=CSB=WECj+2(W+E)Cjsw对于图b:CDB=(W/2)ECj+2(W/2)+E)Cjsw CSB=2(W/2)ECj+2(W/2)+E)Cjsw =WECj+2(W+2E)Cjsw 第54页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#55栅极电阻栅极电阻第55页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#56MOS小信号模型小信号模型漏电流公式和与电压有关的电容构成了MOS的大信号模型。当信号显著影响偏置工作点时，应考虑非线性效应。若信号对偏置影响小时，则可以用小信
14、号模型简化计算。小信号模型是工作点附近的大信号模型的近似由于模拟电路中MOS偏置在饱和区，可以导出其相应的小信号模型。第56页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#57（1）由于漏电流是栅-源电压的函数，因此我们可以引入一个值为gmVGS的压控电流源。(a)(2)由于沟长调制，漏电流也随着漏-源电压变化。这一效应也可用一个压控电流源模拟。但是，如果一个电流源的电流值与它两端的电压成线性关系，则该电流源等效于一个线性阻抗。(b)(c)第57页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#58连接于D和S之间的输出电阻可由下式得到：输出电阻ro影响模拟电路的许多特性。例如，它限定着大多数放大器的最大电
15、压增益。第58页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#59（3）衬底电势影响阈值电压，因而也影响栅-源过驱动电压，在所有其他端子保持恒定电压的情况下，漏电流是衬底电压的函数。也就是说，衬底相当于另一个栅。用连接于B和S之间的电流源模拟这一关系，其电流值为gmbVbs,其中gmb=第59页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#60在饱和区：因此我们又有gmbVBS和gmVGS有相同的极性，也就是说，增大栅电压与增大衬底电压效果相同。第60页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#61完整的MOS小信号模型也包括器件电容MOS小信号模型中的电容图2.38 完整的MOS小信号模型第61页/共70
16、页 MOS器件物理基础Ch.2#62例：求下列电路的低频小信号输出电阻例：求下列电路的低频小信号输出电阻(0)第62页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#63例：求下列电路的低频小信号输出电阻例：求下列电路的低频小信号输出电阻(0)第63页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#64例：求下列电路的低频小信号输出电阻例：求下列电路的低频小信号输出电阻(0)第64页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#65小信号电阻总结小信号电阻总结（0）对于图（A）：对于图（B）：对于图（C）：第65页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#66NMOS器件的电容器件的电容-电压特性电压特性积累区强反型
17、第66页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#67例：例：若若W/L50/0.5，|ID|500uA，分别求分别求:NMOS、PMOS的跨导及输出阻抗以及本征增益的跨导及输出阻抗以及本征增益gmr0（tox=9e-9 n=0.1,p=0.2,n=350cm2/V/s,p=100cm2/V/s）tox=50,Cox6.9fF/m2(1=10-10 m,1fF=10-15 F)tox=90,Cox6.9*50/90=3.83fF/m2同理可求得PMOS的参数如下：gmP 1.96mA/V，r0P 10K，gmP r0P 19.6第67页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#68本节中描述了最简
18、单的MOS SPICE模型，也就是平常所说的“Lever 1”，并给出了0.5m工艺中各参数的典型值 各参数定义如下：VTO：=0时的阈值电压（单位：V）TOX：栅氧厚度NSUB：衬底浓度LD：源/漏横向扩散UO：沟道迁移率LAMBDA：沟道调制系数CJ：单位长度源/漏结底面电容CJSW：单位长度源/漏结侧墙电容PB：源/漏结自建电势MJ：衬底结梯度系数MJSM：源漏结侧墙的梯度系数CGDO：单位宽度沟道长度的栅-漏覆盖电容CGSO：单位宽度沟道长度的栅-源覆盖电容JS：源漏单位面积泄漏电流PHI：GAMMA：体效应系数第68页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#69本章基本要求本章基本要求1.掌握MOSFET电流公式及跨导公式。2.掌握MOSFET小信号等效电路。3.掌握MOSFET的二阶效应、用作恒流源的结构特点及其饱和的判断条件。4.掌握MOS管的开关特性。第69页/共70页 MOS器件物理基础Ch.2#70感谢您的观看。第70页/共70页