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
西安电子科技大学
18
西安电子科技大学
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
西安电子科技大学
MOS管等效于一个开关!
5
西安电子科技大学
(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
西安电子科技大学
西安电子科技大学
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
15
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
半导体物理基础 第六章 MOS
QS QB qNa xd
2 qNa xd S 2k s 0
（6-5）
和
（6-6）
6.2 理想MOS电容器
代入（6-44）式解出 x
d
Xd
kS 0 kS 0 2VG 1 C0 2 C0 C0 qkS 0 N a
2 0 12
（6-45）
C 2C 1 qN k VG C0 a S 0
6.2 理想MOS电容器
积累区（ VG <0）
MOS系统的电容C基本上等于绝缘体电容 C0。当负偏压的数值逐渐减少时，空间电 荷区积累的空穴数随之减少，并且 QS 随 C也就变小。 平带情况（ VG =0）
S
的变化也逐渐减慢， C S 变小。总电容
C FB C0
1 k 0 LD 1 k s x0
（6-1）
掌握载流子积累、耗尽和反型和强反型的概念。 正确画出流子积累、耗尽和反型和强反型四种情况的能带图。 导出反型和强反型条件
6.2 理想MOS电容器
6.2 理想MOS电容器
系统单位面积的微分电容
微分电容C与外加偏压 VG 的关系称为MOS系统的电容—电压特性。
dQM C dVG
（6-1）
S =半导体表面的电场
k0 =氧化物的相对介电常数
k S =半导体相对介电常数
xd =空间电荷区在半导体内部的边界亦即空间电荷区宽度。
外加电压 VG 为跨越氧化层的电压
V0和表面势 S 所分摊：
（6-2）
VG V0 S
6.1 理想MOS结构的表面空S结构内的电位分布
（6-22）
dV0 d s 1 dVG C dQM dQM dQM
模拟集成电路设计教学大纲
模拟集成电路设计教学大纲目录一、课程开设目的和要求2二、教学中应注意的问题2三、课程内容及学时分配2第一章模拟电路设计绪论2第二章MOS器件物理基础2第三章单级放大器3第四章差动放大器3第五章无源与有源电流镜3第六章放大器的频率特性3第八章反馈3第九章运算放大器3高级专题3四、授课学时分配4五、实践环节安排4六、教材及参考书目5课程名称：模拟集成电路设计课程编号：055515英文名称：Analog IC design课程性质：独立设课课程属性：专业限选课应开学期：第5学期学时学分：课程总学时___48,其中实验学时一-一8。
课程总学分--3学生类别：本科生适用专业：电子科学与技术专业的学生。
先修课程：电路、模拟电子技术、半导体物理、固体物理、集成电路版图设计等课程。
一、教学目的和要求CMOS模拟集成电路设计课程是电子科学与技术专业（微电子方向）的主干课程，在教学过程中可以培养学生对在先修课程中所学到的有关知识和技能的综合运用能力和CMOS模拟集成电路分析、设计能力，掌握微电子技术人员所需的基本理论和技能，为学生进一步学习硕士有关专业课程和日后从事集成电路设计工作打下基础。
二、教学中应注意的问题1、教学过程中应强调基本概念的理解，着重注意引导和培养学生的电路分析能力和设计能力2、注重使用集成电路设计工具对电路进行分析仿真设计的训练。
3、重视学生的计算能力培养。
三、教学内容第一章模拟电路设计绪论本课程讨论模拟CMOS集成电路的分析与设计，既着重基本原理，也着重于学生需要掌握的现代工业中新的范例。
掌握研究模拟电路的重要性、研究模拟集成电路以及CMOS模拟集成电路的重要性，掌握电路设计的一般概念。
第二章MOS器件物理基础重点与难点：重点在于MOS的I/V特性以及二级效应。
难点在于小信号模型和SPICE模型。
掌握MOSFET的符号和结构，MOS的I/V特性以及二级效应，掌握MOS 器件的版图、电容、小信号模型和SPICE模型，会用这些模型分析MOS电路。
MOS器件物理基础
-
1 2
VDS 2
]
ID
=
nCox
W L
(VGS
- VTH )VDS
VDS << 2(VGS - VTH )
Ron
=
nCox
1
W L
(VGS
- VTH )
等效为一个
压控电阻
饱和区的MOSFET（VDS ≥ VGS－VT）
Qd(x) WCox(VGS V(x) VTH)
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。
x=0
V =0
[ID x]0L = [nWCox ((VGS - VTH )V(x) -
ID
=
nCox
W L
[(VGS
- VTH )VDS
-
1 2
VDS 2
]
1 2
V(x)2
] VDS 0
I/V特性的推导（3）
ID
= VGnSC-oxVWTLH称[(为VG过S 驱- V动TH电)V压DS；-WL
1 2
ID
nCox
W L
[(VGS
VTH)VDS
1 2
VDS2
]
V' DS VGS VTH (Pinch off)
ID nCox W (VGS VTH)2
2L
MOSFET的I/V特性
VDS<VGS-VT
沟道电阻随VDS 增加而增加导 Triode Region
致曲线弯曲
VDS>VGS-VT
曲线开始斜 率正比于 VGS-VT
VGS>VT、VDS>VGS-VT称为饱和区
NMOS器件的阈值电压VTH
MOS器件物理(3)
无源器件
在模拟集成电路中的无源器件主要是指 电阻、电容等，精密的电阻、电容是 电阻、电容等，精密的电阻、电容是MOS模 模 拟电路设计所要求的主要基本元件，电阻或电 拟电路设计所要求的主要基本元件， 容在电路应用中最关键的是要提供精确的元件 值，但在大多数情况下，电阻或电容的绝对值 但在大多数情况下， 不如它们的比值那么重要。 不如它们的比值那么重要。
有源电阻
2）考虑衬底偏置效应 ） 如果考虑体效应，如下图（ ）所示， 如果考虑体效应，如下图（a）所示，由于衬底接地电 则有： ＝－V， ＝－V， 位，则有：V1＝－ ，Vbs＝－ ，其等效电路如下图 （b）所示。 ）所示。
（a)
(b)
有源电阻
根据KCL定理，由上图（b）可以得到： 定理，由上图（ ）可以得到： 根据 定理
有源电阻
1）漏输出，源极交流接地 ）漏输出，
VGS是固定的，当MOS管的漏源电压大于栅极的 是固定的， 管的漏源电压大于栅极的 过驱动电压时， 管工作于饱和区， 过驱动电压时，MOS管工作于饱和区，忽略沟道 管工作于饱和区 调制效应时，其阻值为无穷大， 调制效应时，其阻值为无穷大，但实际阻值应考 虑沟道调制效应，可用饱和萨氏方程求出： 虑沟道调制效应，可用饱和萨氏方程求出：
MOS管交流小信号模型 高频 管交流小信号模型---高频 管交流小信号模型
在高频应用时， 在高频应用时，MOS管的分布电容就不能 管的分布电容就不能 忽略。 忽略。即在考虑高频交流小信号工作时必须 考虑MOS管的分布电容对电路性的影响， 管的分布电容对电路性的影响， 考虑 管的分布电容对电路性的影响 所以MOS管的高频小信号等效电路可以在 管的高频小信号等效电路可以在 所以 其低频小信号等效电路的基础上加入MOS 其低频小信号等效电路的基础上加入 管的级间电容实现，如图所示。 管的级间电容实现，如图所示。
半导体物理与器件-第十章-MOSFET基础(1)(MOS结构-CV特性)
11.2.2反型状态(高频)
加较大的正栅压，使反型层电荷出现，但栅 压变化较快，反型层电荷跟不上栅压的变化， 只有耗尽层电容对C有贡献。此时，耗尽层宽 度乃至耗尽层电容基本不随栅压变化而变化。
C' (inv)
C' (dep)min
tox
ox ox
tox
xdT
f 5 ~ 100Hz
f ~ 1MHz
强反型状态(低频)
加大的正栅压且栅压变化较慢，反型层 电荷跟得上栅压的变化
C' (inv)
Cox
ox
tox
平带 本征
41
10.2 C-V特性
n型与p型的比较
负偏栅压时为堆积模式， 正偏栅压时为反型模式。
p型衬底MOS结构
n型衬底MOS结构
正偏栅压时为堆积模式， 负偏栅压时为反型模式。
42
10.2 C-V特性
Cox
Cox
＋2 fp
ms
| Q'SD max | Cox
VFB＋2 fp
|QSDmax|=e Na xdT
f (半导体掺杂浓度,氧化层电荷,平带电压,栅氧化层电容）27
10.1 MOS电容 阈值电压:与掺杂/氧化层电荷的关系
P型衬底MOS结构
Q′ss越大，则VTN的绝对值 越大； Na 越高，则VTN的值（带符 号）越大。
栅压频率的影响
43
小节内容
理想情况CV特性
CV特性概念 堆积平带耗尽反型下的概念 堆积平带耗尽反型下的计算
频率特性
高低频情况图形及解释
44
10.2.3固定栅氧化层电荷和界面电荷效应
对MOS的C-V的影响主要有两种： （1）固定栅氧化层电荷 （2）氧化层-半导体界面电荷
CMOS模拟集成电路设计ch2器件物理 共42页
ID =0
6
2. 线性区 triode or linear region
当 V G S V T H ,且 V D S V G S V T H 时 MOSFET 处于线性区
7
Derivation of I/V Characteristics
I Qd v Q d W o(V x C G S V T)H Q d ( x ) W o ( V x G C V S ( x ) V T )H
1
ID
2L
25
亚阈值导电性（弱反型）
在初步分析MOSFET的时候，我们假设当VGS < VTH时， 器件会突然关断，即ID会立即减小到零；但实际上当VGS 略小于VTH 时，有一个“弱”的反型层存在，ID大小随
VGS下降存在一个“过程”，与VGS呈指数关系：
26
2.4 MOS器件电容
分析高频交流特性时 必须考虑寄生电容的影响 根据物理结构，可以把 MOSFET的寄生电容分为：
模拟CMOS集成电路设计
第 2 章 MOS器件物理基础
2.1 基本概念
漏（D: drain）、 栅（G: gate）、
G
源（S: source）、衬底（B: bulk）
S
MOSFET：一个低功耗、高效率的开关
D
2
MOS符号
模拟电路中常用符号
数字电路中常用
MOSFET是一个四端器件
3
2.2 MOS的I/V特性
2. 右图中MOSFET的过饱和电压是多少？管子处于什么工 作区？
R
Vb=1V
Vds=0.5V
40
3. 如图所示，Vin随时间线性增加。在不考虑沟调效应，需考 虑体效应的前提下，画出Vout随时间的曲线。
模拟CMOS
21()ds on ds n gs thV R I K V V ==-12()ds on ds n gs th V R I K V V ==-12()ds on dsn gs th dsVR I K V V V ==--第二章：MOS 器件物理1．概念：熟悉增强型NMOS 管的工作原理，画出NMOS 输出特性曲线并指出线性区和饱和区NMOS 漏电流随V GS 的变化曲线：当Vgs 小于Vth 时，NMOS 管截止；当Vgs 大于Vth 时，在NMOS管漏极和源极间形成反型层，即导电沟道。
这时在Vds 的正向电压的作用下，NMOS 管漏极和源极间有电流产生。
当Vds<Vgs-Vth 时, NMOS 管工作在线性区;当Vds ≧Vgs-Vth 时, NMOS 管工作在饱和区。
画出NMOS 截止区，线性区和饱和区的实际物理结构图：2．直流导通电阻：⑴ 线性区的直流导通电阻（Vgs>Vth, Vds<Vgs-Vth ）:⑵ 深线性区的直流导通电阻（Vgs>Vth, Vds<<2(Vgs-Vth ）:⑶ 饱和区的直流导通电阻 （Vgs>Vth, Vds ≧Vgs-Vth ）:3．衬底效应：由于V bs 不为0而引起阈值电压的变化的效应。
)|2||2|(0f BS f th th V V V Φ--Φ+=γ4．沟道调制效应：在MOS 管工作于饱和状态时，MOS 管的导电沟道会发生夹断，且夹断点的位置随栅漏间的电压差的增加而向源极移动，既有效沟道、长度实际上是Vds 的函数。
这一效应称为“沟道调制效应”。
21()(1)2n ox gs th ds W Id C V V V L μλ≈-+ ， 211()ds o ds n gs th d V r I K V V I λλ∂===∂- 5．亚阈值效应：当MOS 管的Vgs 略小于Vth 时，在实际中MOS 管已开始导通，仍会在MOS 管的导电沟道产生一个弱反型层，从而产生由漏极向源极的电流，该现象称为NMOS 管的亚阈值效应，且Id 与Vgs 呈指数关系。
MOS器件物理基础考点
例：求下列电路的低频小信号输出电阻(γ＝0)
VX = (IX - gmVgs )r0 = (I X - gmVX )r0
(1 + gmr0 )VX = I X r0
r0 VX 1 Rin = = IX (1 + g m r0 ) gm
例：求下列电路的低频小信号输出电阻(γ＝0)
Vgs = VX - I X RD VX = (I X - g mVgs )r0 + I X RD
对于图(c)
、 (b)
VX R D + r0 RD 1 = + IX (g + g ) 1 1+(g m + g mb )r0 (g m + g mb )r0 g m + g mb m mb r0
1
RD r0
MOS二极管连接负载的共源极
Rin=[1/(gm2+gmb2)]//r02
NMOS负载时，λ≠0，γ≠0
Gm RDVin Av Gm RD
负载电阻
g mRD RD Av 1 g mRS 1/gm R S
从源级看进去的阻抗 源级反馈电阻
Rin= 1/gm2
• 注意到 M2 连接为二极管， 故其小信号等效电阻 为 1/gm2。 • 于是，AV=-RD/(1/gm1+1/gm2)
Vgs = -VX
VX = (IX + gmVgs )r0 + IX RD (IX - gmVX )r0 + I X RD
r0 + RD VX 1 RD Rin = = IX 1 + g mr0 g m g mr0
小信号电阻总结（γ＝0）
对于图（A）： Rin 1 / gm 对于图（B）： Rin
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
模拟cmos集成电路设计(拉扎维)第2章MOS器件物理基础
电流近似只 于W/L和VGS 有关， 不随 VDS变化
22
I/V特性—当VDS>VGS-VTH时
用作电流源或电流沉（current sink）
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
23
I/V特性—PMOS管
定义从D流 向S为正
PMOS管电流驱动能力比NMOS管差 0.8 m nwell：p=250cm2/V-s, n=550cm2/V-s
US Patent：5998777 V-I转换电路
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
33
沟道长度调制效应
L
L’
L' L L
1/ L' 1 (1 L / L) L
假设： L / L与VDS是线性关系
1/ L' 1 (1 VDS), VDS L / L 短沟道MOS管时该近似
10
MOS管的符号
？ 电流方向
四端器件
省掉B端
数字电路用
AIC设计中一般 应采用该符号？
在Cadence
analogLib库
中，当B、S端短接时
需明确体端连接
只需区别 开MOS管 类型即可
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
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
MOS器件物理--转移特性曲线
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：
• 对于双极型，当IC确定后，gm就与几何形状无 关，而MOS管除了可通过IDS调节跨导外，gm还 与几何尺寸有关；双极型三极管的跨导与电流
成正比，而MOS管的跨导与成正比，所以在同
样工作电流情况下，MOS管的跨导要比双极型
• 即有：
• 所以KN即为转移特性曲线的斜率。
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：
• 线性区：
• 深三极管区：
MOS管的最高工作频率
• 定义：当栅源间输入交流信号时，由源极 增加（减小）流入的电子流，一部分通过 沟道对电容充（放）电，一部分经过沟道 流向漏极，形成漏源电流的增量，当变化 的电流全部用于对沟道电容充放电时， MOS管就失去了放大能力，因此MOS管的 最高工作频率定义为：对栅输入电容的充 放电电流和漏源交流电流值相等时所对应 的工作频率。
沟道调制效应
• 不考虑沟道调制效应时，MOS管工作于饱和区 时的漏源之间的交流电阻为无穷大，是一理想的 电流源。
• 考虑沟道调制效应后，由于漏电流随漏源电压变 化而变化，其值为一有限值。这个电流源的电流 值与其电压成线性关系，
可以等效为一个连接在
漏源之间的线性电阻，
这个电阻值为：
沟道调制效应
• 一般ro也称为MOS管的输出阻抗，它会限制大部分放 大器的最大电压增益，影响模拟电路的性能。
开启电压
• 注意
，Vth0为无衬偏时的开启电压，
而 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
第3章-MOS集成电路器件基础
第三章 MOS集成电路器件基础
PMOS在截止区、 线性区、 恒流区的电流方程如 式(3 - 5)所示：
|UGS|<|UTHP| (3-5a)
0
(截止区)
I DP
PCox W [2(U
2 L
pCox 2
W L
U
GS
GS UTHP
UTHP 2 (1
)U DS
U
2 DS
(3-5b) ]|UDS|<|UGS|-|UTHP|
第三章 MOS集成电路器件基础
G 多晶硅 D
S
氧化 层
W
N＋ P型 衬 底
Leff
N＋
Ldra wn
LD
图3 - 1 NMOS管的简化结构
第三章 MOS集成电路器件基础
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3 - 2(a)、 (b)所示。
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。
第三章 MOS集成电路器件基础
UDD
G2
V2
B2 S2
G1
V1
S1
B1
图3-10 UBS<的MOS 管（V2）
第三章 MOS集成电路器件基础
源区(N＋ )
反型层 源区(N＋ )
电流
MOS器件物理
有源器件－MOS管
MOS管的工作原理及表示符号（5）
NMOS D G S B G S PMOS D B G S NMOS D G D PMOS S G S NMOS D G S PMOS D G S NMOS D G D PMOS S
MOS管的高频小信号电容
MOS管的电容（1）
G S
Cbs
d
C1
的交叠电容记为Col）：
包括栅源交叠电容C1＝WdCol与栅漏交叠电容C4=WdCol： 由于是环状的电场线， C1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。
MOS管的高频小信号电容
MOS管的电容（3）：
源漏区与衬底间的结电容：Cbd、Cbs
即为漏源对衬底的PN结势垒电容，这种电容一般由两部分组成：一个 是垂直方向（即源漏区的底部与衬底间）的底层电容Cj，另一个是横 向即源漏的四周与衬底间构成的圆周电容Cjs，因为不同三极管的几何 尺寸会产生不同的源漏区面积和圆周尺寸值，一般分别定义Cj与Cjs为 单位面积的电容与单位长度的电容。而每一个单位面积PN结的势垒电 容为：
也存在导电沟道。
这两类MOS管的基本工作原理一致，都是利用 栅源电压的大小来改变半导体表面感生电荷的 多少，从而控制漏极电流的大小 。
有源器件－MOS管
MOS管的工作原理及表示符号（2）：
当栅源电压VGS=0时，源区（n＋型）、衬底（p型）和漏区（n＋型）
形成两个背靠背的PN结，不管VDS的极性如何，其中总有一个PN结 是反偏的，所以源漏之间的电阻主要为PN结的反偏电阻，基本上无 电流流过，即漏电流ID为0，此时漏源之间的电阻很大，没有形成导 电沟道。 当栅源之间加上正向电压，则栅极和p型硅片之间构成了以二氧化硅 为介质的平板电容器，在正的栅源电压作用下，介质中便产生了一 个垂直于半导体表面的由栅极指向p型衬底的电场（由于绝缘层很薄， 即使只有几伏的栅源电压VGS，也可产生高达105~106V/cm数量 级的强电场），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），
MOS器件物理(2)
W 1 2 I D = µ n C ox (VGS − Vth )V DS − V DS L 2 2 = K N 2(VGS − Vth )V DS − V DS
[
]
VGS－Vth：MOS管的“过驱动电压” 管的“ 管的 过驱动电压” L：指沟道的有效长度 ： W/L称为宽长比 称为宽长比 1 W K N = µ n C ox 称为NMOS管的导电因子 ，称为 管的导电因子 2 L ID的值取决于工艺参数：µnCox、器件尺寸 和L、VDS及VGS。 的值取决于工艺参数： 器件尺寸W和 、
MOS管的最高工作频率 管的最高工作频率 管的
gm ω m Cv g = g m v g ⇒ f m = 2πC C表示栅极输入电容，该电容正比于 表示栅极输入电容， 表示栅极输入电容 该电容正比于WLCox 。
µn fm ∝ (VGS − Vth ) 2 2πL
MOS管的最高工作频率与沟道长度的平方成 管的最高工作频率与沟道长度的平方成 反比，因此，减小MOS管的沟道长度就能很 反比，因此，减小 管的沟道长度就能很 显著地提高工作频率 。
器件物理(续 第二讲 MOS器件物理 续) 器件物理
MOS管的电特性 管的电特性
主要指： 主要指： 阈值电压 I/V特性 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） 管的电特性 阈值电压（ ）
在漏源电压的作用下刚开始有电流产生时的V 为阈值电压V 在漏源电压的作用下刚开始有电流产生时的 G为阈值电压 th ：
∆I DS gd = ∆VDS
VGS ,VSB =C
MOS管的最高工作频率 管的最高工作频率 管的
定义：当栅源间输入交流信号时， 定义：当栅源间输入交流信号时，由源极增 减小）流入的电子流， 加（减小）流入的电子流，一部分通过沟道 对电容充（ 对电容充（放）电，一部分经过沟道流向漏 形成漏源电流的增量， 极，形成漏源电流的增量，当变化的电流全 部用于对沟道电容充放电时， 部用于对沟道电容充放电时，MOS管就失去 管就失去 了放大能力，因此MOS管的最高工作频率定 了放大能力，因此 管的最高工作频率定 义为： 义为：对栅输入电容的充放电电流和漏源交 流电流值相等时所对应的工作频率。 流电流值相等时所对应的工作频率。
MOS管知识
MOS管知识MOS管知识-一文彻底区分MOS NMOS PMOS CMOS(从原理的视角)从原理的视角，一文彻底区分MOS NMOS PMOS CMOS，详细请查看下文。
mos管学名是场效应管，是金属-氧化物-半导体型场效应管，属于绝缘栅型，MOS又分N型、P型MOS管。
（一）由基础说起半导体的基础材料是硅晶体，硅这种材料，在化学元素周期表里是四族元素，硅从微观上看每个原子最外层有4个电子，我们知道，外层4个电子的物质处于稳定状态。
硅晶体里，两个电子结合形成更为稳定的共价键。
当然这种共价键并不是牢不可破的，在绝对0度以上，总会有少数的电子摆脱共价键的束缚在晶格里游荡，会表现出很小的导电性，半导体的名字就这么来了。
如果硅晶体里掺入了三族元素，比如硼，会是什么状况的呢？三族元素最外层3个电子，跟硅结合的时候，共价键上就会缺一个电子，我们叫它空穴。
由于电子的热力学运动，某个共价键上的电子可能摆脱束缚移动到空穴位置上来，宏观上看好像是空穴产生了移动，由于空穴表现正电荷，空穴的英文称为positive holes，这种半导体就称之为P型半导体。
同样，在硅晶体里掺杂五族元素后，共价键上就会多出一个电子，这个电子可以在半导体内自由移动，形成导电的电子，即negative electrons。
掺杂五族元素的半导体称为N型半导体。
我们从宏观上看，N型半导体里面有很多可以导电的电子。
P型半导体里面有很多不可移动的空穴。
此处特别强调不可移动，我们说空穴的移动，实际上是其它位置的电子填充了空穴的位置，看上去像是空穴在移动。
N型半导体和P型半导体宏观上看都是不带电的！正负电荷量相等。
（二）MOS假如我们把P型半导体放在一个电场中会有什么现象呢？根据最基本的物理知识，同电荷排斥，异电荷相吸，电场中的P型半导体如下图所见。
左右两侧为电极板，电子会被吸引到正电极测，空穴被吸引到负电极测。
这里正负只是普通的物理定义，其实在电路中，严格的说法应该是高电平测、低电平测。
MOS基础和选型学习资料
目次1 MOS基础知识和分类 (2)1.1 N沟道增强型MOS管 (2)1.1.1 N沟道增强型MOS管的结构 (2)1.1.2 N沟道增强型MOS管的工作原理 (2)1.1.3 N沟道增强型MOS管的特性曲线、电流方程及参数 (3)1.2 N沟道耗尽型MOS管 (3)1.2.1 N沟道耗尽型MOS管的结构 (3)1.2.2 与N沟道增强型MOS管的区别 (4)1.3 P沟道MOS管 (5)1.3.1 P沟道MOS管与N沟道MOS管的区别 (5)1.3.2 P沟道MOS管特性比较 (5)2 MOS选型 (5)2.1 首先确定选用N MOS还是P MOS (6)2.1.1 MOS做低频物理开关 (6)2.1.2 MOS做高频开关 (6)2.2 确定主要参数 (7)2.2.1 确定Vds (7)2.2.2 确定Id (7)2.2.3 预估MOS的功耗，大致确定MOS的温升 (7)2.2.4 MOS的寄生参数 (8)MOS基础和选型1 MOS基础知识和分类1.1 N沟道增强型MOS管1.1.1 N沟道增强型MOS管的结构图 1.1 结构示意图在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极d和源极s。
然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏——源极间的绝缘层上再装上一个铝电极,作为栅极g。
图(a)、(b)分别是它的结构示意图和代表符号。
代表符号中的箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。
P沟道增强型MOS管的箭头方向与上述相反，如图(c)所示。
1.1.2 N沟道增强型MOS管的工作原理vGS对iD及沟道的控制作用a)vGS=0 的情况从图 1.1 (a)可以看出，增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结。
当栅——源电压vGS=0时，即使加上漏——源电压vDS，而且不论vDS的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，漏——源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流iD≈0。
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(2.3)
式中Cox为栅极单位面积电容，WCox为单位长度栅电容.
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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
iD
I
DO
uGS U GS ( th )
1
， 其 中 ，I DO是uGS
2UGS
(
th
时
)
的i
。
D
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FET放大电路的动态分析
一、FET的低频小信号等效模型
iD f uGS , uDS
令
iD uGS
U DS
gm
iD uDS
UGS
1 rds
diD
iD uGS
U DS
duGS
Ldrawn (L): gate length(layout gate length) Leff: effective gate length LD:S/D side diffusion length W/L: aspect ratio
S,D,G,B: source,drain,gate,body(bulk)
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耗尽区电荷
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PMOS器件的导通:与NFETS类似,极性相反.
VTHms2F来自Qdep CoxF
KT q
ln
N sub
ni
Qdep 4q si F N sub
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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
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
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1
绝缘栅型场效应管
Insulated Gate Field Effect Transistor MOS管：Metal Oxide Semiconductor
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。
I Qd * v
(2.2)
量纲 C m * m s A
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● 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 )
I DO I DQ
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gm与rds的求法
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二、基本共源放大电路的动态分析
A u
U o U i
Id Rd U gs
gmU gs Rd U gs
gm Rd
Ri
Ro Rd
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2.1 MOSFET的基本概念
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？
iD uDS
du UGS
DS
1 Id gmU gs rds U ds
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gm与rds的求法
gm
iD uGS
U DS
2 I DO U GS ( th )
uGS UGS(th)
1
U DS
2 U GS ( th )
I DOiD
小 信 号 作 用 时 ，iD I DQ .
2 gm UGS(th)
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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
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图2.2 PMOS FET结构简图
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图2.3 CMOS FET的结构简图
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2. MOS FET结构尺寸的通用概念
W: gate width
●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。
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(b) VGS>0
(c)
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●（d）当VG继续增加，界面电 势达到一定值时，就有电子从源
② uDS 0, uGS 0
栅极聚集正电荷 排斥衬底空穴 剩下负离子区 耗尽层
③ uDS 0, uGS
耗尽层加厚 uGS 增加 吸引自由电子 反型层
++++++
++++++++++++
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开启电压 UGS(th)：沟道形成的栅－源电压。 4
(2) uGS UGS(th)时uDS 对 iD 的影响.
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”－VTH .
VTH
ms
2F
Qdep Cox
ms F (sub) F ( gate)
(2.1)
(d) 功函数差
F
KT
q
ln N sub
ni
费米势,MOS强反型时的 表面势为费米势的2倍
Qdep 4q si F N sub
① uDS uGS UGS(th) ② uDS uGS UGS(th) ③ uDS uGS UGS(th)
uDS iD 线性增大
沟道从s-d逐渐变窄
uDS uGD UGS(th) uDS 夹断区延长
沟道预夹断
iD 几乎不变 恒流区
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3. 特性曲线与电流方程
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3. MOS FET 的四种电路符号
NMOS D
PMOS S
G
BG
B
S
D
(d)
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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
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●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;
MOSFET 绝缘栅型
增强型(常闭型) 耗尽型(常开型)
N沟道 P沟道 N沟道 P沟道
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1. 结构
N沟道增强型MOSFET
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2. 工作原理 (1) uDS 0时uGS 对导电沟道的影响.
① uGS 0 漏源为背对的PN结 无导电沟道 即使 uDS 0, iD 0