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1、第二章 MOS器件物理基础,1了解无源元件的基本原理。 2了解有源元件的基本原理。 3了解基本MOS器件模型。,主要内容,了解MOS器件物理基础概念 掌握MOS的I/V特性 掌握二级效应基本概念 了解MOS器件模型,什么是无源器件和有源器件？,无源器件passive devices：如果电子元器件工作时，其内部没有任何形式的电源，则这种器件叫做无源器件。 有源器件active devices ：如果电子元器件工作时，其内部有电源存在，则这种器件叫做有源器件。,从电路性质上看，无源器件有两个基本特点： （1） 自身或消耗电能，或把电能转变为不同形式的其他能量。 （2） 只需输入信号，不需要外加电
2、源就能正常工作。 从电路性质上看，有源器件有两个基本特点： （1） 自身也消耗电能。 （2） 除了输入信号外，还必须要有外加电源才可以正常工作。,分类,电感,变压器,晶体管,运算放大器,电阻器,插座,参考电压源,晶闸管,有源器件,无源器件,1.MOSFET的基本结构,2.MOSFET的结构,衬底,Ldrawn：沟道总长度,Leff：沟道有效长度， Leff Ldrawn2 LD,MOSFET的结构,LD：横向扩散长度,（bulk、body）,MOS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,同一衬底上的NMOS和PMOS器
3、件,寄生二极管,*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,MOS管所有pn结必须反偏:,例：判断制造下列电路的衬底类型,1.MOSFET的基本结构,*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,MOS管所有pn结必须反偏:,2.MOS的阈值电压,NMOS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,NMOS管VGSVT、VDS=0时的示意图,NMOS管VGSVT、 0VDS VGS-VT时的示意图,沟道未夹断
4、条件,NMOS沟道电势示意图(0VDS VGS-VT ),边界条件:V(x)|x=0=0, V(x)|x=L=VDS,2.MOS的阈值电压,1.阈值电压：引起沟道区产生强表面反型的最小栅电压。,2.沟道未夹断条件：,3. 了解I/V特性,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,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（1）,电荷移动速度(m/s),V(x)|x=0=0, V(x)|x=L=VDS,I/V特性的推导（2）,对于半导体：,且,三极管区的MOSFET（0 VDS VGSVT
5、）,等效为一个压控电阻,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,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。,NMOS管的电流公式,截至区，VgsVTH,线性区,Vgs VTH VDS Vgs - VTH,饱和区,Vgs VTH VDS Vgs - VTH,MOS管饱和的判断条件,NMOS饱和条件：VgsVTN；VdVg-VTHN,PMOS饱和条件: VgsVTP ；VdVg| VTP |,g,d,g,d,判断MOS管是
6、否工作在饱和区时，不必考虑Vs,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Id0,4.二级效应,MOS管的开启电压VT及体效应,MS：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,Cox：单位面积栅氧化层电容,MOS管的开启电压VT及体效应,体效应系数，VBS0时，0,MOS管体效应的Pspice仿真结果,Vb=0.5v,Vb=0v,Vb=-0.5v,Id,Vg,体效应的应用： 利用衬底作为MOS管的第3个输入端 利用VT减小用于低压电源电路设计,MOSFET
7、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,VGS-VT=0.15V, W=100,ID/VDS/L1/L2,=2,=6,=4,亚阈值导电特性,(1,是一个非理想因子),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。,4.二级效应,1.什么是”体效应“或者“背栅效应”？ 2.什么是沟道长度调制？ 3.亚阈值导电性？,5.MOS器件模型,MOS器件版图,MOS器件电容,减小MOS器件电容的版图结构,对于图a
8、: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,栅源、栅漏电容随VGS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/C2,C1=WLCox,MOS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,栅极电阻,MOS 低频小信号模型,完整的MOS小信号模型,
