MOS器件物理基础
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2014-11-23
(2.9)
28
（2.9）式表示： a：在满足 VDS 2(VGS VTH ) 的条件下，MOS管体现 出线性电阻的特性，其直流电阻与交流动态电阻相等。 b：该线性电阻大小取决与VGS，即调节VGS，可调节电
阻的大小。因此我们常常把工作在这种区域的晶体管
称为“压控晶体管”。
V ( x) VGS VTH 时， Qd ( x ) 0
0 X1 V ( X1 ) (VGS VTH )
VG VDS2>VDS1 VG VDS1
，此时认为沟道夹断 (pinch off ).
VDS VGS VTH , 沟道在 x L 处夹断.
VDS VGS VTH 时,夹断点随着 VDS
● 电荷漂移速度
E
(2.5)
：漂移速度 drift speed
E ：电场强度 electric field
2014-11-23
：迁移率 mobility E( x ) dV ( x ) dx
24
综合(2.2)-(2.5)有
I D ( x) Qd ( x) v( x) Qd ( x) E( x)
DS
2(VGS VTH )
W I D nC ox (VGS VTH )VDS L
(2.8)表明 I D ~ VDS为直线关系，如图(2.12)所示.
2014-11-23
(2.8)
27
此时 D, S间体现为一个电阻，其阻值为：
VDS 1 Ron W ID nCox (VGS VTH ) L
VTH ms 2F Qdep C ox
KT N sub F ln n i q
Qdep 4q si F N sub
2014-11-23
21
2.2.2 I/V特性推导
我们用一个电流棒来辅助理解电流的概念. v
I
当沿电流方向的电荷密度为Qd (C/m)的电荷以速度v沿电流 方向移动时,产生的电流为
Chapter 2 MOS器件物理基础
本章内容
MOSFET 的I-V 特性 MOSFET 的二级效应
MOSFET 的结构电容
MOSFET 的小信号模型
2014-11-23
2
绝缘栅型场效应管
Insulated Gate Field Effect Transistor
MOS管：MBaidu Nhomakorabeatal Oxide Semiconductor
2014-11-23 7
2
FET放大电路的动态分析
一、FET的低频小信号等效模型
i D f uGS , uDS
令 i D uGS i D uDS
U DS
i D diD uGS
i D U DS du GS uDS
UGS
duDS
gm 1 rds
1 I d gmU gs U ds rds
I D ( x ) WCox VGS V ( x ) VTH n ( dV ( x ) dx) WCox VGS V ( x ) VTH n (dV ( x ) dx)
边界条件
V (0) 0,V ( L) VDS
VDS
两边积分可得
可以形成反型层电荷。
VDS VGS VTH 时，器件工作在“三极管区”.
2014-11-23 26
2.2.3 MOS器件深Triode区时的导通电阻
MOS 器件作为逻辑工作和模拟开关，或小值线性电阻运 用时，都会工作于深Triode区。此时VGS较大，MOS管的 VDS很小，若满足： V 此时（2.6）简化为：
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
U GS
2014-11-23
8
gm与rds的求法
2 I DO u 2 GS 1 U DS I DO i D U DS U GS ( th) U GS ( th) U GS ( th) 2 小信号作用时，i D I DQ . gm I DO I DQ U GS ( th) i D gm uGS
I D 0 ,求得各抛物线的极 令 VDS
1 2 (VGS VTH )VDS 2 VDS
大值在 VDS (VGS VTH )点上， 且相应各峰值电流为:
I D ,max
1 W nC ox (VGS VTH ) 2 (2.7) 2 L
VGS-VTH为过驱动（overdrive）电压，只有过驱动电压
LD:S/D side diffusion length
W/L: aspect ratio
2014-11-23
S,D,G,B: source,drain,gate,body(bulk)
16
3. MOS FET 的四种电路符号
NMOS D G B G
PMOS S B
S
(d)
2014-11-23
D
17
32
＊式(2.6),(2.10) 为analog CMOS design 的最基本的方程
式.
W I D nCox L
1 2 (VGS VTH )VDS 2 VDS
(2.6)
1 W I D nC ox (VGS VTH ) 2 2 L'
(2.10)
它们描述了ID与工艺常数 nCox ,器件尺寸W和L以及栅和
WnCox VGS V ( x ) VTH dV ( x )
1 W I D nC ox (VGS VTH ) 2 2 L'
若
L' L ,则 I D 与 VDS 无关.
(2.10)
VDS (VGS VTH ) 时 , I D 相对恒定，器件工作在饱和区。
2014-11-23
I Qd * v
2014-11-23
(2.2)
量纲 C
m* m s A
22
● NMOS
沟道的平板电容近似与沟道电荷分布
若将MOS结构等效为一个由poly-Si和反型沟道构成的平板电 容。对均匀沟道，当 VD=VS=0 时，宽度为 W 的沟道中，单位 长度上感应的可移动电荷量为
Qd WCox (VGS VTH )
(2.3)
式中Cox为栅极单位面积电容，WCox为单位长度栅电容.
2014-11-23 23
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
电位为V(x), 如上图所示 则有:
Qd ( x) WCox (VGS VTH V ( x))
(2.4)
利用栅源电压的大小控制半导体表面的感生电荷的多
少，从而改变沟道电阻，控制漏极电流的大小。
N沟道
增强型(常闭型) MOSFET 绝缘栅型 耗尽型(常开型)
2014-11-23
P沟道 N沟道 P沟道
3
N沟道增强型MOSFET
1. 结构
2014-11-23
4
2. 工作原理
① uGS 0 ② uDS 0, uGS 0
漏相对于源的电位之间的关系.
2014-11-23 33
若 L' L ，可以得到 不同VGS下漏电流曲线为:
VGS 8 VGS 7 ...... VGS 1
2014-11-23 34
对于PMOS器件,其在三极管区和饱和区的电流方程分
别表示为
W I D pC ox L
的增大向源端移动。
2014-11-23
0 X2 V ( X 2 ) (VGS VTH )
31
由
L
x 0
I D ( x )dx
VDS
V 0
WnCox VGS V ( x ) VTH dV ( x )
L'
x 0
I D ( x )dx
VGS VTH
V 0
沟道从s-d逐渐变窄
uDS uGD UGS (th)
沟道预夹断
uDS 夹断区延长
i D 几乎不变 恒流区
2014-11-23
6
3. 特性曲线与电流方程
uGS i D I DO 1 ，其中，I DO 是uGS 2UGS ( th)时的iD。 U GS ( th)
2014-11-23 9
gm与rds的求法
2014-11-23
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
2014-11-23 11
2.1 MOSFET的基本概念
(d)
ms F ( sub) F ( gate)
KT N sub F ln n q i
Qdep 4q si F N sub
2014-11-23
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
20
PMOS器件的导通:与NFETS类似,极性相反.
2.2 MOS的I/V特性
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.
(a) VGS=0
2014-11-23 18
●在 (a) 图中， G 极没有加入 电压时， G 极和 sub 表面之间， 由于 Cox 的存在，构成了一个 平板电容， Cox 为单位面积的 栅氧电容; ●在栅极加上正电压后，如 图 (b) 所示， P-sub 靠近 G 的空 穴就被排斥，留下了不可动 的负离子。这时没有导电沟 道的形成，因为没有可移动 的载流子，G和衬底间仅形成 了氧化层电容和耗尽层电容 的串连,如图(c)所示。
2.1.1 MOSFET开关
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？
2014-11-23 12
2.1.2 MOSFET的结构
1. MOSFET的三种结构简图
图2.1 NMOS FET结构简图
(1) uDS 0时uGS 对导电沟道的影响.
漏源为背对的PN结 无导电沟道 即使 uDS
0, i D 0
③ uDS 0, uGS
耗尽层加厚 uGS 增加 吸引自由电子 反型层
栅极聚集正电荷 排斥衬底空穴
剩下负离子区 耗尽层
++++++
++++++ ++++++
2014-11-23
2014-11-23
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
2014-11-23
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：
2014-11-23 13
图2.2 PMOS FET结构简图
2014-11-23 14
图2.3 CMOS FET的结构简图
2014-11-23 15
2. MOS FET结构尺寸的通用概念
W: gate width
Ldrawn (L): gate length(layout gate length) Leff: effective gate length
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
2014-11-23
1 2 (VGS VTH )VDS 2 VDS
(2.6)
25
W ＊分析： I D nCox L
2014-11-23
(b) VGS>0
(c)
19
●（ d ）当 VG 继续增加，界面电 势达到一定值时，就有电子从源 极流向界面并最终到达漏极，导 电沟道形成，晶体管打开。如图 （ d ）所示。这时，这个电压值 就是“阈值电压”－ . V
TH
VTH ms 2F
Qdep C ox
(2.1)
(2.9)
28
（2.9）式表示： a：在满足 VDS 2(VGS VTH ) 的条件下，MOS管体现 出线性电阻的特性，其直流电阻与交流动态电阻相等。 b：该线性电阻大小取决与VGS，即调节VGS，可调节电
阻的大小。因此我们常常把工作在这种区域的晶体管
称为“压控晶体管”。
V ( x) VGS VTH 时， Qd ( x ) 0
0 X1 V ( X1 ) (VGS VTH )
VG VDS2>VDS1 VG VDS1
，此时认为沟道夹断 (pinch off ).
VDS VGS VTH , 沟道在 x L 处夹断.
VDS VGS VTH 时,夹断点随着 VDS
● 电荷漂移速度
E
(2.5)
：漂移速度 drift speed
E ：电场强度 electric field
2014-11-23
：迁移率 mobility E( x ) dV ( x ) dx
24
综合(2.2)-(2.5)有
I D ( x) Qd ( x) v( x) Qd ( x) E( x)
DS
2(VGS VTH )
W I D nC ox (VGS VTH )VDS L
(2.8)表明 I D ~ VDS为直线关系，如图(2.12)所示.
2014-11-23
(2.8)
27
此时 D, S间体现为一个电阻，其阻值为：
VDS 1 Ron W ID nCox (VGS VTH ) L
VTH ms 2F Qdep C ox
KT N sub F ln n i q
Qdep 4q si F N sub
2014-11-23
21
2.2.2 I/V特性推导
我们用一个电流棒来辅助理解电流的概念. v
I
当沿电流方向的电荷密度为Qd (C/m)的电荷以速度v沿电流 方向移动时,产生的电流为
Chapter 2 MOS器件物理基础
本章内容
MOSFET 的I-V 特性 MOSFET 的二级效应
MOSFET 的结构电容
MOSFET 的小信号模型
2014-11-23
2
绝缘栅型场效应管
Insulated Gate Field Effect Transistor
MOS管：MBaidu Nhomakorabeatal Oxide Semiconductor
2014-11-23 7
2
FET放大电路的动态分析
一、FET的低频小信号等效模型
i D f uGS , uDS
令 i D uGS i D uDS
U DS
i D diD uGS
i D U DS du GS uDS
UGS
duDS
gm 1 rds
1 I d gmU gs U ds rds
I D ( x ) WCox VGS V ( x ) VTH n ( dV ( x ) dx) WCox VGS V ( x ) VTH n (dV ( x ) dx)
边界条件
V (0) 0,V ( L) VDS
VDS
两边积分可得
可以形成反型层电荷。
VDS VGS VTH 时，器件工作在“三极管区”.
2014-11-23 26
2.2.3 MOS器件深Triode区时的导通电阻
MOS 器件作为逻辑工作和模拟开关，或小值线性电阻运 用时，都会工作于深Triode区。此时VGS较大，MOS管的 VDS很小，若满足： V 此时（2.6）简化为：
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
U GS
2014-11-23
8
gm与rds的求法
2 I DO u 2 GS 1 U DS I DO i D U DS U GS ( th) U GS ( th) U GS ( th) 2 小信号作用时，i D I DQ . gm I DO I DQ U GS ( th) i D gm uGS
I D 0 ,求得各抛物线的极 令 VDS
1 2 (VGS VTH )VDS 2 VDS
大值在 VDS (VGS VTH )点上， 且相应各峰值电流为:
I D ,max
1 W nC ox (VGS VTH ) 2 (2.7) 2 L
VGS-VTH为过驱动（overdrive）电压，只有过驱动电压
LD:S/D side diffusion length
W/L: aspect ratio
2014-11-23
S,D,G,B: source,drain,gate,body(bulk)
16
3. MOS FET 的四种电路符号
NMOS D G B G
PMOS S B
S
(d)
2014-11-23
D
17
32
＊式(2.6),(2.10) 为analog CMOS design 的最基本的方程
式.
W I D nCox L
1 2 (VGS VTH )VDS 2 VDS
(2.6)
1 W I D nC ox (VGS VTH ) 2 2 L'
(2.10)
它们描述了ID与工艺常数 nCox ,器件尺寸W和L以及栅和
WnCox VGS V ( x ) VTH dV ( x )
1 W I D nC ox (VGS VTH ) 2 2 L'
若
L' L ,则 I D 与 VDS 无关.
(2.10)
VDS (VGS VTH ) 时 , I D 相对恒定，器件工作在饱和区。
2014-11-23
I Qd * v
2014-11-23
(2.2)
量纲 C
m* m s A
22
● NMOS
沟道的平板电容近似与沟道电荷分布
若将MOS结构等效为一个由poly-Si和反型沟道构成的平板电 容。对均匀沟道，当 VD=VS=0 时，宽度为 W 的沟道中，单位 长度上感应的可移动电荷量为
Qd WCox (VGS VTH )
(2.3)
式中Cox为栅极单位面积电容，WCox为单位长度栅电容.
2014-11-23 23
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
电位为V(x), 如上图所示 则有:
Qd ( x) WCox (VGS VTH V ( x))
(2.4)
利用栅源电压的大小控制半导体表面的感生电荷的多
少，从而改变沟道电阻，控制漏极电流的大小。
N沟道
增强型(常闭型) MOSFET 绝缘栅型 耗尽型(常开型)
2014-11-23
P沟道 N沟道 P沟道
3
N沟道增强型MOSFET
1. 结构
2014-11-23
4
2. 工作原理
① uGS 0 ② uDS 0, uGS 0
漏相对于源的电位之间的关系.
2014-11-23 33
若 L' L ，可以得到 不同VGS下漏电流曲线为:
VGS 8 VGS 7 ...... VGS 1
2014-11-23 34
对于PMOS器件,其在三极管区和饱和区的电流方程分
别表示为
W I D pC ox L
的增大向源端移动。
2014-11-23
0 X2 V ( X 2 ) (VGS VTH )
31
由
L
x 0
I D ( x )dx
VDS
V 0
WnCox VGS V ( x ) VTH dV ( x )
L'
x 0
I D ( x )dx
VGS VTH
V 0
沟道从s-d逐渐变窄
uDS uGD UGS (th)
沟道预夹断
uDS 夹断区延长
i D 几乎不变 恒流区
2014-11-23
6
3. 特性曲线与电流方程
uGS i D I DO 1 ，其中，I DO 是uGS 2UGS ( th)时的iD。 U GS ( th)
2014-11-23 9
gm与rds的求法
2014-11-23
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
2014-11-23 11
2.1 MOSFET的基本概念
(d)
ms F ( sub) F ( gate)
KT N sub F ln n q i
Qdep 4q si F N sub
2014-11-23
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
20
PMOS器件的导通:与NFETS类似,极性相反.
2.2 MOS的I/V特性
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.
(a) VGS=0
2014-11-23 18
●在 (a) 图中， G 极没有加入 电压时， G 极和 sub 表面之间， 由于 Cox 的存在，构成了一个 平板电容， Cox 为单位面积的 栅氧电容; ●在栅极加上正电压后，如 图 (b) 所示， P-sub 靠近 G 的空 穴就被排斥，留下了不可动 的负离子。这时没有导电沟 道的形成，因为没有可移动 的载流子，G和衬底间仅形成 了氧化层电容和耗尽层电容 的串连,如图(c)所示。
2.1.1 MOSFET开关
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？
2014-11-23 12
2.1.2 MOSFET的结构
1. MOSFET的三种结构简图
图2.1 NMOS FET结构简图
(1) uDS 0时uGS 对导电沟道的影响.
漏源为背对的PN结 无导电沟道 即使 uDS
0, i D 0
③ uDS 0, uGS
耗尽层加厚 uGS 增加 吸引自由电子 反型层
栅极聚集正电荷 排斥衬底空穴
剩下负离子区 耗尽层
++++++
++++++ ++++++
2014-11-23
2014-11-23
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
2014-11-23
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：
2014-11-23 13
图2.2 PMOS FET结构简图
2014-11-23 14
图2.3 CMOS FET的结构简图
2014-11-23 15
2. MOS FET结构尺寸的通用概念
W: gate width
Ldrawn (L): gate length(layout gate length) Leff: effective gate length
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
2014-11-23
1 2 (VGS VTH )VDS 2 VDS
(2.6)
25
W ＊分析： I D nCox L
2014-11-23
(b) VGS>0
(c)
19
●（ d ）当 VG 继续增加，界面电 势达到一定值时，就有电子从源 极流向界面并最终到达漏极，导 电沟道形成，晶体管打开。如图 （ d ）所示。这时，这个电压值 就是“阈值电压”－ . V
TH
VTH ms 2F
Qdep C ox
(2.1)