拉扎维模拟集成电路精讲ppt第一讲mos器件特性分析.

gmb = gm
γ 2 2ΦF +VSB
= ηgm
MOSFET的沟道调制效应
L
L’
L = L - L
1 1 = (1 + VDS ), L L
ID
1 1 L = (1 + ) L L L
VDS
L = L
μnCox W = (VGS - VTH ) 2 (1 + λVDS ) 2L
MOS管深线性区时: CGD=CGS=C1/2+CovW, CGB=0, 沟道屏蔽 MOS管饱和时: CGS= 2C1/3+CovW ,和CGD=CovW, CGB=0, 沟道屏蔽
栅极电阻
MOS 低频小信号模型
VDS 1 1 1 ro = = = = ID ID/ VDS μnCox W (VGS - VTH)2 λ λID 2 L
Ron = 1 W nCox (VGS - VTH ) L
等效为一个 压控电阻
I/V特性的推导（3）
W 1 2 I D = nCox [(VGS - VTH )VDS - VDS ] L 2
三极管区(线性区) 每条曲线在VDS＝VGS－VTH时取 最大值，且大小为：
nCox W ID = (VGS - VTH )2 2 L
I D gm = VGS
MOSFET的跨导gm
VDS=const
W = μnCox (VGS - VTH ) L
W g m = 2μቤተ መጻሕፍቲ ባይዱCox ID L 2I D = VGS - VTH
2.3 二级效应
• 体效应 • 沟道长度调制
• 亚阈值导电性
• 电压限制
MOS管的开启电压VT及体效应
Qdep VTH = ΦMS + 2ΦF + , where Cox ΦMS = Φgate - Φsilicon
VDS＝VGS－VTH时沟道刚好被夹断
饱和区的MOSFET（VDS ≥ VGS－VT）
Qd ( x ) WCox (VGS V ( x ) VTH )
ID C
'
当V(x)接近VGS-VT， Qd(x)接近于0，即反 型层将在X≤L处终止， 沟道被夹断。
W n ox L
1 2 [(VGS VTH )VDS VDS ] 2
同一衬底上的NMOS和PMOS器件
*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
寄生二极管
NMOS器件的阈值电压VTH
(a)栅压控制的MOSFET (c)反型的开始
(b)耗尽区的形成 (d)反型层的形成
• 阈值电压（ VTH ）定义 • NFET的VTH通常定义为界面的电子浓度等于P型 衬底的多子浓度时的栅压。
MOS管沟道调制效应的spice仿真结果
Ｌ=2µ
Ｌ=4µ
Ｌ=6µ
∂I /∂V ∝λ/L∝1/L2
D DS
亚阈值导电特性
VGS ID = I0exp ζ kT q
(ζ>1,是一个非理想因子)
MOS管亚阈值导电特性的spice仿真结果
logID
仿真条件： VT＝0.6Ｖ W/L＝100µ/2µ
V DS VGS VTH
( Pinch off )
nCox W 2 ID (VGS VTH ) 2 L
NMOS管的电流公式
ID 0
截至区，VGS<VTH
线性区,VGS >VTH nCox W 2 ID = [2(VGS - VTH )VDS - VDS ] 2L VDS< VGS - VTH
VgS
MOS管亚阈值电流ID一般为几十~几百nA。
电压限制
• 栅氧击穿 过高的GS电压。
• “穿通”效应 过高的DS电压，漏极周围的耗尽层变宽， 会到达源区周围，产生很大的漏电流。
2.4
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:CDB=CSB = WECj + 2(W+E)Cjsw
• 目前工艺厂家最常提供的MOS SPICE模型为BSIM3v3 （UC Berkeley）
• 仿真器：
– HSPICE；SPECTRE；PSPICE
• 用简单的模型设计（design），用复杂的模型 验证（verification）； • 模型用于：
– – – – 大信号静态 (dc variables) 小信号静态 (gains, resistances) 小信号动态 (frequency response, noise) 大信号动态
ln Nsub kT ΦF = q ni
Qdep = 4qεsi ΦF Nsub
Cox：单位面积栅氧化层电容


ΦMS：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
MOS管的开启电压VT及体效应
VTH = VTH0 + γ

2ΦF +VSB - 2ΦF
I/V特性的推导（2） ID = -WCox [VGS - V(x) - VTH ]
ID
x=0

L
dV(x) 对于半导体： ν = μE 且 E(x) = - dx dV(x) = WCox [VGS - V(x) - VTH ] n dx V
V =0
I D d(x) =
L 0

DS
WCox n [VGS - V(x) - VTH ]dV
nCox W 2 ID = (VGS - VTH ) 2L
饱和区,VGS >VTH
VDS >VGS - VTH
MOSFET的I/V特性
VDS<VGS-VT
沟道电阻随VDS 增加而增加导 致曲线弯曲
Triode Region
VDS>VGS-VT
曲线斜率开始 正比于VGSVT
用作恒流源条件：工作在饱和区且VGS ＝const！
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
C1=WLCox
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
I/V特性的推导（1）
沟道单位长度电荷(C/m)
Qd = WCox (VGS - VTH ) Qd (x) = WCox (VGS - V(x) - VTH )
I = Qd .v
电荷移动 速度(m/s)
Qd：沟道电荷密度 Cox：单位面积栅电容
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 V(x)|x=0=0, V(x)|x=L=VDS

2qεsiNsub ,γ = Cox
源极跟随器
无体效应
有体效应
衬底跨导 gmb
g mb VTH I D W VGS VTH nCOX VBS L VBS
γ VTH - VTH = = - (2ΦF +VSB)- 1/2 VBS VSB 2
1 2 VDS [I D x] = [ n WCox ((VGS - VTH )V(x) - V(x) ]0 2 W 1 2 I D = nCox [(VGS - VTH )VDS - VDS ] L 2
三极管区的MOSFET（0 < VDS < VGS－VTH）
W 1 2 I D = nCox [(VGS - VTH )VDS - VDS ] L 2 W I D = nCox (VGS - VTH )VDS VDS << 2(VGS - VTH ) L
完整的MOS小信号模型
– MOS SPICE模型
• 在电路模拟（simulation）中，SPICE要求每个器件都有一 个精确的模型。 • 种类
– 1st 代：MOS1，MOS2，MOS3； – 2nd代：BSIM，HSPICE level＝28，BSIM2 – 3rd代：BSIM3，MOS model9，EKV(Enz-Krummenacher-Vittoz)
•
ΦMS是多晶硅栅和硅衬底的功函数之差； q是电子电荷，Nsub是衬底掺杂浓度，Qdep 是耗尽区电荷，Cox是单位面积的栅氧化层电容； εsi表示硅介电常数。
• “本征”阈值电压
– 通过以上公式求得的阈值电压，通常成为“本征”阈值电 压. – 在器件制造工艺中，通常通过向沟道区注入杂质来调整 VTH
• 计算机模型（spice model）用于计算机验证， 而非用于设计
NMOS器件的电容--电压特性
积累区
强反型
本章基本要求
1. 掌握MOSFET电流公式及跨导公式。
2. 掌握MOSFET的二阶效应。
3. 掌握MOSFET小信号等效电路。
第二章 MOS器件物理基础
2.1
基本概念
Ldrawn：沟道总长度 LD：横向扩散长度
衬底 （bulk、body）
Leff：沟道有效长度， Leff＝ Ldrawn－2 LD
MOSFET是一个四端器件
CMOS技术
N阱
MOS符号
2.2 MOS的I/V特性
MOS管正常工作的基本条件
寄生二极管