MOS器件物理基礎(chǔ)和信號模型分析

1、MOS器件物理基礎(chǔ)和信號模型分析2-2一基本概念二MOS伏安特性三低頻小信號模型2-3一 基本概念1MOSFET的結(jié)構(gòu)2MOSFET的符號2-41MOSFET的結(jié)構(gòu)Metal-Oxide-Semiconductor Structure2-52-62-7MOS管結(jié)構(gòu)以N溝道增強(qiáng)型MOS管為例G柵極（基極）S源極（發(fā)射極）D漏極（集電極）B襯底N溝道增強(qiáng)型MOSFET基本上是一種左右對稱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它是在P型半導(dǎo)體上生成一層SiO2 薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴(kuò)散兩個高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極2-82-9MOSFET的三個基本幾何參數(shù)2-10MOSFET的三個基本幾何參數(shù)Lmin、Wmin和

2、tox 由工藝確定Lmin：MOS工藝的特征尺寸(feature size)決定MOSFET的速度和功耗等眾多特性L和W由設(shè)計者選定通常選取L= Lmin，由此，設(shè)計者只需選取WW影響MOSFET的速度，決定電路驅(qū)動能力和功耗2-11襯底Ldrawn：溝道總長度Leff：溝道有效長度， Leff Ldrawn2 LD一種載流子導(dǎo)電，是電壓控制器件 MOS器件的源和漏端在幾何上是等效的LD：橫向擴(kuò)散長度（bulk、body）2-12MOS器件是四端器件有NMOS、PMOS 兩種器件襯底端電平使PN結(jié)反偏。NMOS共享一個襯底端，PMOS 有各自的襯底端2-132MOSFET的符號2-14二 MO

3、S 的伏安特性1 閾值電壓2工作原理3伏安特性4二級效應(yīng)5器件模型2-151閾值電壓（Threshold Voltage Concept）SDp substrateBG VGS + - n+n+depletion regionn channel引起溝道區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)表面反型的最小柵電壓，稱為閾值電壓VT。2-16金屬接負(fù)電荷后在金屬面堆積負(fù)電荷，氧化物是沒有電荷，絕緣層P型半導(dǎo)體中可以感應(yīng)到正電荷，P型半導(dǎo)體主要的載流子是空穴，所以堆積空穴當(dāng)金屬接正電荷后在金屬層堆積空穴，則會排斥P型半導(dǎo)體上的空穴，形成寬度為Xd的耗盡層，耗盡層區(qū)沒有自由電子和空穴當(dāng)VG不斷升高時，會有越來越多的空穴堆積，他不僅把

4、P型半導(dǎo)體中的空穴推得越來越遠(yuǎn)，還會把P型半導(dǎo)體中的少子（電子）吸引到非常薄的層面，緊緊貼到氧化物這層，形成反型層2-17柵就是氧化物層2-182-19改變閾值電壓的方法往用離子注入技術(shù)改變溝道區(qū)的摻雜濃度，從而改變閾值電壓。對NMOS晶體管而言，注入P型雜質(zhì)，將使閾值電壓增加。反之，注入N型雜質(zhì)將使閾值電壓降低。如果注入劑量足夠大，可使器件溝道區(qū)反型變成N型的。這時，要在柵上加負(fù)電壓，才能減少溝道中電子濃度，或消除溝道，使器件截止。在這種情況下，閾值電壓變成負(fù)的電壓，稱其為夾斷電壓。2-20根據(jù)閾值電壓不同，常把MOS器件分成增強(qiáng)型和耗盡型兩種器件。對于N溝MOS器件而言，將閾值電壓VT0的

5、器件稱為增強(qiáng)型器件，閾值電壓VT0的器件，稱為耗盡型器件。在CMOS電路里，全部采用增強(qiáng)型的NMOS和PMOS。2-21以N溝道增強(qiáng)型MOS管為例正常放大時外加偏置電壓的要求2MOS管工作原理2-22柵源電壓VGS對iD的控制作用VGSVTN時（ VTN 稱為開啟電壓)當(dāng)VGS=0V時，漏源之間相當(dāng)兩個背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓不會在D、S間形成電流。2-230VGSVTN時，SiO2中產(chǎn)生一垂直于表面的電場，P型表面上感應(yīng)出現(xiàn)許多電子，但電子數(shù)量有限,不能形成溝道。VGSVTN時（ VTN 稱為開啟電壓)在漏源電壓作用下開始導(dǎo)電時（即產(chǎn)生iD）的柵源電壓為開啟電壓VT 2-24當(dāng)V

6、GSVTN時，由于此時柵壓較強(qiáng)，P型半導(dǎo)體表層中將聚集較多的電子，可以形成溝道，將漏極和源極連通。如果此時加有漏源電壓，就可以形成漏極電流ID。VGSVTN時(形成反型層)在柵極下方形成的導(dǎo)電溝道中的電子，因與P型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子空穴極性相反，故稱為反型層。2-25漏源電壓VDS對iD的控制作用VGSVT后,外加的VDS較小時， ID將隨著VDS的增加而增大。2-26當(dāng)VDS繼續(xù)增加時，由于溝道電阻的存在，溝道上將產(chǎn)生壓降，使得電位從漏極到源極逐漸減小，從而使得SiO2層上的有效柵壓從漏極到源極增大，反型層中的電子也將從源極到漏極逐漸減小。 2-27當(dāng)VDS大于一定值后， SiO2層上的有效

7、柵壓小于形成反型層所需的開啟電壓，則靠近漏端的反型層厚度減為零，出現(xiàn)溝道夾斷， ID將不再隨VDS的增大而增大，趨于一飽和值。 2-283 伏安特性 I/V characteristics當(dāng)柵極不加電壓或加負(fù)電壓時，柵極下面的區(qū)域保持P型導(dǎo)電類型，漏和源之間等效于一對背靠背的二極管，當(dāng)漏源電極之間加上電壓時，除了PN結(jié)的漏電流之外，不會有更多電流形成。當(dāng)柵極上的正電壓不斷升高時，P型區(qū)內(nèi)的空穴被不斷地排斥到襯底方向。當(dāng)柵極上的電壓超過閾值電壓VT，在柵極下的P型區(qū)域內(nèi)就形成電子分布，建立起反型層，即N型層，把同為N型的源、漏擴(kuò)散區(qū)連成一體，形成從漏極到源極的導(dǎo)電溝道。2-29MOS的伏安特性非

8、飽和時，在漏源電壓Vds作用下，這些電荷Q將在時間內(nèi)通過溝道，因此有電荷在溝道中的渡越時間為載流子速度，Eds= Vds/L為漏到源方向電場強(qiáng)度，Vds為漏到源電壓。 為載流子遷移率：2-30與工藝相關(guān)2-31Qd：溝道電荷密度Cox：單位面積柵電容溝道單位長度電荷(C/m)WCox：MOSFET單位長度的總電容Qd(x)：沿溝道點(diǎn)x處的電荷密度V(x)：溝道x點(diǎn)處的電勢I/V特性的推導(dǎo)（1）電荷移動速度(m/s)V(x)|x=0=0, V(x)|x=L=VDS2-32I/V特性的推導(dǎo)（2）對于半導(dǎo)體：且2-33三極管區(qū)的MOSFET（0 VDS VGSVT）等效為一個壓控電阻2-34I/V特

9、性的推導(dǎo)（3）三極管區(qū)(線性區(qū))每條曲線在VDSVGSVTH時取最大值，且大小為：VDSVGSVTH時溝道剛好被夾斷2-35飽和區(qū)的MOSFET（VDS VGSVT）當(dāng)V(x)接近VGS-VT，Qd(x)接近于0，即反型層將在XL處終止，溝道被夾斷。2-36NMOS管的大信號特性和工作區(qū)域以及電流公式截止區(qū)，VgsVTHVDSVTHVDS Vgs - VTH2-37MOSFET的I/V特性Triode RegionVDSVGS-VT溝道電阻隨VDS增加而增加導(dǎo)致曲線彎曲曲線開始斜率正比于VGS-VTVDSVTN；VdVg-VTHNPMOS飽和條件: VgsVTP ；VdVg| VTP |gdg

10、d判斷MOS管是否工作在飽和區(qū)時，不必考慮Vs2-43MOSFET開關(guān)（Switch Model of NMOS Transistor）GateSource(of carriers)Drain(of carriers)| VGS | VGS | | VT |Open (off) (Gate = 0)Closed (on) (Gate = 1)Ron2-44MOS模擬開關(guān)MOS管為什么可用作模擬開關(guān)？MOS管D、S可互換，電流可以雙向流動?？赏ㄟ^柵源電源（Vgs）方便控制MOS管的導(dǎo)通與關(guān)斷。關(guān)斷后Id02-454 二級效應(yīng)體效應(yīng)溝道調(diào)制效應(yīng)亞閾值導(dǎo)電特性2-46體效應(yīng)VB1,是一個非理想因子)

11、VGSVTH，ID不是無限小而是與VGS呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系2-55MOS管亞閾值導(dǎo)電特性的Pspice仿真結(jié)果VgSlogID仿真條件：VTW/L100/2MOS管亞閾值電流ID一般為幾十幾百nA, 常用于低功耗放大器、帶隙基準(zhǔn)設(shè)計。2-565器件模型版圖2-5762-582-592-602-612-62NMOS 晶體管C-V 特性2-632-642-652-662-672-682-69減小MOS器件電容的版圖結(jié)構(gòu)對于圖a:CDB=CSB = WECj + 2(W+E)Cjsw對于圖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 減小結(jié)電容的方法“折疊”結(jié)構(gòu)或“叉指結(jié)構(gòu)”2-70三 MOS 低頻小信號模型2-712-72基本的 MOS 小信號模型2-73考慮二級效應(yīng)后的小信號模型 01考慮溝道調(diào)制信號用獨(dú)立