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1、2-1,1 MOSFET是怎样构成的? 2MOSFET的两个PN结是什么? 3MOSFET的三个基本几何参数是什么? 4何谓阈值电压? 5MOSFET是怎样工作的?电压电流的关系是怎样的? 6MOSFET的工作区分别是什么怎样界定的? 7MOSFET的低频小信号模型是什么? 8二级效应分别是什么? 9MOS电容有哪些? 10小信号模型的画法,第二章 MOS器件物理基础,一基本概念 二MOS伏安特性 三低频小信号模型,2-3,一 基本概念,1MOSFET的结构,2MOSFET的符号,2-4,1MOSFET的结构 Metal-Oxide-Semiconductor Structure,2-5,2-
2、6,MOS管结构,以 N 沟道增强型MOS管 为 例,G栅极(基极) S源极(发射极) D漏极(集电极) B衬底,N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构,它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层,然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区,从N型区引出电极,2-7,2-8,MOSFET的三个基本几何参数,2-9,MOSFET的三个基本几何参数 Lmin、Wmin和tox 由工艺确定 Lmin:MOS工艺的特征尺寸(feature size) 决定MOSFET的速度和功耗等众多特性 L和W由设计者选定 通常选取L= Lmin,由此,设计者只需选取W W影响MOSFET的速度,决定
3、电路驱动能力和功耗,2-10,衬底,Ldrawn:沟道总长度,Leff:沟道有效长度, Leff Ldrawn2 LD,一种载流子导电,是电压控制器件 MOS器件的源和漏端在几何上是等效的,LD:横向扩散长度,(bulk、body),2-11,MOS器件是四端器件 有NMOS、PMOS 两种器件,衬底端电平使PN结反偏。 NMOS共享一个衬底端,PMOS 有各自的衬底端,2-12,2MOSFET的符号,2-13,二 MOS 的伏安特性,1 阈值电压 2工作原理 3伏安特性 4二级效应 5器件模型,2-14,1阈值电压(Threshold Voltage Concept),S,D,p subst
4、rate,B,G,n+,引起沟道区产生强表面反型的最小栅电压,称为阈值电压VT。,2-15,改变阈值电压的方法,往用离子注入技术改变沟道区的掺杂浓度,从而改变阈值电压。 对NMOS晶体管而言,注入P型杂质,将使阈值电压增加。反之,注入N型杂质将使阈值电压降低。 如果注入剂量足够大,可使器件沟道区反型变成N型的。这时,要在栅上加负电压,才能减少沟道中电子浓度,或消除沟道,使器件截止。在这种情况下,阈值电压变成负的电压,称其为夹断电压。,2-16,根据阈值电压不同,常把MOS器件分成增强型和耗尽型两种器件。 对于N沟MOS器件而言,将阈值电压VT0的器件称为增强型器件,阈值电压VT0的器件,称为耗
5、尽型器件。 在CMOS电路里,全部采用增强型的NMOS和PMOS。,2-17,以N沟道增强型MOS管为例,正常放大时外加偏置电压的要求,2MOS管工作原理,2-18,栅源电压VGS对iD的控制作用,VGSVTN时( VTN 称为开启电压),2-19,VGSVTN时( VTN 称为开启电压),在漏源电压作用下开始导电时(即产生iD)的栅源电压为开启电压VT,2-20,VGSVTN时(形成反型层),在栅极下方形成的导电沟道中的电子,因与P型半导体的多数载流子空穴极性相反,故称为反型层。,2-21,漏源电压VDS对iD的控制作用,VGSVT后,外加的VDS较小时, ID将随着VDS的增加而增大。,2
6、-22,当VDS继续增加时,由于沟道电阻的存在,沟道上将产生压降,使得电位从漏极到源极逐渐减小,从而使得SiO2层上的有效栅压从漏极到源极增大,反型层中的电子也将从源极到漏极逐渐减小。,2-23,当VDS大于一定值后, SiO2层上的有效栅压小于形成反型层所需的开启电压,则靠近漏端的反型层厚度减为零,出现沟道夹断, ID将不再随VDS的增大而增大,趋于一饱和值。,2-24,3 伏安特性 I/V characteristics,当栅极不加电压或加负电压时,栅极下面的区域保持P型 导电类型,漏和源之间等效于一对背靠背的二极管,当 漏源电极之间加上电压时,除了PN结的漏电流之外,不 会有更多电流形成
7、。,当栅极上的正电压不断升高时,P型区内的空穴被不断地 排斥到衬底方向。当栅极上的电压超过阈值电压VT,在 栅极下的P型区域内就形成电子分布,建立起反型层,即 N型层,把同为N型的源、漏扩散区连成一体,形成从漏 极到源极的导电沟道。,2-25,MOS的伏安特性,非饱和时,在漏源电压Vds作用下,这些电荷Q将在时间内通过沟道,因此有电荷在沟道中的渡越时间,为载流子速度,Eds= Vds/L为漏到源方向电场强度,Vds为漏到源电压。 为载流子迁移率:,2-26,与工艺 相关,2-27,Qd: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,Q
8、d(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(1),电荷移动速度(m/s),V(x)|x=0=0, V(x)|x=L=VDS,2-28,I/V特性的推导(2),对于半导体:,且,2-29,三极管区的MOSFET(0 VDS VGSVT),等效为一个压控电阻,2-30,I/V特性的推导(3),三极管区(线性区),每条曲线在VDSVGSVTH时取最大值,且大小为:,VDSVGSVTH时沟道刚好被夹断,2-31,饱和区的MOSFET(VDS VGSVT),当V(x)接近VGS-VT,Qd(x)接近于0,即反型层将在XL处终止,沟道被夹断。,2-32,NMOS管的大信
9、号特性和工作区域以及电流公式,截止区,VgsVTH VDSVTH VDS Vgs - VTH,2-33,比喻与理解:,2-34,MOSFET的I/V特性,Triode Region,VDSVGS-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-VT,VDSVTN;VdVg-VTHN,PMOS饱和条件: VgsVTP ;VdVg| VTP |,g,d,g,d,判断MOS管是否工作在饱和区时,不必考虑Vs,2-37,MOSFET开关(Switch Model of NMOS Transistor),Gate,Source (of carriers),Drain (of ca
10、rriers),| VGS |,| VGS | | VT |,2-38,MOS模拟开关,MOS管为什么可用作模拟开关? 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Id0,2-39,4 二级效应 体效应 沟道调制效应 亚阈值导电特性,2-40,体效应,VB1,是一个非理想因子),VGSVTH,ID不是无限小而是与VGS呈现指数关系,2-50,MOS管亚阈值导电特性的Pspice仿真结果,VgS,logID,仿真条件:,VT0.6,W/L100/2,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。,2-51,
11、5器件模型 版图,2-52,MOS器件电容,2-53,MOS电容是一个相当复杂的电容,有多层介质:,2018/10/15,MOS器件物理基础,2-54,MOS器件电容栅和沟道之间的氧化层电容 衬底和沟道之间的耗尽层电容 多晶硅栅与源和漏交叠而产生的电容C3,C4,每单位宽度交叠电容用Cov表示 源/漏与衬底之间的结电容C5,C6,结电容,Cj0是在反向电压VR为0时的电容,B是结的内建电势,m=0.30.4,2018/10/15,MOS器件物理基础,2-55,器件关断时,CGD=CGS=CovW, CGB由氧化层电容和耗尽区电容串连得到深三极管区时,VDVS,饱和区时,,在三极管区和饱和区,C
12、GB通常可以被忽略。,等效电容:,2-56,2-57,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)CjswCSB=2(W/2)ECj+2(W/2)+E)Cjsw= WECj +2(W+2E)Cjsw,减小结电容的方法“折叠”结构或“叉指结构”,2-58,NMOS 晶体管C-V 特性,2-59,VGS-VT的取值范围,2-60,弱反型:亚阈值区,2-61,跨导随VGS的变化,2-62,亚阈值区和强反型区的边界,2-63,速度饱和,2-64,考虑速度饱和后的I-V 曲线,2-65,饱和时,g
13、m随VGS-VT的变化,2-66,大信号分析,三 MOS 低频小信号模型,小信号分析,2-67,模拟设计的小信号概念,非线性系统的 输入输出特性,若:,设函数:,则增益:,x0,f(x0)就是静态工作点。,2-68,2-69,MOS管的小信号电阻r0,0.0050.03V-1,2-70,Basic MOS small-signal model,2-71,2-72,衬底跨导,2-73,MOS 低频小信号模型,2-74,例:求下列电路的低频小信号电阻(0),2-75,例:求下列电路的低频小信号输入电阻(0),2-76,例:求下列电路的低频小信号输入电阻(0),2-77,小信号电阻总结(0),对于图(A):,对于图(B):,对于图(C):,2-78,完整的MOS小信号模型,2-79,例:若W/L50/0.5,|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 n=0.1, p=0.2 , n= 350cm2/V/s, p= 100cm2/V/s ),2-80,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,