大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础共63页文档

O
uDS
沟道调制系数λ=1/UA
对于典型的0.5 μm工艺的MOS管， 忽
略沟道调制效应， 其主要参数如表所示。
表 3 - 1 0.5 μm工艺MOS管的典型参数
假定有一NMOS管， W=3 μm, L=2 μm, 在
恒流区则有:
U GS 2V
ID

K W 2 L
(U
GS
U TH
)2

1 2
73 A / V
2
3m 2m
(2V

0.7V
)2
93 A
若UGS=5 V, 则
ID1 273 A /V2 2 3 m m (5 V0.7 V)21.0mA
3.2.4 MOS管的输出电阻 1. 线性区的输出电阻
增强型PMOS管：
UTHP≈-0.16|UDD|≈-0.8 V
耗尽型MOS管：
UTH≈-0.8UDD≈-4 V
λn、 λp——沟道调制系数， 即UDS对沟
道长度的影响。

对NMOS
n

1 UA

0.01 / V
对PMOS
p

1 UA

0 .02
/V
iD
UGS
UA(厄尔利电压)
UDD B
G
S
D
G
B
S
D
N＋
P＋
P＋
N 型衬底 (a)
P＋
N＋
P 型衬底 (b)
N＋
(a) PMOS管； (b) NMOS管

在互补型CMOS管中， 在同一衬底上制
作NMOS管和PMOS管， 因此必须为PMOS管
做一个称之为“阱(Well)”的“局部衬底” 。
G
B
S
D
P＋
N＋
P 型 衬 底
N＋
S
P＋ N阱
UDD
G2
V2
B2 S2
G1
V1
S1
B1
UBS<0的MOS 管（V2）

当UBS<0 时， 沟道与衬底间的耗尽层加厚， 导
致阈值电压UTH增大， 沟道变窄， 沟道电阻变大，
层的电子.2 MOS管的输出特性

增强型NMOS管的输出特性如图 所示。
ID
线性 区 饱和 区(恒 流区)
UGS ＝ 5 V
UGS ＝ 2.5 V
UGS ＝ 1.5 V
O UDS
栅极电压超过阈值电压UTHN后， 开始出现电流且栅压uGS越
大， 漏极电流也越大的现象， 体现了栅压对漏极电流有明 显的控制作用。
漏极电压UDS对漏极电流ID的控制作用基本上分两段， 即线 性区(Linear)和饱和区(Saturation)。
ID
线性 区 饱和 区(恒 流区)
UGS ＝ 5 V
UGS ＝ 2.5 V
UGS ＝ 1.5 V
O UDS

线性区和恒流区是以预夹断点的连线为分界线的(图
中虚线所示)。 在栅压UGS一定的情况下， 随着UDS从
Qn/Ld


1 nQ
Ld
Q (y ) C o x [V G S V T N V (y )]
W

dy
dy
dRsdynQ W L dL dnQ (y)W Ld
dV(y)IDSdRInQ DS(yd)yW
Q
dy dR=dy∙/s
反型层
两边做定d积V分(y)IDSdRInQ DS(yd)yW
VALDSID /SVDS
L(dXd )1 dVDS
定义沟道长度调制系数： 1/VA
Leff Ld dV XD dSVDSL(1VDS)
1 Leff
11(VVDDSS)2

1 L
∵VDS<<1，忽略上式的二次项：
1 Leff

(1VDS
)
1 L
∴得到：
ID SK 2' W L(VG SVTN)2(1VD S)
根据线性区的电流方程， 当UDS很小 (UDS<<2(UGS-UTH))时， 可近似有
IDn2CoxW L[2(UGSUTH)UDSUD 2 S]
nCoxW L(UGSUTH)UDS
输出电阻RON为
RONU ID DSnCoxW L1 (UGSUTH )
VGS G
S
VDBS
IDS
定义：过驱动电压VOD=VGS－VT
D
6 x 10-4
5
VDS = VGS - VT
VGS= 2.5 V
截至区：VGS-VT≤0
线性区 饱和区
4
V = 2.0 V IDS
K 2' L W eff (VGSVTN)2(1
VDS) GS
IDS(A)
IDS 0
3
较为精确的二级近似模型。
二级近似，考虑沟道长度调制效应， IDS随VDS变化，沟道长度调制系数 通常由实验数据得到。
一级近似，不考虑沟道长度调制效应 IDS不随VDS变化，输出电阻无穷大。
沟道长度调制效应所引起的饱和区有限斜率
截至区VGS-VTN≤0，没有形成沟道，晶体管不导通。
IDS=0
NMOS晶体管I-V特性－总结
3.1.2 N阱及PMOS

为了使MOS管的电流只在导电沟道中沿表面流动而
不产生垂直于衬底的额外电流， 源区、 漏区以及沟道和
衬底间必须形成反偏的PN结隔离， 因此， NMOS管的衬
底B必须接到系统的最低电位点(例如“地”)， 而PMOS
管的衬底B必须要接到系统的最高电位点(例如正电源
UDD)。 衬底的连接如图所示。
小变大， 沟道将发生变化。
ID
若UDS=UGS-UTH , 则沟道在漏
区边界上被夹断， 因此该点 电压称为预夹断电压。
在 此 点 之 前 ， 即 UDS<UGSU时TUH D，S管增子大工，作ID在有线明性显区的，增大此。O
在 预 夹 断 点 之 后 ， 即 源 区(N＋ )
UDS>UGS-UTH ， 管 子 工 作 在 恒流区， 此时UDS增大， 大
G 多晶硅
D
S
氧化层
W
N£«
器件制作在P型衬底上
PÐͳĵ×
两个重掺杂N区形成源区和漏
区，
Leff Ldrawn
N£« LD
重掺杂多晶硅区(Poly)作为栅 极
一层薄SiO2绝缘层作为栅极与 衬底的隔离
NMOS管的有效作用就发生在 栅氧下的衬底表面——导电 沟道(Channel)上。
宽长比(W/L)和氧化层厚度tox
G D
P＋
B N＋
互补型CMOS管N阱中的PMOS
3.1.3 MOS管符号

增强型MOS管的4种常用符号如图所示， 其中
NMOS管的衬底B应接地， PMOS管的衬底B接UDD。
NMOS D
PMOS S
NMOS D
PMOS S
G
G
BG
B
G
B
B
S (a )
NMOS D
D
PMOS S
S (b )
NMOS D
若UA=200 V, 工作点电流ID=1 mA， 则
RONU IDAQ21m0VV 020k0
工作点越低， IDQ越小， 输出电阻越大。
3.2.5 MOS管的跨导gm
恒流区的电流方程在忽略沟道调宽影响时为平 方律方程， 即
IDn2 CoxW LUGSUTH 2
那么UGS对ID的控制能力参数gm为
3.2.6 体效应与背栅跨导gmb
前面所有结论是在衬底与源极等电位的前提下得出 来的， 但在集成电路中， 在同一硅片衬底上要做许多管 子， 为保证它们正常工作， 一般N管的衬底要接到全电
路的最低电位点, P管的衬底接到最高电位点UDD。
但是，有些管子的源极与衬底之间存在电位差，
而且，其PN结反偏，即UBS<0 。
gm

I D U GS

nCox

W L
(U
GS
U TH )

2

nCox

W L

I
D
2ID U GS U TH
g m U ID G Sn C o x W L ( U G S U T H )2n C o x W L ID U G S 2 ID U T H
部分电压降在夹断区， 对沟
反型 层 源 区 (N ＋ )
道电场影响不大， 因此电流
增大很小。
源 区 (N ＋ )

线性 区 饱和 区(恒 流区) UGS ＝ 5 V
UGS ＝ 2.5 V UGS ＝ 1.5 V
漏 区 (N ＋ ) 电流
UDS UDS＜UGS－UT H
(线 性 区 )
漏 区 (N ＋ )
0 L ID S d y0 V D S W n C o x ( V G S V T N V )d V
ID SK 2' W L[2(VG SVTN)VD SVD 2S]
K'
nCox
n0ox
tox
－ NMOS器件跨导系数
N

K'
W L
－ NMOS器件增益系数
ID S N[(VG SVTN)VD S1 2VD 2S]
UGS UTHP 2(1 pUDS)
S]|UDS|<|UGS|-|UTHP| (线性区)
|UDS|>|UGS|-|UTHP|
(恒流区)
可知， 电流与宽长比(W/L)成正比。
UTHN、 UTHP——开启电压(阈值电压)。 假设UDD=5 V， 则增强型NMOS管：
UTHN≈(0.14～0.18)UDD≈0.7 ～0.9 V
Leff LXdLd dV XD dSVDS
IDS
K' 2
W Leff
(VGS
VTN)2
由上两式：
IDS VDS
K 2' L W 2 eff (VGSVTN)2d dV LeD ffS
在Xd＝0(Leff=L)处：
IDS VDS
Xd0
IDS L
dXd dVDS
定义厄雷电压：
2. 恒流区的输出电阻
ID Nn 2 C o x W L U G S U T H N2(1 n U D S)
R O N U ID D S n
1
1 U A
n 2 C o xW L (U G SU T)H 2 nIDQIDQ
ID SK 2' W L(V G SV TN)2(1VD S)
PMOS在截止区、 线性区、 恒流区的电 流方程：

|UGS|<|UTHP|
0
(截止区)
ID
P


PCo
2
x

W L
pCox W
2 L
[2(UGS UTHP)UDS UD2
可见， 在W/L不变的情况下， gm与(UGS-UTH)成线性 关系， 与ID的平方根成正比； 在ID不变的情况下， gm 与(UGS-UTH)成反比。 其变化曲线分别如图所示。
gm
gm
gm
O
UGS－UTH O
O ID
(W/ L)不变
(W/ L)不变
UGS－UTH
ID不变
(a)
(b)
(c)
gm随电压(UGS-UTH)和漏电流ID的变化关系曲线
第三章 MOS集成电路器件基础
3.1 MOS场效应管(MOSFET)的结构及符号 3.2 MOS管的电流电压特性 3.3 MOS电容 3.4 MOS管的Spice模型参数 3.5 MOS管小信号等效电路
3.1 MOS场效应管(MOSFET)的结构及符号
3.1.1 NMOS管的简化结构 NMOS管的简化结构如图
2
VGS= 1.5 V
线性区：0<VDS<VGS-VT
1
VGS= 1.0 V
ID SK 2' W L[2(VG SVTN)VD SVD 2S] 00
0.5
截至区
1
1.5
2
VDS(V)
2.5
饱和区：0<VGS-VT≤VDS
NMOS transistor, 0.25um, Ld = 10um, W/L = 1.5, VDD = 2.5V, VT = 0.4V
UDS＝UGS－UT H
(预 夹 断 )
电流
漏 区 (N ＋ )
UDS＞UGS－UT H
(恒 流 区 )
电流
3.2.3 MOS管的电流方程

非饱和区I-V特性(线性区)
(0<VDS<VGS-VTN)
J = E 1 E
J =Qv/ Ld
v n E → JQn E/Ld
D
PMOS S
G
G
G
G
S
D
(c)
S
D
(d )
MOS管常用符号
3.2 MOS管的电流电压特性
3.2.1 MOS管的转移特性
iD
NMOS
－uGS
UTHP
O
UTHN
uGS
PMOS
－iD
其中UTHN(UTHP)为开启电压， 或称阈值 电压(Threshold Voltage)。 在半导体物
理学中， NMOS的UTHN定义为界面反型
与工艺相关的 与设计相关的
饱和区I-V特性(0<VGS-VTN<VDS)
VGSVTNVDS
如果忽略沟道长度缩短(L比较大)，则：
ID S K 2 'W L (V G S V T N )22 N (V G S V T N )2
此式常用于人工估算电路性能。
线性区
在亚微米以下，考虑沟道长度缩短