第二章 MOS器件物理基础

MOSFET开关 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？ … N型MOSFET

MOSFET的结构

MOSFET的结构 Ldrawn：沟道总长度 LD：横向扩散长度 Leff：沟道有效长度， Leff＝ Ldrawn－2 LD 源极：提供载流子 漏极：收集载流子 衬底 Ldrawn：沟道总长度 （bulk、body） LD：横向扩散长度 Leff：沟道有效长度， Leff＝ Ldrawn－2 LD tox : 氧化层厚度

MOSFET ： Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor CMOS : 互补MOS n型MOSFET ：载流子为电子 p型MOSFET ：载流子为空穴 阱：局部衬底

MOS管正常工作的基本条件 寄生二极管 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

同一衬底上的NMOS和PMOS器件 寄生二极管 MOS管所有pn结必须反偏: *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S 寄生二极管

例：判断制造下列电路的衬底类型 n型衬底p阱 p型衬底n阱

MOS晶体管符号

NMOS晶体管工作原理 导电沟道形成

VGS>VT、VDS=0

VGS>VT、 0<VDS< VGS-VT称为三极管区或线性区 沟道未夹断条件

VGS>VT、VDS>VGS-VT称为饱和区

NMOS器件的阈值电压VTH 形成沟道时的VG称为阈值电压记为VT (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 形成沟道时的VG称为阈值电压记为VT

Qdep耗尽区的电荷,是衬源电压VBS的函数 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 ε si：硅的介电常数 Cox：单位面积栅氧化层电容 ΦMS：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 2ΦF：强反型时的表面电势

阈值电压调整：改变沟道区掺杂浓度。

NMOS沟道电势示意图(0<VDS< VGS-VT ) 边界条件:V(x)|x=0=0, V(x)|x=L=VDS

I/V特性的推导（1） Qd：沟道电荷密度 Cox：单位面积栅电容 WCox：MOSFET单位长度的总电容 沟道单位长度电荷(C/m) 电荷移动速度(m/s) Qd：沟道电荷密度 Cox：单位面积栅电容 WCox：MOSFET单位长度的总电容 假定漏极电压>0，由于沟道电势从源极的0V变化到漏极的VD，所以栅与沟道间的局部电压差从VG变化到VG-VD。 Qd(x)：沿沟道点x处的电荷密度 V(x)：沟道x点处的电势 V(x)|x=0=0, V(x)|x=L=VDS

I/V特性的推导（2） 对于半导体： 且

I/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

三极管区的nMOSFET（0 < VDS < VGS－VT） 等效为一个压控电阻

饱和区的MOSFET（VDS ≥ VGS－VT） 当V(x)接近VGS-VT，Qd(x)接近于0，即反型层将在X≤L处终止，沟道被夹断。

MOSFET的I/V特性 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-VT Triode Region VDS>VGS-VT 曲线开始斜率正比于VGS-VT 用作恒流源条件：工作在饱和区且VGS ＝const！

NMOS管的电流公式 截至区，Vgs<VTH 线性区,Vgs >VTH VDS< Vgs - VTH

MOS管饱和的判断条件 NMOS饱和条件：Vgs>VTHN；Vd≥Vg-VTHN PMOS饱和条件: Vgs<VTHP ；Vd≤Vg＋| VTHP | 判断MOS管是否工作在饱和区时，不必考虑Vs

MOSFET的跨导gm

MOS模拟开关 MOS管D、S可互换，电流可以双向流动。 可通过栅源电源（Vgs）方便控制MOS管的导通与关断。关断后Id≈0

NMOS模拟开关传送高电平的阈值损失特性 假定 “1”电平为3V， “0”电平为0V，VTN＝0.5V，试确定C1、C2的终值电压。

PMOS模拟开关传送低电平的阈值损失特性 假定 “1”电平为3V， “0”电平为0V，VTP＝-0.5V，试确定C1、C2的终值电压。

二级效应

MOS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，＝0

MOS管体效应的Pspice仿真结果 Id Vb=0.5v Vb=0v Vb=-0.5v Vg 体效应的应用： 利用VT减小用于低压电源电路设计 Vg

衬底跨导 gmb

MOSFET的沟道调制效应

MOSFET的沟道调制效应 L L’

MOS管沟道调制效应的Pspice仿真结果 Ｌ=2µ VGS-VT=0.15V, W=100µ Ｌ=6µ Ｌ=4µ ∂ID/∂VDS∝λ/L∝1/L2

MOS管跨导gm不同表示法比较 跨导gm 1 2 3 上式中:

亚阈值导电特性 (ζ>1,是一个非理想因子)

MOS管亚阈值导电特性的Pspice仿真结果 logID 仿真条件： VT＝0.6Ｖ W/L＝100µ/2µ VgS MOS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。

MOS器件模型

MOS器件版图

MOS电容器的结构

MOS器件电容

C1: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

C5,C6有源区和衬底之间的结电容

栅源、栅漏、栅衬电容与VGS关系 1) VGS < VTH截止区

2) VGS > VTH VDS <<VGS – VTH深三极管区

3) VGS > VTH VDS >VGS – VTH饱和区

栅源、栅漏电容随VGS的变化曲线

NMOS器件的电容--电压特性 积累区 强反型

减小MOS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

栅极电阻

MOS 低频小信号模型

完整的MOS小信号模型

作业： 2.1,2.2,2.5,2.9,2.15

实验 熟悉HSPICE环境及MOS晶体管特性 在Windows下Tanner环境下SPICE的使用 任务： 1)完成NMOS和PMOS晶体管I-V特性的仿真,包括 A W,L不变，在不同的Vgs下，Ids与Vds关系 B W,L不变，在不同的Vds下，Ids与Vgs关系 C Vgs不变，在不同的W/L下，Ids与Vds关系 2) 习题2.5b 3) 衬底调制效应的仿真：习题2.5e 时间 4小时 实验报告要求画出各个曲线，上交电子版。

例：求下列电路的低频小信号输出电阻(γ＝0)

例：求下列电路的低频小信号输出电阻(γ＝0)

例：求下列电路的低频小信号输出电阻(γ＝0)

小信号电阻总结（γ＝0） 对于图（A）： 对于图（B）： 对于图（C）：

例：若W/L＝50/0.5，|ID|＝500uA，分别求: NMOS、PMOS的跨导及输出阻抗以及本征增益gmr0 （tox=9e-9 λn=0.1, λp=0.2 , μ n= 350cm2/V/s, μ p= 100cm2/V/s ） tox=50 Å, Cox6.9fF/μm2(1 Å=10-10 m, 1fF= 10-15 F) ∴tox=90 Å, Cox6.9*50/90=3.83fF/μm2 同理可求得PMOS的参数如下：gmP 1.96mA/V ，r0P 10KΩ ，gmP r0P 19.6

本章基本要求 掌握MOSFET电流公式及跨导公式。 掌握MOSFET小信号等效电路。