《MOS器件物理》PPT课件

MOS管的电特性－输出特性（I/V特性）
ID 三极管区
饱和区
VGS3
VGS2 VGS1
VDS
VGS1-Vth VGS2-Vth VGS3-Vth
转移特性曲线
在一个固定的VDS下的MOS管饱和区的漏极电流与栅 源电压之间的关系称为MOS管的转移特性。
IDS
IDS
I DS
Vthn
VGS
增强型NMOS转移特性
第二讲 MOS器件物理(续)
MOS管的电特性
主要指： 阈值电压 I/V特性 输入输出转移特性 跨导等电特性
MOS管的电特性 －阈值电压（NMOS）
在漏源电压的作用下刚开始有电流产生时的VG为阈值电压Vth ：
Vth
MS
2 f
Qb Cox
Qss Cox
Qb Cox
2f
VFB
MOS晶体管的输出电流－电压特性的经典描述是萨氏方程。
忽略二次效应，对于NMOS管导通时的萨氏方程为：
ID
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
KN
实际上，用以上方程求出的“内在”阈值在电路设计过程中可能不适 用，在实际设计过程中，常通过改变多晶与硅之间的接触电势即：在 沟道中注入杂质，或通过对多晶硅掺杂金属的方法来调整阈值电压。 比如：若在p型衬底中掺杂三价离子形成一层薄的p＋区，为了实现耗 尽，其栅电压必须提高，从而提高了阈值电压。
MOS管的电特性－输出特性（I/V特性）
Vthn
VGS
Vth0 Vthn VGS
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
Vth' 0
注意 Vth' 0 ，VtVh0th0为无衬偏时的开启电压，而 是在Vt与h' 0
VGS特性曲线中与VGS轴的交点电压，实际上为零电流
1
W
2 n C ox L
，称为NMOS管的导电因子
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）
截止区：VGS≤Vth，ID＝0； 线性区：Βιβλιοθήκη BaiduDS≤VGS－Vth，漏极电流即为萨氏方程。
深三极管区：VDS<<2（VGS－Vth）时称MOS管工作在，萨氏方程 可近似为：
的栅电压
从物理意义上而言，Vt为h' 0 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。
转移特性曲线
从转移特性曲线可以得到导电因子KN（或KP），根据饱和萨氏方程可知： 即有：
I K (V V ) 所以KND即S为转移特性N曲线的G斜S 率。 th 2
I D 2K N VGS Vth VDS
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：
Ron
VDS ID
2K N
1 VGS
Vth
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。
ΦMS：指多晶硅栅与硅衬底间的接触电势差
f (kT q) ln( N sub ni ) 称为费米势，其中q是电子电荷
Nsub：衬底的掺杂浓度
Qb：耗尽区的电荷密度，其值为 Qb
4q si f
N
，其中
sub
si
是硅的介电常数
Cox：单位面积的栅氧电容， Cox n ox / tox ， ox
VDS ID
2K N
1 VGS Vth
饱和区MOS管的跨导与导纳
工作在饱和区的MOS管可等效为一压控电流源，故可用跨导 gm来表示MOS管的电压转变电流的能力，跨导越大则表示
该MOS管越灵敏，在同样的过驱动电压（VGS－Vth）下能引
起更大的电流，根据定义，跨导为漏源电压一定时，漏极电
流随栅源电压的变化率，即：
MOS管的电特性－输出特性（I/V特性）
饱和区：VDS≥VGS－Vth：
漏极电流并不是随VDS增大而无限增大的，在VDS＞VGS－Vth 时，MOS管进入饱和区：此时在沟道中发生了夹断现象。
萨氏方程两边对VDS求导，可求出当VDS＝VGS－Vth时，电流
有最大值，其值为：
这I就D 是饱K12和N萨nVC氏Go方Sx 程WLV。tVh G2S Vth 2
si 0
QVFsBs：：氧平化带层电中压单，位VF面B＝积的正M电S 荷 CQossx
MOS管的电特性 －阈值电压
同理PMOS管的阈值电压可表示为：
Vth
MS
2 f
Qb Cox
Qss C ox
Qb C ox
2 f
VFB
注意：
器件的阈值电压主要通过改变衬底掺杂浓度、衬底表面浓度或改变氧 化层中的电荷密度来调整，对于增强型MOS管，适当增加衬底浓度， 减小氧化层中的正电荷即可使其阈值大于0；而氧化层中的正电荷较 大或衬底浓度太小都可形成耗尽型NMOS 。
gm
I D VGS
VDS C
2KN
VGS
Vth
2
KNID
2ID VGS Vth
饱和区跨导的倒数等于深三极管区的导通电阻Ron
饱和区MOS管的跨导与导纳
讨论1： 在KN（KP）为常数（W/L为常数）时，跨导与过驱动电压成正比，或与漏
极电流ID的平方根成正比。 若漏极电流ID恒定时，则跨导与过驱动电压成反比，而与KN的平方根成正比。 为了提高跨导，可以通过增大KN（增大宽长比，增大Cox等），也可以通过
增大ID来实现，但以增大宽长比为最有效。
饱和区MOS管的跨导与导纳
讨论2：
双极型三极管的跨导为：
，两种跨导相比可得到如下结论：
对跨于导双外极，型gm，还当与I几C确何定尺后寸，有g关m就；与双几极何型形三状极无g管m关的，跨而d导dVMI与BCOE电S管V流CE除成了C正可比通VI，CT过而IMDSO调S节管
KN IDS /(VGS Vth)2
MOS管的直流导通电阻
定义：MOS管的直流导通电阻是指漏源电压与漏源电
流之比。 饱和区：
Ron
VDS I DS
1 KN
VDS (VGS Vth ) 2
线性区：
Ron
VDS I DS
1 KN
1 2(VGS Vth ) VDS
深三极管区：
Ron