ch02MOS器件物理基礎(chǔ)

1、第二章MOS器件物理基礎(chǔ)1G(Gate)柵極D(Drain)漏極S(Source)源極MOSFET開關(guān)開關(guān)N型MOSFET導(dǎo)通時(shí)VG的值(閾值電壓)？源漏之間的電阻？源漏電阻與各端電壓的關(guān)系？2MOSFET的結(jié)構(gòu)3襯底襯底Ldrawn：溝道總長度：溝道總長度Leff：溝道有效長度，：溝道有效長度， Leff Ldrawn2 LDMOSFET的結(jié)構(gòu)LD：橫向擴(kuò)散長度：橫向擴(kuò)散長度（bulk、body）tox : 氧化層厚度源極：提供載流子漏極：收集載流子4MOSFET ： Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect TransistorCMOS : 互補(bǔ)MOSn

2、型MOSFET ：載流子為電子p型MOSFET ：載流子為空穴阱：局部襯底5MOS管正常工作的基本條件MOS管正常工作的基本條件是管正常工作的基本條件是:所有襯源（所有襯源（B、S）、襯漏（）、襯漏（B、D）pn結(jié)必須反偏結(jié)必須反偏寄生二極管寄生二極管6同一襯底上的NMOS和PMOS器件寄生二極管寄生二極管*N-SUB必須接最高電位必須接最高電位VDD！*P-SUB必須接最低電位必須接最低電位VSS！*阱中阱中MOSFET襯底常接源極襯底常接源極SMOS管所有管所有pn結(jié)必須反偏結(jié)必須反偏:7MOS晶體管符號(hào)晶體管符號(hào)G GD DS SS SD DG GN NM MO OS SP PM MO

3、OS SG GD DS SS SD DG GN NM MO OS SP PM MO OS SB BB B8NMOS晶體管工作原理導(dǎo)電溝道形成9VGSVT、VDS=010VGSVT、 0VDSVT、VDSVGS-VT稱為飽和區(qū)12NMOS器件的閾值電壓VTH(a)柵壓控制的柵壓控制的MOSFET (b)耗盡區(qū)的形成耗盡區(qū)的形成(c)反型的開始反型的開始 (d)反型層的形成反型層的形成形成溝道時(shí)的VG稱為閾值電壓記為VT13depTHMSFoxQV=+2 + CMSgatesilicon=-subFikTN =lnqndepsiFsubQ=4q NMS：多晶硅柵與硅襯底功函數(shù)之差多晶硅柵與硅襯底功

4、函數(shù)之差Qdep耗盡區(qū)的電荷耗盡區(qū)的電荷,是襯源電壓是襯源電壓VBS的函數(shù)的函數(shù)Cox：?jiǎn)挝幻娣e柵氧化層電容：?jiǎn)挝幻娣e柵氧化層電容2F：強(qiáng)反型時(shí)的表面電勢(shì)強(qiáng)反型時(shí)的表面電勢(shì)k：玻耳茲曼常數(shù)q：電子電荷Nsub：襯底摻雜濃度ni： 本征自由載流子濃度 si：硅的介電常數(shù)oxoxoxC=t14閾值電壓調(diào)整：改變溝道區(qū)摻雜濃度。15NMOS溝道電勢(shì)示意圖(0VDS VGS-VT )oxGSTHdq(x)= -C Wdxv-v(x)-V邊界條件邊界條件:V(x)|x=0=0, V(x)|x=L=VDS16Qd：溝道電荷密度溝道電荷密度Cox：?jiǎn)挝幻娣e柵電容單位面積柵電容溝道單位長度電荷溝道單位長度電荷

5、(C/m)WCox：MOSFET單位長度的總電容單位長度的總電容Qd(x)：沿溝道點(diǎn)：沿溝道點(diǎn)x x處的電荷密度處的電荷密度V(x)：溝道溝道x x點(diǎn)處的電勢(shì)點(diǎn)處的電勢(shì)I/V特性的推導(dǎo)（1）電荷移電荷移動(dòng)速度動(dòng)速度(m/s)V(x)|x=0=0, V(x)|x=L=VDSdI = Q .vdoxGSTHQ =W C (V- V )doxGSTHQ (x) = WC (V- V(x) - V)17I/V特性的推導(dǎo)（2）對(duì)于半導(dǎo)體對(duì)于半導(dǎo)體：DoxGSTHI= -WC V- V(x) - V= = E Ed dV V( (x x) )E E( (x x) ) = = - -d dx x且且DoxG

6、STHndV(x)I= WCV- V(x) - VdxdVDSVLDoxnGSTHx=0V=0I d(x) =WCV- V(x) - V DSVL2D0noxGSTH01I x= WC (V- V)V(x) -V(x) 22DnoxGSTHDSDSW1I=C(V- V )V-VL218I/V特性的推導(dǎo)（3）三極管區(qū)三極管區(qū)(線性區(qū)線性區(qū))每條曲線在每條曲線在VDSVGSVTH時(shí)時(shí)取最大值，且大小為：取最大值，且大小為： （）2DnoxGSTHDSDSW1I=C(V- V )V-V2.8L222noxDGSTHCWI=(V- V )LVDSVGSVTH時(shí)溝道剛好被夾斷時(shí)溝道剛好被夾斷W稱為過驅(qū)動(dòng)

7、電壓； 稱為寬長比LGSTHV- V19三極管區(qū)的nMOSFET（0 VDS VGSVT）等效為一個(gè)等效為一個(gè)壓控電阻壓控電阻2DnoxGSTHDSDSW1I=C(V- V )V-VL2DnoxGSTHDSWI=C(V- V )VLDSGSTHVVGS-VT溝道電阻隨溝道電阻隨VDS增加而增加導(dǎo)增加而增加導(dǎo)致曲線彎曲致曲線彎曲曲線開始斜曲線開始斜率正比于率正比于VGS-VTVDSVGS-VT用作恒流源條件：用作恒流源條件：工作在飽和區(qū)工作在飽和區(qū)且且VGS const！22NMOS管的電流公式2noxDGSTHDSDSC WI =2(V -V )V-V2L2noxDGSTHC WI=(V- V

8、 )2L0DI截至區(qū)，截至區(qū)，VgsVTHVDSVTHVDS Vgs - VTH23MOS管飽和的判斷條件NMOS飽和條件：飽和條件：VgsVTHN；VdVg-VTHNPMOS飽和條件飽和條件: Vgs1,是一個(gè)非理想因子是一個(gè)非理想因子)35MOS管亞閾值導(dǎo)電特性的Pspice仿真結(jié)果VgSlogID仿真條件：仿真條件：VT0.6W/L100/2MOS管亞閾值電流管亞閾值電流ID一般為幾十一般為幾十幾百幾百nA, 常用于低功耗放大器、帶隙基準(zhǔn)設(shè)計(jì)。常用于低功耗放大器、帶隙基準(zhǔn)設(shè)計(jì)。36MOS器件模型器件模型37MOS器件版圖38MOS電容器的結(jié)構(gòu)電容器的結(jié)構(gòu)2oxoxt0.1m, C0.35

9、fF/m2oxoxt50(0.005 m), C6.9fF/mA2oxoxt0.02m, C1.75fF/m39MOS器件電容40C1:柵極和溝道之間的氧化層電容C2:襯底和溝道之間的耗盡層電容C3,C4柵極和有源區(qū)交疊電容1OXCCWL2/ 4sisubFCWL qN34OvCCovCCW單位寬度交疊電容41C5,C6有源區(qū)和襯底之間的結(jié)電容jj=CCWEE下極板電容有源區(qū)長度單位面積下極板電容jswjsw=CC側(cè)壁電容 有源區(qū)周長單位長度側(cè)壁電容jswCjC5，C6=WEC +有源區(qū)周長j0jRBmRBCC V :m 0.30.41+V /反向電壓；內(nèi)建電勢(shì)； ：（）42柵源、柵漏、柵襯電

10、容與VGS關(guān)系GDGSOvCCCW1) VGS VTH VDS VTH VDS VGS VTH飽和區(qū)jjswjswSBmmSBBSBBC(1V /)(1V /)j源極源極周長WECC=jjswjswDBmmDBBDBBC(1 V /)(1 V /)j漏極漏極周長WECC=G BC可 以 忽 略 不 計(jì)OXGSOv2LCC3WCWGDOvCCW45柵源、柵漏電容隨VGS的變化曲線46NMOS器件的電容-電壓特性積累區(qū)積累區(qū)強(qiáng)反型強(qiáng)反型47減小MOS器件電容的版圖結(jié)構(gòu)對(duì)于圖對(duì)于圖a:CDB=CSB = WECj + 2(W+E)Cjsw對(duì)于圖對(duì)于圖b: CDB=(W/2)ECj+2(W/2)+E)

11、Cjsw CSB=2(W/2)ECj+2(W/2)+E)Cjsw = WECj +2(W+2E)Cjsw 48柵極電阻49MOS 低頻小信號(hào)模型DSonoxDDDSD2GSTHV111r = CWII / VI(V-V ) 2L50完整的MOS小信號(hào)模型51作業(yè)：2.1,2.2,2.5,2.9,2.1552實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)熟悉HSPICE環(huán)境及MOS晶體管特性 在Windows下Tanner環(huán)境下SPICE的使用任務(wù)： 1)完成NMOS和PMOS晶體管I-V特性的仿真,包括 A W,L不變，在不同的Vgs下，Ids與Vds關(guān)系 B W,L不變，在不同的Vds下，Ids與Vgs關(guān)系 C Vgs不變，在不

12、同的W/L下，Ids與Vds關(guān)系2) 習(xí)題2.5b3) 襯底調(diào)制效應(yīng)的仿真：習(xí)題2.5e時(shí)間 4小時(shí)實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求畫出各個(gè)曲線，上交電子版。 53例：求下列電路的低頻小信號(hào)輸出電阻(0)XXmgs0XmX0V= (I- g V )r = (I- g V )rm 0XX 0(1 + g r )V= I r10XinXm 0mrVR=I(1 + g r )g54例：求下列電路的低頻小信號(hào)輸出電阻(0)XXmgs0XDXmDXmX0XDV= (I- g V )r + I R(I+ g R I- g V )r + I Rm 0X0DmD 0X(1 + g r )V= (r + R+ g R r )Igs

13、XXDV= V- I R10DmD 0XinXm 0D0mm 0r + R + g R rVR=I1+ g rRrgg r55例：求下列電路的低頻小信號(hào)輸出電阻(0)gsXV= -VXXmgs0XDXmX0XDV = (I + g V )r + I R(I - g V )r + I R10DXDinXm 0mm 0r + RVRR=I1+ g rgg r56小信號(hào)電阻總結(jié)（0）1/inmRg1/inmDm 0RgRg r1/inm0Dm 0RgrRg r對(duì)于圖（對(duì)于圖（A）：）：對(duì)于圖（對(duì)于圖（B）：）：對(duì)于圖（對(duì)于圖（C）：）：57例：若W/L50/0.5，|ID|500uA，分別求: NM

14、OS、PMOS的跨導(dǎo)及輸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 , Cox 6.9fF/m2(1 =10-10 m, 1fF= 10-15 F)tox=90 , Cox 6.9*50/90=3.83fF/m2 - -4 4- -1 15 5- -1 12 2- -4 4m mN Ng g = = 2 2 3 35 50 0 1 10 03 3. .8 83 3 1 10 0 / /1 10 01 10 00 0 5 5 1 10 03 3. .6 6m mA A/ /V V72- -3 3- -3 3m mN N 0 0N Ng g r r= = 3 3. .6 61 10 02 20 01 10 0同理可求得同理可求得PMOS的參數(shù)如下：的參數(shù)如下：gmP 1.96mA/V ，r0P 10K ，gmP r0