第5讲MOS管的理论公式MOS管阈值电压的物理学定义□定义使沟道中反型载流子浓度与衬底中多数载流子浓度相等时所需要的栅源电压定义为阈值电压推导阈值电压时的外咅哼接和内部状态 □源漏区都接地，沟道刚刚产生，厚度忽略'ey Vgs=Vthn+Q"b （正电荷与栅氧 化层下方电荷相等）A /▽P衬底7/////////^////7ZZ^• • • • • W• • • • • ••••••••••••• • • • •••••••••••• • • • f ^<1 ••••••••••••• ••••• ■ •••••••••••1 D‘〃///〃N+■Q’b （栅氧化层下方电荷）-Vsb推导思路□如何使栅氧化层与半导体接触面的表面势与 衬底材料的静电势大小相等，方向（符号） 相反□ NMOS管的体（P型）的静电势为——耳心q q ®□使表面势为・l/fp （正数）需要施加的栅源电 压即阈值电压推导阈值电压需考岁的各种因素□考虑接触电势差和表面附加电荷金屈+nn体金属体接源极（VsB=g）时的公式□ Vsb为0时的阈值电压公式怙厂讥W+笔冬其中Vms是多晶硅栅与体之间的电势差考虑体电位的阈值电压公式□完整公式如下=VthN 0 + 丫此公式对电路设计者的意义□阈值电压与温度有关。
□阈值电压与体电位有关□阈值电压与工艺偏差有关研究阈值电压与温度的关系的文件□ * 例6： ST02X艺NMOS阈值电斥分析 □ * □ .option post=2 $输出波形文件□ * □ ・option search = "d:/hspice2011/libs" $指定库路径□ * □ .lib ”stO乙lib” tt $指定模型库和入口□ * □ ・temp 25 $指定环境温度□ * □ ml nd ng ns nb mn w=20u 1=0.5u□ vg ng gnd 1□ vd nd gnd 5□ vs ns gnd 0□ vb nb gnd 0□ * □ .print de il(ml) $记录ml第一个节点的电流□ * □ ・dc vg 0.4 1 0.01 sweep temp ・40 85 10□ .print LV9(ml).end阈值电压与温度的关系Wwe List■DO：swO：ilQnl) SO, -4.00e+l Sb-3.00e+lS2,-2.00e+lS3?-1.00e+l 54,0. 000 S5J.00e+l S6,2.00e+l ST, 3. OOe+1 S8,4.00e+l S9,5.00e+lS10,6.00e+1Slb7.00e+1S12?8.00e+1- PIa.I.moI500m90Ch1000m402080404D0m600n 700m 8C0mVoltage X CL in) (VOLTS)20利用SPICE模型给出的Vth彗的仿真分析文件□ *…例8： NMOS阈值(别名)与温度关系分析 □ * □ .option post=2 $输出波形文件□ * □ ・option search = "d:/hspice2011/libs" $指定库路径□ * □ 」ib ”stO乙lib” tt $指定模型库和入口□ * □ ・temp 25 $指定环境温度□ * □ ml nd ng gnd nb mn w=20u 1=0.5u□ vgs ng gnd 1□ vds nd gnd 1□ vbs nb gnd 0□ * □ .print de il(ml) $记录ml第一个节点的电流□ * □ ・dc temp -40 85 1□ ・print LV9(ml).end* 例7： ninos;潮佰（别名）日温當关丢湖斤m m m o o o8 s 49 9 9m m m o o o2 0 89 9 8 ^3 A」m608m408m208实验结果□阈值电压随温度升高而下降。
□在Vgs和Vds不变时，Id随温度升高而升高阈值电压与体电位的关系注意：下图中VBS最高只能加到0.5Vognd体电位对阈值电压影响的仿真文件□ *・一例7： NMOS阈値(别名)与体电位关系分析 □ * □ .option post=2 $输出波形文件□ * □ ・option search = "d:/hspice2011/libs" $指定库路径□ * □ .lib ”stO2・lib” tt $指定模型库和入口□ *—— □ ・temp 25 $指定环境温度□ * □ ml nd ng gnd nb mn w=20u 1=0.5u□ vgs ng gnd 1□ vds nd gnd 0□ vbs nb gnd 0□ * □ .print de il(ml) $记录ml第一个节点的电流□ * □ .de vbs ・10・50・1□ ・print LV9(ml).end2-0 一Cl㈣：nmoslSI值〔别宅）日体电仿关惡孙析 I500m-1 -500m 0VoLUge X din) (VOLTS)体电位的簣用□记忆方法：“体相当于另一个栅，VBS^VGS对Zd的作用方向相同”【拉扎维】。
问题：Idi与I竪哪个大?1<11 I"D D J00 EODn2 2 5 3Vclt.ag« X (Lm) (VOLTS)3.5 4 4.SMOS管IV特性方程IV特性即耳与I/gs和“DS之间的方程00 EODn2 2 5 3Vclt.ag« X (Lm) (VOLTS)3.5 4 4.S00 EODn2 2 5 3Vclt.ag« X (Lm) (VOLTS)3.5 4 4.S—4 十 Ji线也区JZ-——…一「 //————5IV—————111•-[—ra—y和区— 1!111•一『■一 ■一 亠—『―—5n乙00 EODn2 2 5 3Vclt.ag« X (Lm) (VOLTS)3.5 4 4.S00 EODn2 2 5 3Vclt.ag« X (Lm) (VOLTS)3.5 4 4.SSOOu -Vgs 蝉 VVgs=!1 V I长沟道MOS管的IV特性方程线性区：沟道未夹断Vgs>Vthn沟逍二P衬底 y+dy Qi（y）考虑沟道中间 与源区距离为y 的一个“小块”00 EODn2 2 5 3Vclt.ag« X (Lm) (VOLTS)3.5 4 4.S计算电荷面密度考虑沟道中间的一个小块的平面图。
如果该小块沟道中电子总数 dy为N,则单位面积电荷为e;w=N q WdyoV（y）电荷cox单位面积氧化层电容单位面积电荷可由单位面积电容和电压得岀丫点附近单位面积栅氧化层、沟道和耗尽层中中的电 荷为的电荷20）心％ 一*刃]Q'i（刃二 C'ox [% - V（y）- Vthn ]Qb — C'ox * Vthn漏极电流计算V输运方程（晶体管原理）Jn是电流密度，E是电场，5是扩散系 数己站是电壬匪移塞"是电屛度」a 是电子的电荷量▽〃是浓度梯度从漏极电流密度厶开始计算假设沟道中电子浓度相同，忽略扩散作用，则Jn = q/\nEy = q 仏"dVdy6等于电流密度乘以截面积截面积等于"乘高度h(y)dVID=W -h(yy/Jnqn---dy替换公式中的浓度门浓度等于电子数/V除 Nn = 以体积 W •心）4… dV dV接上页b 心二U(y)-定义跨导参数 KPuC；x/』◎=w • KPj『［% -Xy) -% %)积分后得到线性区方程线性坊程处于线性区的条件 ％ -%线性区方程的另一种表示法w为便于记忆， Pn = KPn•—定义 L于是，线性 区方程可以= Pn （匕S 一％ % 一2写为2处于饱和区的NM OS管Vgs>VthnVdss3c_+、二r_7IdnN+N+::::::::::::::::瘵:规悸 I:::::::::::P衬底饱和区方程线性方程中，有最大值，当VDS=VGS-VTHN 时，6最大・KPn W • 2 L这个公式是最简单的饱和区公式，按此公式饱 和区曲线是水平的。
为什么饱和后仍随fs增加?I区•—―—}—Vgs> JinVgs^V:•歩 i：彳龙• •・•••・7 « J * » 上• • • •»••••••••• * • • v ••・ r • • • • ^94x. / r....• *«*• 9^9 • • • • ・•N+・• • • • •- f • • g* •••••••Id• Xf z ,• a ■1 Iff 1 11 a/ 1 • 1• 9f • • •• P/ e • •e • •1 ' 丨 vGS=iv 丨[L ■ ・ ・ [爪 ■. 1 1• • • •• • • • •• • • • • •■ ■ Y ♦ ■0 SCOr. 11 * I ■t 5 22 5* * I3 3 5 q 4 5 5\Vk6ce X IVDLTS)P衬底引入沟道长度调制系数的修正沟道夹断后，随I/%增加的原因是有效沟道长度减小定义沟道长度调制系数A = 一^elec「％dVDSKP . WD对于长沟道MOS管=寸•三(匕s - Vthn )2[1 + 2(。