Chap2_ MOS器件物理基础
第2章MOS器件物理基础
❖ 版图、电容、小信号模型等
第2章MOS器件物理基础
10
2.2 MOMSO的SI管/V工特作性-原工作理原理与阈值电压
当VG=0，MOS管相当于两个反偏的二极管，截止 当VG稍微增大时，在正的栅源电压作用下，产生电场，
这个电场排斥空穴而吸引电子，因此，使栅极附近的p型 衬底中的空穴被排斥，留下不能移动的受主离子（负离 子），截止。
第2章 MOS器件物理基础
2.1 基本概念
❖ 简化模型－开关 ❖ 结构
2.2 I/V特性
❖ 阈值电压 ❖ I-V ❖ 跨导
2.3 二级效应
❖ 体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性
2.4 器件模型
❖ 版图、电容、小信号模型等
第2章MOS器件物理基础 1
2.1 基本概念-MOSFET开关
NMOS管三端器件，栅(G)、源(S)、 漏(D)。 通常作为开关使用，VG高 电平，MOS管导通，D、S连接。
nCox
W L
(VGS
Vth )VDS
1 2
VD2S
K N 2(VGS Vth )VDS VD2S
VGS－Vth：MOS管的“过驱动电压”
L：指沟道的有效长度
W/L称为宽长比，K N
1 2
nC，ox WL
称为NMOS管的导电因子，
μn载流子迁移率。
ID的值取决于工艺参数：μn、Cox、器件尺寸W和L、VDS及VGS。
第2章MOS器件物理基础 14
2.2 MOS的I/V特性-阈值电压
0 栅与衬底功函数差
COX
OX
TOX
单位面积栅氧化层电容
常通过沟道注入把VTH0调节到合适值 工艺确定后，VTH第02章就MO固S器定件物了理基，础 设计者无法改变
MOS器件物理基础
西安电子科技大学
17
MOS管在饱和区电流公式
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18
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Thanks！
19
MOS管所有pn结必须反偏: *N-SUB接VDD！
4 *P-SUB接VSS！ *阱中MOSFET衬底常接源极S，why？
电路中的符号表征
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MOS管等效于一个开关!
5
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(a)栅压控制的MOSFET (b)耗尽区的形成(c)反型的开始
6 (d)反型层的形成
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MOS器件物理基础
西安电子科技大学 刘术彬
1
西安电子科技大学
2
基本结构
西安电子科技大学
Ldrawn：沟道总长度 LD：横向扩散长度
*D、S是对称的，可互换？ *所有pn结必须反偏！
Leff：沟道有效长度， Leff＝ Ldrawn－2 LD
3
西安电子科技大学
CMOS结构 (P、N基于同一衬底)
沟道单位长度电荷(C/m) 电荷移 动速度 (m/s)
12
I/V特性的推导（3）
西安电子科技大学
13
I/V特性的推导（4）
西安电子科技大学
14
西安电子科技大学 NMOS管VGS>VT、VDS> VGS+VT时的示意图
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I/V特性的推导（5）
西安电子科技大学
16
饱和区MOSFET的I/V特性
NMOS管VGS>VT、VDS=0时的示意图
7
西安电子科技大学 NMOS管VGS>VT、0<VDS< VGS-VT时的示意图
8
CMOS器件基础
第二章MOS器件物理基础⏹在现代IC工业中，必须充分掌握半导体器件的知识，这一点对于模拟电路的设计比数字电路更为重要。
⏹模拟电路设计中，我们不能把晶体管等效为一个简单的开关，晶体管的许多二级效应直接影响其性能。
⏹IC技术的发展，使得器件尺寸按比例缩小，这些效应变得更加重要。
⏹设计者往往必须确定哪种效应在给定的电路中可以被忽略，因此，深入了解器件的工作情况是非常有价值的。
主要内容★基本概念简化模型结构符号★I/V特性阈值电压I-V关系式跨导★二级效应体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性★器件模型版图、电容、小信号模型等一、基本概念G(Gate)栅极漏极MOSFET 开关MOSFET 问题：导通时V G 的值(阈值电压)？源漏之间的电阻？源漏电阻与各端电压的关系？…※三个端口：栅、源、漏。
※器件是对称的，源漏可以互换。
※作为开关工作时，栅电压为高电压，则源漏相连；栅电压为低，源漏断开。
NMOS管的简化结构⏹NMOS制作在P型衬底上，两个重掺杂N区形成源区和漏区，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管有效作用发生在栅氧下的衬底表面的导电沟道（channel）上。
衬底：沟道总长度：沟道有效长度，Leff ＝Ldrawn －2 LD MOSFET 的结构：横向扩散长度（bulk 、body ）漏极：收集载流子技术的发展主要的推动力就是在保证电性能的前提下，一代一代的缩小L 和toxN阱及PMOS阱：局部衬底Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect，金属氧化物半导体场效应管MOS：载流子为电子；p型MOSFET ：载流子为空穴MOS管正常工作的基本条件寄生二极管管正常工作的基本条件是: 所有衬源（B、S 、D）pn结必须反偏同一衬底上的NMOS和PMOS器件MOS管所有pn结必须反偏:寄生二极管MOS管符号(b)(c)四端器件，一般在模拟电需要明确衬底电位！省去了衬底，默认为衬底与源极相连。
MOS器件物理2-精选文档
I 2 K V V V D N GS th DS
上式表明在VDS较小时，ID是VDS的线性函数，即这时MOS管可 等效为一个电阻，其阻值为： V 1 DS R on I 2 K V V D N GS th
即：处于深三极管区的MOS管可等效为一个受过驱动电压控制 的可控电阻，当VGS一定时，沟道直流导通电阻近似为一恒定的 电阻。
IDS
I DS
IDS
Vthn
VGS
Vthn
VGS
0 Vthn Vth
VGS
增强型NMOS转移特性
耗尽型NMOS转移特性
转移特性的另一种表示方式
转移特性曲线
在实际应用中，生产厂商经常为设计者提供的参数 中，经常给出的是在零电流下的开启电压V th' 0 ' ' 注意 Vth ， V 为无衬偏时的开启电压，而 V V th 0 th0 0 th0 是在与VGS特性曲线中与VGS轴的交点电压，实际上 为零电流的栅电压 从物理意义上而言， V th' 0 为沟道刚反型时的栅电压， 仅与沟道浓度、氧化层电荷等有关；而Vth0与人为 定义开启后的IDS有关。
漏极电流随栅源电压的变化率，即：
I D gm VGS V 2KN VGS Vth
D SC
2I D 2 KN I D VGS Vth
VGS－Vth：MOS管的“过驱动电压” L：指沟道的有效长度
W/L称为宽长比 1 W KN nC ，称为NMOS管的导电因子 ox 2 L ID的值取决于工艺参数：μnCox、器件尺寸W和L、VDS及VGS。
MOS管的电特性－输出特性（I/V特性）
第2章MOS器件物理基础
0.5 m nwell：p=100cm2/V-s, n=350cm2/V-s
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
24
跨导gm
VGS对IDS的控制能力
IDS对VGS变化的灵敏度
gm
ID V GS
W L
gm
VDS cons tan t
2 nC ox
W L
ID
n C ox
ID
n C ox W
2 L
(V GS V TH )
2
在ID一定时，W逐渐增大会导致VGS逐渐接近VTH ； 再增大时会进入亚阈值区
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计 11
本讲
基本概念
简化模型－开关 结构 符号
I/V特性
阈值电压 I-V关系式 跨导
二级效应
体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性
器件模型
版图、电容、小信号模型等
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计 12
沟道电荷的产生
当VG大到一定 程度时，表面 势使电子从源 流向沟道区 VTH定义为表面 电子浓度等于衬 底多子浓度时的 VG
MOS管工作在哪个区？
Active
Active
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本讲
基本概念
简化模型－开关 结构 符号
I/V特性
阈值电压 I-V关系式 跨导
二级效应
体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性
器件模型
版图、电容、小信号模型等
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沟长调制效应
g m nC ox W L (V GS V TH )(1 V DS )
第2章MOS器件物理基础
模拟CMOS集成电路设计
2011-9-2
MOS器件物理基础
13
饱和区MOS器件的I/V特性曲线
模拟CMOS集成电路设计
2011-9-2
MOS器件物理基础
14
PMOS
ID参考电流方向
截止区 三极管区（线性区）
饱和区
模拟CMOS集成电路设计
2011-9-2
MOS器件物理基础
15
4）跨导的定义 漏电流的变化量除以栅源电压的变化量，数学表达式为：
模拟CMOS集成电路设计
2011-9-2
MOS器件物理基础
7
阈值电压（VTH）定义 NMOS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。
多晶硅栅和硅衬底的功函数之差
反型层与氧化硅层的表面势
(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
模拟CMOS集成电路设计
εsi表示硅介电常数。
2011-9-2
MOS器件物理基础
8
“本征”阈值电压
通过以上公式求得的阈值电压，通常称为“本征(native)”阈值 电压，典型值为-0.1V. 在器件制造工艺中，通常通过向沟道区注入杂质来调整VTH 对于NMOS，通常调整到0.7V（依工艺不同而不同）
模拟CMOS集成电路设计
2011-9-2
MOS器件物理基础
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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：Level1，Level2，Level3； 2nd代：BSIM，HSPICE level＝28，BSIM2 3rd代：BSIM3，MOS model9，EKV(Enz-Krummenacher-Vittoz)
二章MOS器件物理基础-资料
分类
插座
有 源 器 件
电阻器
无
电感
源
晶体管
器
变压器
运算放大器
件
晶闸管
参考电压源
1.MOSFET的基本结构
2.MOSFET的结构
MOSFET的结构
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
MOS模拟开关
MOS管为什么可用作模拟开关？ •MOS管D、S可互换，电流可以双向流动。 •可通过栅源电源（Vgs）方便控制MOS管的 导通与关断。关断后Id≈0
4.二级效应
MOS管的开启电压VT及体效应
V T H=Φ M S+2Φ F+Q dep,w here C ox
Φ M S = Φ g a te-Φ s ilic o n
MOS管正常工作的基本条件
寄生二极管
MOS管正常工作的基本条件是:所有衬源（B 、S）、衬漏（B、D）pn结必须反偏！
同一衬底上的NMOS和PMOS器件
MOS管所有pn结必须反偏: *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
例：判断制造下列电路的衬底类型
线性区,Vgs >VTH VDS< Vgs - VTH
ID=nC 2o L xW(VGS-VTH)2
饱和区,Vgs >VTH VDS >Vgs - VTH
MOS管饱和的判断条件
d
g
g
d
NMOS饱和条件：Vgs>VTN；Vd≥Vg-VTHN PMOS饱和条件: Vgs<VTP ；Vd≤Vg＋| VTP | 判断MOS管是否工作在饱和区时，不必考虑Vs
ch2 MOS器件物理基础
漏极流入衬底。
MOS器件物理基础 Ch. 2 # 14
2013-7-29华大信息科学与工程学院
MOS管的工作原理
(a) Vgs>Vth, Vds=0V
(b) Vgs>Vth, Vds<Vgs-Vth
(c) Vgs>Vth, Vds>Vgs-Vth
MOS器件物理基础 Ch. 2 # 15
2013-7-29华大信息科学与工程学院
电荷移 动速度 (m/s)
Qd (x) WCox (VGS V (x) VTH )
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
MOS器件物理基础 Ch. 2 # 19
MOS器件物理基础 Ch. 2 # 13
2013-7-29华大信息科学与工程学院
MOS管的工作原理
– 当VGS≥Vth时，外加较小的VDS，ID将随VDS上升迅速增大，此时为线性区，但由 于沟道存在电位梯度，因此沟道厚度是不均匀的。
– 由于ID通过沟道形成自漏极到源极方向的电位差，因此加在“平板电容器”上的
MS
Qss Cox
MOS器件物理基础 Ch. 2 # 16
2013-7-29华大信息科学与工程学院
• “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(native)”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
对于NMOS，通常调整到0.7V（依工艺不同而不同）
同一衬底上的NMOS和PMOS器件
MOS管所有pn结必须反偏: *N-SUB接VDD！ *P-SUB接VSS！ *阱中MOSFET衬底常接源极S
第二章 CMOS器件基础
MOS管的电流方程
2. Cox单位面积栅电容 Cox=ɛ0ɛsio2/tox ɛ0：真空介电常数，8.854x10-12 F/m Ɛsio2：栅氧化层（SiO2）的相对介电常数 3.9 tox：栅氧化层厚度 可以计算：当tox=50A（1A=0.1nm）时， Cox=(8.854x10-12x3.9x10-6)/5x10-3 =6.9fF/μm2 (1fF=10-15F） (学会如何计算，注意单位统一）
同一衬底上的NMOS和PMOS器件
MOS管所有pn结 必须反偏: *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
MOS管符号
G
G
(a)
四端器件，一般在模拟电 路设计中采用。
(b)
省去了衬底，默认为 衬底与源 管。只区分管子类 型。常用于数字电 路
在集成电路设计中，在同一硅片衬底上做许多管子，为
二级效应1：体效应
保证它们正常工作，一般N管衬底要全部接最低点位，P 管衬底接最高点位，因此，有些管子源极与衬底之间存在 电位差。 为了保证沟道与衬底之间的隔离，PN结必须反偏，图中 T2管的Vbs<0 当Vbs<0时，导致阈值电压Vth增大，沟道变窄，沟道电 阻变大，ID减小，称此效应为体效应，或者背栅效应， 衬底调制效应。
Ｌ=4µ
Ｌ=6µ
∂ID/∂VDS∝λ/L∝1/L2
二级效应3：亚阈值导电性
当VGSVTH时和略小于VTH ，“弱”反型层依然存在， 与VGS呈现指数关系。当VDS大于200mV时，
这里ζ>1，VT＝kT/q
MOS管亚阈值电流ID一般为几十~几百 nA, 常用于低功耗放大器、带隙基准设计。
2 第二章 MOS器件物理基础
2010-3-161 CMOS模拟集成电路设计第二章MOS器件物理基础金湘亮博士xiangliangjin@2010-3-1622010-3-1632010-3-1642010-3-165CMOS模拟集成电路设计内容简介⏹集成电路的学习方法探讨⏹WHY⏹内容简介2010-3-1662010-3-1672010-3-1682010-3-1692010-3-16102010-3-16112010-3-1612问题的提出：Vg的值是多少时器件导通？也就是阈值电压是多少？在管子导通/截止时源漏电阻是多少？电阻和各端电压是什么关系？源漏间是否可以只用一个简单的模型？管子的速度由什么决定？2010-3-16132010-3-16142010-3-1615MOSFET2010-3-1616开启电压：沟道形成的栅－源电压。
)(th GS U ++++++2010-3-1617(2)对的影响.DS th GS GS u U u 时)(>D i )(th GS GS DS U u u -<①(th GS GS DS U u u -=②(th GS GS DS U u u ->③↑DS u →线性增大D i →沟道从s-d 逐渐变窄↑DS u (GS GD U u =→→沟道预夹断↑DS u →夹断区延长→几乎不变D i →恒流区2010-3-16183. 特性曲线与电流方程2)(1⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=th GS GS DO D UuI i 时的是，其中，th GS GS DO i U u I )(2=2010-3-16192010-3-1620DQDOthGSmDQDDDOthGSUthGSGSthGSDOUGSDIIUgIiiIUUuUIuiDSDS)()()()(2.212=⇒≈=⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=∂∂小信号作用时，2010-3-1621 2.1 MOSFET的基本概念2.1.1 MOSFET阈值电压是多少？当器件导通时，漏源之间的电阻有多大？这个电阻与端电压的关系是怎样的？总是可以用简单的线性电阻来模拟漏和源之间的通道？器件的速度受什么因素限制？2010-3-16221. MOSFET的三种结构简图图2.1 NMOS FET结构简图2.1.2 MOSFET的结构2010-3-1623图2.2 PMOS FET结构简图2010-3-1624图2.3 CMOS FET的结构简图2010-3-16252. MOS FET结构尺寸的通用概念W: gate widthL drawn(L): gate length(layout gate length)S,D,G,B: source,drain,gate,body(bulk)2010-3-1626 D SNMOS PMOS2010-3-1627(a) V=02010-3-1628(b) V GS>0(c)2010-3-1629(d)V G↑多晶硅和硅衬底的功函数差费米势,MOS强反型时的表面势为费米势的2倍耗尽区电荷(2.1)2010-3-16302010-3-16312010-3-1632MOS结构等效为一个由poly-Si和反型沟道构成的平板电2010-3-1633如果从S到D有一电压差VDS，假设平板电容在L方向上x点的2010-3-1634⎦⎣2L2010-3-1635(2.7)）电压，只有过驱动电压⎦22010-3-16362010-3-1637)(TH GS ox n DDS on V V LW C I V R -==μ1(2.9)此时D, S 间体现为一个电阻，其阻值为：2010-3-1638称为“压控晶体管”。
第二章 MOS器件的物理基础
22
2.2 MOS的I/V特性
2.2.4 I/V特性总结：
VDS < VGS − VTH 线性区
红色部分：沟道在源 漏之间连续存在
VDS ≥ VGS − VTH 饱和区
灰色部分：沟道在某点被夹 断，用作恒流源
MOS的I/V特性曲线
CMOS模拟集成电路设计 第二章 MOS器件物理基础
VDS << 2(VGS − VTH ) 深线性区
VG
S
VD
n+ 0 P型衬底
x=L' L
n+
V ( x) = VGS − VTH
V DS ≥ VGS − VTH 时， 反型层在沟道中某点x处被夹断
CMOS模拟集成电路设计 第二章 MOS器件物理基础
Copyright 2011 Zhengran
21
2.2 MOS的I/V特性
当 VDS > VGS − VTH 时，则 VGD = VGS − VDS < VTH ，也就意味着沟道在 漏端不存在。 沟道在x点被夹断，将式（课本2.7）的积分区间换 VGS − VTH ]，得到： 为[0，
CMOS模拟集成电路设计
Design of Analog CMOS Integrated Circuits
Feb.2011 郑然 zhengran@
西北工业大学航空微电子中心 教育部嵌入式系统集成工程研究中心
第二章 MOS器件的物理基础
CMOS模拟集成电路设计 第二章 MOS器件物理基础
13
2.2 MOS的I/V特性
四个合理的假设： 一、电流的大小由沟道内移动的电荷决定。 二、沟道中某点垂直于沟道的电场决定了该点移动电荷的 数量。 三、载流子的运动速率与横向电场大小成正比 v = µE。 四、认为 VGS = VTH 时反型层开始形成。 注意：栅极电势和沟道中某点的电势之差决定了该点 垂直于沟道的电场
MOS器件物理基础
gmN = 2 350 10-4 3.83 10-15/10-12 100 5 10-4 3.6mA/V
23
MOS管的开启电压VT及体效应
VTH = ΦMS + 2ΦF + Qdep , where Cox
ΦMS = Φgate - Φsilicon
ΦF = kT q ln
Nsub 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
- VTH )VDS
-
1 2
VDS 2
]
ID
=
nCox
W L
(VGS
- VTH )VDS
VDS << 2(VGS - VTH )
Ron
=
nCox
W L
1 (VGS
- VTH )
等效为一个压控 电阻
2019/11/15
13
I/V特性的推导（3）
ID
=
nCox
W L
[(VGS
- VTH )VDS
5
例：判断制造下列电路的衬底类型
2019/11/15
6
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
2019/11/15
7
NMOS管VGS>VT、VDS=0时的示意图
2019/11/15
8
NMOS管VGS>VT、 0<VDS< VGS-VT时的示意图
2 MOS器件物理基础(中国科大)
阈值电压VT的定义
VTN定义为界面电子浓度=p衬底多子浓度时的栅压
MS is the difference between the
work functions of polysilicon gate and silicon substrate. Nsub is the doping concentration(掺 杂浓度) of the substrate. Qdep is the charge per unit area in depletion region.
Cox is the gate oxide capacitance per
unit area. COX OX t 3.9 0 t OX OX 注意tox以厘米为单位
For tox=50 A , Cox 6.9fF/ m2
o
2018/11/19
8
PFET反型层的形成
Figure 2.8 formation of inverse layer in a PFET
一般数字集成电路中接电源使N-well中S/D结二极管反偏.其实只
要保证N-well中S/D结二极管不正偏即可.This flexibility of PFETs is exploited in some analog circuits design。
2018/.5 MOS symbols Fig 2.5 (b) and (c) is usually used in digital circuits.
第2章 MOS器件物理基础
电子科学与技术系 IC & System 教研室
黄 鲁
2018/11/19
1
Why need to knew MOS device physics
二极管 三极管 MOS器件基本原理
二极管三极管 MOS器件基本原理P-N结及其电流电压特性晶体二极管为一个由 p 型半导体和 n 型半导体形成的 p-n 结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。
当不存在外加电压时，由于 p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。
当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流：当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流 I0 。
当外加的反向电压高到一定程度时， p-n 结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。
双极结型三极管相当于两个背靠背的二极管 PN 结。
正向偏置的 EB 结有空穴从发射极注入基区，其中大部分空穴能够到达集电结的边界，并在反向偏置的 CB 结势垒电场的作用下到达集电区，形成集电极电流 IC 。
在共发射极晶体管电路中 , 发射结在基极电路中正向偏置 , 其电压降很小。
绝大部分的集电极和发射极之间的外加偏压都加在反向偏置的集电结上。
由于 VBE 很小，所以基极电流约为IB= 5V/50 k Ω = 0.1mA 。
如果晶体管的共发射极电流放大系数β = IC / IB =100, 集电极电流 IC= β*IB=10mA。
在500Ω的集电极负载电阻上有电压降VRC=10mA*500Ω=5V，而晶体管集电极和发射极之间的压降为VCE=5V，如果在基极偏置电路中叠加一个交变的小电流ib，在集电极电路中将出现一个相应的交变电流ic，有c/ib=β，实现了双极晶体管的电流放大作用。
金属氧化物半导体场效应三极管的基本工作原理是靠半导体表面的电场效应，在半导体中感生出导电沟道来进行工作的。
当栅 G 电压 VG 增大时， p 型半导体表面的多数载流子枣空穴逐渐减少、耗尽，而电子逐渐积累到反型。
MOS器件物理基础
开启电压 UGS (th)：沟道形成的栅－源电压。 5
(2) uGS UGS ( th)时uDS 对 i D 的影响. ① uDS uGS UGS ( th) ② uDS uGS UGS ( th) ③ uDS uGS UGS ( th)
uDS i D 线性增大
2019/1/16 9
gm与rds的求法
2019/1/16
10
二、基本共源放大电路的动态分析
g U R U I R m gs d o d d A g m Rd u U U gs U gs i Ri Ro Rd
2019/1/16 11
2.1 MOSFET的基本概念
2019/1/16
29
讨论: 一个NMOS管,若偏置电压VGS>VTH , 漏级开路
(ID =0),问：此晶体管是处于cut off 状态还是其他状
态?为什么?
例2.1
2019/1/16
30
2.2.4 MOS管在饱和区的跨导
当 VDS VGS VTH 时，漏极电流怎样变化呢？
由 Qd ( x) WCox (VGS VTH V ( x)) 可知：
L
x 0
I D ( x )dx
V 0
WnCox VGS V ( x ) VTH dV ( x )
沟道中电流是连续的恒量，即有：
W I D nCox L
2019/1/16
1 2 (VGS VTH )VDS 2 VDS
(2.6)
25
W ＊分析： I D nCox L
2.2.1.阈值电压
先看MOS器件的工作原理:以NMOS为例来分析阈值电压 产生的原理.
第二章MOS器件物理基础2-3
（a）为理想小信号模型
（b）用独立电流源表示沟道长度调制效应
饱和区MOS管的漏极电流是栅源电压的函数，即为一个压控电流源，电 流值为gmVGS，且由于栅源之间的低频阻抗很高，因此可得到一个理想的 MOS管的小信号模型，如图（a）所示。 考虑沟道调制效应，漏电流随漏-源电压变化，用一个压控电流源模拟， 如图（b）所示。若电流与电压成线性关系，则该电流源等效为一个线性 阻抗ro ，如图（c）所示。
第二章mos器件物理基础23mos器件mos器件尺寸缩小规则半导体器件物理基础半导体物理与器件基础半导体器件物理半导体物理与器件半导体器件物理与工艺半导体物理与器件答案半导体器件物理答案
MOS管交流小信号模型---低频
小信号是指对偏置的影响非常小的信号。 • 由于在很多模拟电路中，MOS管被偏置在饱和区，所以主要 推导出在饱和区的小信号模型。
1）忽略衬底偏置效应
利用图示小信号等效电路，有： V= V1，I＝V/ro＋gmV1，所以小 信号工作时MOS二极管可近似为一个电阻，其值为：
V 1 1 // ro I gm gm
2）考虑衬底偏置效应 • 如果考虑体效应，如下图左所示，由于衬底接地电位，则有：V1＝－V， Vbs＝－V，其等效电路如下图右所示。
例：求下列电路的低频小信号电阻(γ＝0)
Vgs VX I X RD
VX ( I X g mVgs )ro I X RD ( I X g m RD I X g mVX ) ro I X RD
(1 gmro )VX (ro RD gm RD ro ) I X
(一) 直流电阻 • NMOS管的直流电阻为：
VDS VGS VGS Ron ID I D K N (VGS VTHN ) 2
第二章MOS器件物理基础2-4
MOS管的器件电容（1）
电容分为以下几类：
（1）栅与沟道之间的栅氧电容C1=WLCox，Cox为单位面积栅氧电容εox/tox； （2）衬底和沟道之间的耗尽层电容 C2 WL q si N sub 4 F （3）多晶硅与源和漏交叠产生的交叠电容C3和C4。
由于是环状的电场线， C3与C4不能简单地写成WdCox，需通过更复杂的 计算才能得到，且它的值与衬底偏置有关。
C j C j 0 1 VR B m
VR：通过PN结的反偏电压 Cj0：PN结在零偏时的结电容（与衬底浓度有关） ΦB ：漏源区与衬底间PN结的内建电势
m：底面电容的梯度因子，一般取介于0.3与0.4间的数
MOS管的器件电容（3）
计算图示两种结构中源和漏的结电容
对于图a: CD B CSB WEC j 2(W E)C jsw
C表示栅极输入电容，该电容正比于WLCox 。
gm mCv gs g m vgs f m 2C
n fm (VGS VTH ) 2 2L
MOS管的最高工作频率与沟道长度的平方成反比，因此，减小MOS管 的沟道长度能很显著地提高工作频率 。 例如，MOS管L=0.25μm时，工作频率约40GHz，若L缩小到0.1μm时，工 作频率可达118GHz，说明深亚微米MOS器件可以满足射频电路的要求。
D
MOS管的电容随栅源电压的变化－截止区
漏源之间不存在沟道，则：
栅源、栅漏之间的电容为： CGD CGS CovW Cov：单位宽度的交叠电容。 栅与衬底间的电容为栅氧电容与耗尽区电容之间的串 联：
G
CGD
CDB
B
CGS
C SB CGB S
mos物理器件基础总结(合集4篇)
答：对于给定温度下的Vth可以近似看作一个恒定值，但是对于高精度要求的情况下，Vth并不是一个可靠的数值。
8、怎样理解MOS管的截止区、深线性区、线性区（三极管区）、饱和区？截止区：是对于而言的，对于S端接地，可以看作当,若S端不是0电位，则为。
深线性区：是对于而言的，此时默认，有,深线性区可以看作一个压控电阻。
线性区：又称三极管区，也是对而言的，有Vds≤Vgs-Vth饱和区：也是对而言的，若，则称此时，MOS管进入饱和区。
mos物理器件基础总结第2篇即我们要选用更小的有效沟道长度的器件，缩小栅氧化层的厚度原因：但是我们要知道什么东西都不是无限制的，首先，随着制成的不断微缩，各种二级效应越来越明显使栅控能力下降。
为了提高栅控能力就得使栅电容提高，我们知道栅电容与厚度成反比，所以栅氧化层的物理厚度就要很薄。
但是物理厚度一直减薄下去到了极限就会发生量子隧穿效应，栅极漏电增加。
mos要正常工作首先是不能让里面的漏源与衬底或者阱产生二极管正向偏置，首先现代集成电路常采用P衬底工艺（具体原因），所以对于NMOS来说我们需要将它的衬底接地，对于PMOS来说我们要将它的阱接VDDmos物理器件基础总结第3篇注意：此处可以看出，为交流小信号的放大倍数。
反应了栅压对沟道电流的控制能力。
的计算公式如下：注：、、、为四个变量。
标准CMOS工艺：就是在同一块衬底上集成NMOS和PMOS,比如在一块p衬底可以先做一个nmos然后再做一个N阱，再在N阱中掺入p+区形成PMOS，如下图所示：问题：NMOS的衬底和PMOS的衬底可以分别接不同电位吗？答：对于NMOS而言，所有衬底都接在一起，一般接地，对于PMOS而言，由于N阱可以隔离，故PMOS的衬底可以接不同电位。
深N阱工艺：就是在p衬底上，通过掺杂形成一个深N然后再形成一个P阱，制作NMOS ，可以实现器件隔离的作用，同时提高了电路的性能，缺点是电路面积增大、费用较高。
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Third Generation
• A return to simpler model structure with reduced number of parameters which are physically based rather than empirical. • Uses better methods of mathematical conditioning for simulation including more specialized smoothing functions
MOS器件物理基础 Chap2 # 14
I/V特性的推导(3)
沟道单位长度电荷(C/m)
I Qd v
电荷移 动速度 (m/s)
MOS器件物理基础 Chap2 # 15
I/V特性的推导(4)
I D = -WCox [VGS - V(x) - VTH ]
ν = μE 且 E(x) = - dV(x) 对于半导体：
MOS器件物理基础 Chap2 # 9
MOSFET的工作(2)
VGS>VT、VDS=0
MOS器件物理基础 Chap2 # 10
MOSFET的工作(3)
＋
VGS>VT、 0<VDS< VGS-VT
沟道未夹断！
MOS器件物理基础 Chap2 # 11
MOSFET的工作(4)
＋
VGS>VT、VDS>VGS-VT
W g m = 2μnCox ID L 2I D = VGS - VTH
gm的物理意义？
MOS器件物理基础 Chap2 # 24
目录
MOS器件结构 MOS的I/V特性 二阶效应
体效应 沟道长度调制 亚阈值导电性
MOS模型 总结
MOS器件物理基础 Chap2 # 25
MOS器件物理基础 Chap2 # 12
I/V特性的推导(1)
Qd WCox(VGS VTH )
Qd：沟道电荷密度
MOS器件物理基础 Chap2 # 13
I/V特性的推导(2)
沟道电荷不 均匀分布
Qd(x) WCox(VGS V (x) VTH )
Qd(x)：沿沟道点x处的电荷密度 边界条件:V(x)|x=0=0, V(x)|x=L=VDS
Second Generation
• Model equations became subject to mathematical conditioning for circuit simulation • Use of empirical relationship and parameter extraction
VDS << 2(VGS - VTH )
Ron = 1
nCox
W (VGS - VTH ) L
等效为一个 压控电阻
MOS器件物理基础 Chap2 # 18
I/V特性的推导(5)
W 1 2 I D = nCox [(VGS - VTH )VDS - VDS ] L 2
每条曲线在VDS＝VGS－VTH时 取最大值，且大小为：
MOS器件物理基础 Chap2 # 41
栅极电阻
MOS器件物理基础 Chap2 # 42
完整的MOS小信号模型
MOS器件物理基础 Chap2 # 43
Spice模型
第一代
Level1/2/3 (MOS1/2/3)
第二代
BSIM / Hspice Level 28 / BSIM2
第三代
nCox W ID = (VGS - VTH ) 2 2 L
VDS＝VGS－VTH时沟道刚好被夹断
MOS器件物理基础 Chap2 # 19
饱和区的MOSFET
VDS VGS VTH
( Pinch off )
x =0
L
VDS
I D d(x) =
V =0
WCox n [VGS - V(x) - VTH ]dV
体效应的应用：
•利用衬底作为MOS管的第3个输入端
•利用VT减小用于低压电源电路设计
Vg
MOS器件物理基础 Chap2 # 28
沟道长度调制(1)
L
L’
L = L - L
1 1 L 1 L' L L
1 1 L = (1 + VDS ), 假定 VDS = L L L
NMOS的IV特性(1)
截止区，
Vgs<VTH 线性区,Vgs >VTH VDS< Vgs - VTH 饱和区,Vgs >VTH VDS >Vgs - VTH
ID 0
nCox W 2 ID = [2(VGS - VTH )VDS - VDS ] 2L
nCox W 2 ID = (VGS - VTH ) 2L
MOS管的开启电压VT及体效应
Qdep VTH = ΦMS + 2ΦF + , where Cox ΦMS = Φgate - Φsilicon
ΦF = kT ln Nsub q ni
Qdep = 4qεsi Φ F 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
第二章
MOS器件物理基础
MOS器件物理基础 Chap2 # 1
录
MOS器件结构 MOS的I/V特性 二阶效应 MOS模型 总结
MOS器件物理基础 Chap2 # 2
MOSFET的结构(1)
MOS器件物理基础 Chap2 # 3
MOSFET的结构(2)
衬底
Ldrawn：沟道总长度
μnCox W 2 ID = (VGS - VTH ) (1 + λVDS ) 2L
MOS器件物理基础 Chap2 # 29
沟道长度调制(2)
∂ID/∂VDS∝λ/L∝1/L2
MOS器件物理基础 Chap2 # 30
MOS管跨导gm不同表示法比较
跨导gm
1
2
3
上式中:
MOS器件物理基础 Chap2 # 31
dx
I D = WCox [VGS
x=0
L
VDS
dV(x) - V(x) - VTH ] n dx
I D d(x) =
L 0
V =0
WCox n [VGS - V(x) - VTH ]dV
[I D x]
= [ n WCox ((VGS
1 2 VDS - VTH )V(x) - V(x) ]0 2
目录
MOS器件结构 MOS的I/V特性 二阶效应 MOS模型
大信号模型 小信号模型
总结
MOS器件物理基础 Chap2 # 34
MOS器件版图
MOS器件物理基础 Chap2 # 35
MOS器件电容(1)
MOS器件物理基础 Chap2 # 36
MOS器件电容(2)
C1=WLCox
MOS器件物理基础 Chap2 # 45
First Generation Models
Level1 (MOS1)
Basic square law model based on the gradual channel approximation and the square law for saturated drain current. Good for hand analysis Needs improvement for deep-submicron technology Shichman-Hodges (VT, K', γ, λ, ψ, and NSUB)
C3=C4=COVW 容
Cov：每单位宽度的交叠电
C5、C6：
1、下极板电容Cj 2、侧壁电容Cjsw
Cj
C j0 VR 1 B
m
MOS器件物理基础 Chap2 # 37
MOS器件电容(3)
① MOS管关断时: CGD=CGS=CovW, CGB=C1//C2(耗尽层形成) ② MOS管深线性区时: CGD=CGS=C1/2+CovW, CGB=0, C2被沟道屏蔽 S/D电压近似相等，C1被平分 ③ MOS管饱和时: CGS= 2C1/3+CovW , CGD=CovW, CGB=0, C2被沟道屏蔽 沟道电势的非均匀分布
MOS器件物理基础 Chap2 # 22
NMOS的IV特性(2)
VDS<VGS-VT
Triode Region
VDS>VGS-VT
用作恒流源条件：工作在饱和区且VGS ＝const！
MOS器件物理基础 Chap2 # 23
MOSFET的跨导gm
I D gm = VGS
VDS=const
W = μnCox (VGS - VTH ) L
Level 2 (MOS2)
Level 3 (MOS3)
MOS器件物理基础 Chap2 # 38
MOS器件电容(4)
MOS器件物理基础 Chap2 # 39
MOS大信号模型
VGS ↑
截止区：
VGS<VTH Id≈0 亚阈值区： 指数律 饱和区：
VDS ↑
三极管区： 深三极管区：
MOS器件物理基础 Chap2 # 40
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
* 阱中MOS管衬底常接源极S