第二章基本MOS元件物理 ppt课件
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第2章MOS器件物理基础
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
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
❖ 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概述及应用PPT课件
与MOS相关的控制器问题
*
（5）、控制器中的MOS经常“坏掉”，到底是什么原因？ 1. 控制器温度过高，将功率管“烧”坏，打开控制器可以看到功率管上面的塑封体被烧化了.这主要是控制器长期在大电流下运行造成的，可能是MOS与散热片上的螺丝未拧紧导致散热不良。连接MOS的螺丝和塑料粒子也容易变形烧坏，可以在塑料粒子和螺丝之间再垫上金属平垫片和弹簧垫片，保证塑料粒子被压紧，同时散热性能也会好点。 2.另外，控制器软件和硬件保护做的又不到位，还有驱动电路与功率管不匹配都会导致这种问题。建议客户将样品寄给我们，以便匹配； 3. 电机本身设计的不好。这点从相对地波形容易看出。如果相对地波形不是梯形波，而是有明显的电压突变现象，就会使dV/dt过大，也会导致MOS管易坏，这点建议电机厂修改电机。
*
垂直导电MOSFET
根据栅氧槽形状，可分成VMOS、UMOS、TMOS、DMOS等
*
1001M导电结构
1001纵向剖面图
*
MOS主要应用范围
高压MOS： 1、 PC电源：2N60、4N60、10N60 2、节能灯：830（5A500V）、840（8A500V）、 3、 电子镇流器：830、840、5N50； 4、 充电器、笔记本适配器：1N60、2N60、4N60、5N60、6N60、7N60、8N60、10N60； 低压MOS： 5、 电动工具：60N06、； 6、 电动车： 1001、1808 ； 7、 锂电池保护：8205； 8、 UPS：1001、1707；
MOS动态参数
*
MOS参数中英文对照表
*
MOS动态参数
gfs---正向跨导 。表示栅源电压UGS — 对漏极电流ID的控制能力，即漏极电流ID变化量与栅源电压UGS变化量的比值. dv/dt---电压上升率（控制器电路参数） 由于MOSFET的封装电感和线路的杂散电感的存在，在MOSFET反向恢复电流Irr突然关断时，MOSFET上的电压Vds会出现振铃，导致Vds超过MOSFET的BVDSS从而发生雪崩现象。 若MOSFET的米勒电容Cgd 偏大的同时且VTH又偏小，则MOSFET在关闭的瞬间，将在GS端感应出电压（与dv/dt、Cgd、Cgs、RG相关），若该电压大于VTH，则将导致Cdv/dt感应导通。
*
（5）、控制器中的MOS经常“坏掉”，到底是什么原因？ 1. 控制器温度过高，将功率管“烧”坏，打开控制器可以看到功率管上面的塑封体被烧化了.这主要是控制器长期在大电流下运行造成的，可能是MOS与散热片上的螺丝未拧紧导致散热不良。连接MOS的螺丝和塑料粒子也容易变形烧坏，可以在塑料粒子和螺丝之间再垫上金属平垫片和弹簧垫片，保证塑料粒子被压紧，同时散热性能也会好点。 2.另外，控制器软件和硬件保护做的又不到位，还有驱动电路与功率管不匹配都会导致这种问题。建议客户将样品寄给我们，以便匹配； 3. 电机本身设计的不好。这点从相对地波形容易看出。如果相对地波形不是梯形波，而是有明显的电压突变现象，就会使dV/dt过大，也会导致MOS管易坏，这点建议电机厂修改电机。
*
垂直导电MOSFET
根据栅氧槽形状，可分成VMOS、UMOS、TMOS、DMOS等
*
1001M导电结构
1001纵向剖面图
*
MOS主要应用范围
高压MOS： 1、 PC电源：2N60、4N60、10N60 2、节能灯：830（5A500V）、840（8A500V）、 3、 电子镇流器：830、840、5N50； 4、 充电器、笔记本适配器：1N60、2N60、4N60、5N60、6N60、7N60、8N60、10N60； 低压MOS： 5、 电动工具：60N06、； 6、 电动车： 1001、1808 ； 7、 锂电池保护：8205； 8、 UPS：1001、1707；
MOS动态参数
*
MOS参数中英文对照表
*
MOS动态参数
gfs---正向跨导 。表示栅源电压UGS — 对漏极电流ID的控制能力，即漏极电流ID变化量与栅源电压UGS变化量的比值. dv/dt---电压上升率（控制器电路参数） 由于MOSFET的封装电感和线路的杂散电感的存在，在MOSFET反向恢复电流Irr突然关断时，MOSFET上的电压Vds会出现振铃，导致Vds超过MOSFET的BVDSS从而发生雪崩现象。 若MOSFET的米勒电容Cgd 偏大的同时且VTH又偏小，则MOSFET在关闭的瞬间，将在GS端感应出电压（与dv/dt、Cgd、Cgs、RG相关），若该电压大于VTH，则将导致Cdv/dt感应导通。
模拟cmos集成电路设计拉扎维MOS器件物理基础PPT课件
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/Vs 0.5 m nwell：p=100cm2/V-s, n=350cm2/V-
第23页/共61页
跨导gm
VGS对IDS的控制能力 IDS对VGS变化的灵敏度
gm ID VGS VDS cons tant
• 直流关系式－I/V特性 • 交流关系式－小信号电路中的参数
第6页/共61页
MOS管简化模型
简化模型——开关 由VG控制的一个开关
第7页/共61页
MOS管的结构
Bulk（body）
源漏在物理结构上是完全对称的，靠什么区分开？
提供载流子的端口为源，收集载流子的端口为漏
最重要的工作区域？
受VG控制的沟道区
• 小信号模型 • 信号相对于偏置工作点而言比较小、不会显著影响偏置工作点时用该模型简化计算 • 由gm、 gmb、rO等构成低频小信号模型，高频时还需加上 CGS等寄生电容、寄生电阻（接触孔电阻、 导电层电阻等）
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
第12页/共61页
阈值电压
0 栅与衬底功函数差
COX
OX
TOX
常通过沟道注入把VTH0调节到合适值 工艺确定后，VTH0就固定了，设计者无法改变
第13页/共61页
I/V特性－沟道随VDS的变化
第3页/共61页
掌握器件物理知识的必要性
• 数字电路设计师一般不需要进入器件内部，只把它当开关用即可 • AIC设计师必须进入器件内部，具备器件物理知识
• MOS管是AIC的基本元件 • MOS管的电特性与器件内部的物理机制密切相关，设计时需将两者结
第23页/共61页
跨导gm
VGS对IDS的控制能力 IDS对VGS变化的灵敏度
gm ID VGS VDS cons tant
• 直流关系式－I/V特性 • 交流关系式－小信号电路中的参数
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MOS管简化模型
简化模型——开关 由VG控制的一个开关
第7页/共61页
MOS管的结构
Bulk（body）
源漏在物理结构上是完全对称的，靠什么区分开？
提供载流子的端口为源，收集载流子的端口为漏
最重要的工作区域？
受VG控制的沟道区
• 小信号模型 • 信号相对于偏置工作点而言比较小、不会显著影响偏置工作点时用该模型简化计算 • 由gm、 gmb、rO等构成低频小信号模型，高频时还需加上 CGS等寄生电容、寄生电阻（接触孔电阻、 导电层电阻等）
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
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阈值电压
0 栅与衬底功函数差
COX
OX
TOX
常通过沟道注入把VTH0调节到合适值 工艺确定后，VTH0就固定了，设计者无法改变
第13页/共61页
I/V特性－沟道随VDS的变化
第3页/共61页
掌握器件物理知识的必要性
• 数字电路设计师一般不需要进入器件内部，只把它当开关用即可 • AIC设计师必须进入器件内部，具备器件物理知识
• MOS管是AIC的基本元件 • MOS管的电特性与器件内部的物理机制密切相关，设计时需将两者结
CMOS课件
2-22
模拟CMOS集成电路设计
在漏源电压作用下开 始导电时（即产生iD） 的栅源电压为开启电
压VT
VGS<VTN时（ VTN 称为开启电压)
0＜VGS＜VTN时，SiO2中产生一垂直于表面的电场，P型表 面上感应出现许多电子，但电子数量有限,不能形成沟道。
2-23
模拟CMOS集成电路设计
在栅极下方形成的 导电沟道中的电子 ，因与P型半导体的 多数载流子空穴极 性相反，故称为反 型层。
2-16
模拟CMOS集成电路设计
栅就是氧化物层
2-17
模拟CMOS集成电路设计
2-18
模拟CMOS集成电路设计
改变阈值电压的方法
• 往用离子注入技术改变沟道区的掺杂浓度，从 而改变阈值电压。
• 对NMOS晶体管而言，注入P型杂质，将使阈 值电压增加。反之，注入N型杂质将使阈值电 压降低。
• 如果注入剂量足够大，可使器件沟道区反型变 成N型的。这时，要在栅上加负电压，才能减 少沟道中电子浓度，或消除沟道，使器件截止。 在这种情况下，阈值电压变成负的电压，称其 为夹断电压。
216金属接负电荷后在金属面堆积负电荷氧化物是没有电荷绝缘层p型半导体中可以感应到正电荷p型半导体主要的载流子是空穴所以堆积空穴当金属接正电荷后在金属层堆积空穴则会排斥p型半导体上的空穴形成宽度为xd的耗尽层耗尽层区没有自由电子和空当vg不断升高时会有越来越多的空穴堆积他不仅把p型半导体中的空穴推得越来越远还会把p型半导体中的少子电子吸引到非常薄的层面紧紧贴到氧化物这层形成反型217栅就是氧化物层218219改变阈值电压的方法往用离子注入技术改变沟道区的掺杂浓度从而改变阈值电压
2-28
模拟CMOS集成电路设计
MOS的伏安特性
模拟CMOS集成电路设计
在漏源电压作用下开 始导电时（即产生iD） 的栅源电压为开启电
压VT
VGS<VTN时（ VTN 称为开启电压)
0＜VGS＜VTN时，SiO2中产生一垂直于表面的电场，P型表 面上感应出现许多电子，但电子数量有限,不能形成沟道。
2-23
模拟CMOS集成电路设计
在栅极下方形成的 导电沟道中的电子 ，因与P型半导体的 多数载流子空穴极 性相反，故称为反 型层。
2-16
模拟CMOS集成电路设计
栅就是氧化物层
2-17
模拟CMOS集成电路设计
2-18
模拟CMOS集成电路设计
改变阈值电压的方法
• 往用离子注入技术改变沟道区的掺杂浓度，从 而改变阈值电压。
• 对NMOS晶体管而言，注入P型杂质，将使阈 值电压增加。反之，注入N型杂质将使阈值电 压降低。
• 如果注入剂量足够大，可使器件沟道区反型变 成N型的。这时，要在栅上加负电压，才能减 少沟道中电子浓度，或消除沟道，使器件截止。 在这种情况下，阈值电压变成负的电压，称其 为夹断电压。
216金属接负电荷后在金属面堆积负电荷氧化物是没有电荷绝缘层p型半导体中可以感应到正电荷p型半导体主要的载流子是空穴所以堆积空穴当金属接正电荷后在金属层堆积空穴则会排斥p型半导体上的空穴形成宽度为xd的耗尽层耗尽层区没有自由电子和空当vg不断升高时会有越来越多的空穴堆积他不仅把p型半导体中的空穴推得越来越远还会把p型半导体中的少子电子吸引到非常薄的层面紧紧贴到氧化物这层形成反型217栅就是氧化物层218219改变阈值电压的方法往用离子注入技术改变沟道区的掺杂浓度从而改变阈值电压
2-28
模拟CMOS集成电路设计
MOS的伏安特性
硕士第二章 MOS器件物理基础
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 D gm = VGS
MOSFET的跨导gm
VDS=const
W = μnCox (VGS - VTH ) L
W g m = 2μnCox 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
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
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
MOS器件物理(2)
饱和区MOS管的跨导与导纳
讨论2：
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
dI C 双极型三极管的跨导为： g m dV BE
VCE C
IC VT
，
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 要比双极型三极管的跨导小。
MOS管的电特性－输出特性（I/V特性）
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：
W 1 2 I D n C ox (VGS Vth )V DS 2 V DS L 2 K N 2(VGS Vth )V DS V DS
漏极电流随栅源电压的变化率，即：
I D gm VGS 2 K N VGS Vth
VDS C
2I D 2 KN ID 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。
I D 2 K 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： VDS 1 Ron ID 2 K N VGS Vth
《mos管工作原理》ppt课件
数字电路
用于逻辑电路、时序电路等。
其他应用
如LED驱动、传感器等。
02
Mos管的结构与原理
Mos管的内部结构
金属层
作为导电通道，提供良好 的电导性。
氧化层
作为绝缘层，隔离金属层 和其他部分。
半导体层
作为电流控制开关，通过 调节电压来控制电流的通 断。
Mos管的电路符号
箭头表示开关状态
箭头朝上表示开关导通，箭头朝下表示开关断开。
03
Mos管的特性与参数
Mos管的直流特性
开启电压
Mos管在导通之前需要达到 一定的电压才能开启。
导通电阻
Mos管导通后，有一定电阻值， 影响电流的流通。
截止电压
当Mos管两端电压小于某一特定值 时，管子处于关断状态。
Mos管的频率特性
频率响应
Mos管在高频信号下的响应能 力，受到寄生参数和电容的影
它由金属、氧化物和半导体材料制成，具有极高的电路集成 度和可靠性。
Mos管的分类
01
02
03
按开关速度分类
分为高速型和低速型两类 。
按工作方式分类
分为N沟道和P沟道两类 。
按结构形式分类
分为单极型、双极型和互 补型三类。
Mos管的应用场景
电源电路
用于开关电源、DC/DC转换器等。
模拟电路
用于放大器、振荡器等。
THANKS
感谢观看
集成元件控制电路
02
使用集成元件（如运算放大器、比较器等）构成开关控制电路
。
数字信号控制电路
03
使用数字信号（如TTL、CMOS等）构成开关控制电路。
Mos管的保护电路
过电压保护电路
MOS管原理ppt课件
P沟道，由D极指向S极。
11
电路符号
S极 G极
D极 S极 G极
N沟道
上面方法不太好记， 一个简单的识别方法是：
（想像DS边的三节断续线是连通的）
P沟道
不论N沟道还是P沟道MOS管， 中间衬底箭头方向和寄生二极管的箭 头方向总是一致的：
要么都由S指向D， 要么都由D指向S。
D极
12
电路符号
4 它能干吗用呢？
++169VV G极
截止条件：
导通
UG=US=19V。
D极 +01V9V
导通条件： UG比US小10V以上， UG=US-13V=6V。
24
电路符号
隔离作用：
如果我们想实现线路上电流的单向流通， 比如只让电流由A-B，阻止由B-A 请问可以怎么做？
A
B
方法1：加入一个二级管
A
B
25
电路符号
方法2：加入MOS管
回顾前面的例子，你找到它们的规律了吗？
小提示： MOS管中的寄生二极管方向是关键。
17
电路符号
小结：“MOS管用作开关时在电路中的连接方法”
NMOS管：
D极接输入； S极接输出。
PMOS管：
S极接输入； D极接输出。
输出端
S极
G极
N沟道
输入端
S极
G极
P沟道
D极
输入端
导通时
D极
输出端
导通时
18
电路符号
30
电路符号
讨论：“不用Q2隔离，或者是Q2被击穿短路时大电流的原因”
电池电压一般是在12V以下，我们就将其看作12V。19V电 源呢，我们也可以当作一个大电池，那么一个19V的电池和一 个12V的电池如下相连，导线中电流会是多少呢？
11
电路符号
S极 G极
D极 S极 G极
N沟道
上面方法不太好记， 一个简单的识别方法是：
（想像DS边的三节断续线是连通的）
P沟道
不论N沟道还是P沟道MOS管， 中间衬底箭头方向和寄生二极管的箭 头方向总是一致的：
要么都由S指向D， 要么都由D指向S。
D极
12
电路符号
4 它能干吗用呢？
++169VV G极
截止条件：
导通
UG=US=19V。
D极 +01V9V
导通条件： UG比US小10V以上， UG=US-13V=6V。
24
电路符号
隔离作用：
如果我们想实现线路上电流的单向流通， 比如只让电流由A-B，阻止由B-A 请问可以怎么做？
A
B
方法1：加入一个二级管
A
B
25
电路符号
方法2：加入MOS管
回顾前面的例子，你找到它们的规律了吗？
小提示： MOS管中的寄生二极管方向是关键。
17
电路符号
小结：“MOS管用作开关时在电路中的连接方法”
NMOS管：
D极接输入； S极接输出。
PMOS管：
S极接输入； D极接输出。
输出端
S极
G极
N沟道
输入端
S极
G极
P沟道
D极
输入端
导通时
D极
输出端
导通时
18
电路符号
30
电路符号
讨论：“不用Q2隔离，或者是Q2被击穿短路时大电流的原因”
电池电压一般是在12V以下，我们就将其看作12V。19V电 源呢，我们也可以当作一个大电池，那么一个19V的电池和一 个12V的电池如下相连，导线中电流会是多少呢？
《MOS管教程》课件
利用两个或多个MOS管的 串并联，可以实现与逻辑 功能。
OR门
利用两个或多个MOS管的 串并联，可以实现或逻辑 功能。
NOT门
通过一个MOS管可以实现 非逻辑功能。
04
MOS管的驱动与保护
驱动电路
栅极驱动电路
提供合适的栅极电压，使MOS管正常工作。
源极驱动电路
控制源极的电压，使MOS管在正确的状态下工作。
音频放大
音频功率放大
利用MOS管的放大特性，可以用于音 频信号的功率放大，广泛应用于音响 设备中。
耳机驱动
音频信号处理
在音频信号处理电路中，MOS管可以 作为运算放大器或比较器使用，实现 音频信号的滤波、均衡等处理。
通过控制MOS管的导通和截止，可以 实现耳机的音量控制和音源切换。
数字逻辑门
AND门
漏极驱动电路
控制漏极的电流，使MOS管在合适的电流下工作。
保护电路
01
过流保护电路
当电流过大时，自动切断电源， 防止MOS管烧毁。
02
过压保护电路
03
欠压保护电路
当电压过高时，自动切断电源， 防止MOS管损坏。
当电压过低时，自动切断电源， 防止MOS管工作异常。
安全工作区
电压安全工作区
确保MOS管在正常工作电压范围内工作，避免过压或欠压。
预防措施
在电路设计时，应充分考虑导通电阻的影响，并留有一定的余量。
开关噪声
总结词
开关过程中产生的噪声
详细描述
MOS管在开关过程中会产生噪声，这种噪 声可能会对周围电路产生干扰。
解决方案
预防措施
采用低噪声的MOS管产品，并合理设计电 路布局和布线，减小电磁干扰。
OR门
利用两个或多个MOS管的 串并联，可以实现或逻辑 功能。
NOT门
通过一个MOS管可以实现 非逻辑功能。
04
MOS管的驱动与保护
驱动电路
栅极驱动电路
提供合适的栅极电压，使MOS管正常工作。
源极驱动电路
控制源极的电压，使MOS管在正确的状态下工作。
音频放大
音频功率放大
利用MOS管的放大特性，可以用于音 频信号的功率放大，广泛应用于音响 设备中。
耳机驱动
音频信号处理
在音频信号处理电路中，MOS管可以 作为运算放大器或比较器使用，实现 音频信号的滤波、均衡等处理。
通过控制MOS管的导通和截止，可以 实现耳机的音量控制和音源切换。
数字逻辑门
AND门
漏极驱动电路
控制漏极的电流，使MOS管在合适的电流下工作。
保护电路
01
过流保护电路
当电流过大时，自动切断电源， 防止MOS管烧毁。
02
过压保护电路
03
欠压保护电路
当电压过高时，自动切断电源， 防止MOS管损坏。
当电压过低时，自动切断电源， 防止MOS管工作异常。
安全工作区
电压安全工作区
确保MOS管在正常工作电压范围内工作，避免过压或欠压。
预防措施
在电路设计时，应充分考虑导通电阻的影响，并留有一定的余量。
开关噪声
总结词
开关过程中产生的噪声
详细描述
MOS管在开关过程中会产生噪声，这种噪 声可能会对周围电路产生干扰。
解决方案
预防措施
采用低噪声的MOS管产品，并合理设计电 路布局和布线，减小电磁干扰。
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。
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
tox=50 Å, Cox6.9fF/μm2(1 Å=10-10 m, 1fF= 10-15 F) ∴tox=90 Å, Cox6.9*50/90=3.83fF/μm2
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
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晶体管基础PPT课件
17
微小MOS晶体管
载流子的饱和速度引起的 Early Satutation
◙ 散乱引起速度饱和 ◙ 沟道长小于1微米时，NMOS饱和 ◙ NMOS和PMOS的饱和速度基本相同 ◙ PMOS不显著
2021/6/7
饱和早期开始
18
微小MOS晶体管
短沟道MOS晶体管电流解析式
2021/6/7
19
微小MOS晶体管
B CDB
➢寄生电容不可忽视 ➢寄生电阻与管子的导通电阻 （数十KW）相比，通常可 以忽略不计 例如：
栅极电容 CGS, CGD, CGB (各为1.0fF) 漏源电容 CDB, CSB (各为0.5fF) 栅极电阻
RG (40W) 源漏电阻 RD, RS (各1W)
MOS寄生元21 素
2021/6/7
栅极(G)
ID
漏极(D)
VD
ID
增强型（E)
ID
耗尽型(D)
VTH
VTH
2021/6/7
VG
VG
13
阈值电压的定义
饱和区外插VTH
在晶体管的漏源极加上接近电源 VDD的电压，画出VGS-IDS的关 系曲线，找出该曲线的最大斜率， 此斜率与X轴的交点定义为阈值 电压。
以漏电流为依据 定义VTH
在晶体管的漏源极加上接近电源 VDD的电压，画出VGS-Log(IDS) 的关系曲线，从该曲线中找出电 流为1微安时所对应的VGS定义为 阈值电压。
➢晶体管饱和时
栅极电容的对象主要为源极 电容值减小到2/3程度
由上可知，在饱和区，栅漏电容主要由CGDO决定， 其值大约为栅极电容的20%左右。
2021/6/7
MOS寄生元24 素
微小MOS晶体管
载流子的饱和速度引起的 Early Satutation
◙ 散乱引起速度饱和 ◙ 沟道长小于1微米时，NMOS饱和 ◙ NMOS和PMOS的饱和速度基本相同 ◙ PMOS不显著
2021/6/7
饱和早期开始
18
微小MOS晶体管
短沟道MOS晶体管电流解析式
2021/6/7
19
微小MOS晶体管
B CDB
➢寄生电容不可忽视 ➢寄生电阻与管子的导通电阻 （数十KW）相比，通常可 以忽略不计 例如：
栅极电容 CGS, CGD, CGB (各为1.0fF) 漏源电容 CDB, CSB (各为0.5fF) 栅极电阻
RG (40W) 源漏电阻 RD, RS (各1W)
MOS寄生元21 素
2021/6/7
栅极(G)
ID
漏极(D)
VD
ID
增强型（E)
ID
耗尽型(D)
VTH
VTH
2021/6/7
VG
VG
13
阈值电压的定义
饱和区外插VTH
在晶体管的漏源极加上接近电源 VDD的电压，画出VGS-IDS的关 系曲线，找出该曲线的最大斜率， 此斜率与X轴的交点定义为阈值 电压。
以漏电流为依据 定义VTH
在晶体管的漏源极加上接近电源 VDD的电压，画出VGS-Log(IDS) 的关系曲线，从该曲线中找出电 流为1微安时所对应的VGS定义为 阈值电压。
➢晶体管饱和时
栅极电容的对象主要为源极 电容值减小到2/3程度
由上可知，在饱和区，栅漏电容主要由CGDO决定， 其值大约为栅极电容的20%左右。
2021/6/7
MOS寄生元24 素
第二章-场效应管
（4）击穿区 当UDS增大到一定 程度时，iD骤然增大，
晶体管将被击穿。
2. 转移特性曲线 iD f (uGS ) u DS C
iD /mA
I DSS
5
4 3 2
iD
为保证场效 应管正常工作， PN 结 必 须 加 反 向偏置电压
式中：
uGS 2 iD I DSS (1 ) U GSoff
i D几乎不变
D G
P
P UDS
UGS
S
uGD<UGSoff（预夹断后）
图3 UDS对导电沟道的影响 若uDS继续增大， 则uGD<UGSoff，耗尽层闭合部分(即夹断区)将 加长。 UDS的增大部分几乎全部降落在夹断区，沟道两端的压降几 乎不变，使得iD几乎不变，表现出iD的恒流特性。
3. uGD<uGSoff时，uGS对漏极电流iD的影响（转移特性曲线）
耗尽型： uGS =0 时，有沟道
1. 在uGS=0时，就存在导电沟道（称原始导电沟道）。
2. uGS>=0 uDS>0时，iD>0，且uGS↑→iD↑；
3. uGS减小为负值时，iD↓； 当uGS=UGSoff时，iD=0，管子进入截止状态。
iD
iD / mA ＋6 V 4 3 UG S＝＋ 3 V 0V －3V
在uGD<uGSoff的情况下，当uDS为一常量时，对应于确 定的uGS，就有确定的iD。此时，可以通过改变uGS来控制 iD的大小。由于漏极电流iD受栅-源电压uGS的控制，故称 场效应管为电压控制元件。
三、 结型场效应管的特性曲线
1. 输出特性曲线
i D / mA
iD f (u DS ) uGS C
MOS场效应晶体管ppt课件
MOS 场效应晶体管基本结构示意图
16
2. MOS管的基本工作原理
MOS 场效应晶体管的工作原理示意图
17
4.2.2 MOS 场效应晶体管的转移特性
MOS 场效应晶体管可分为以下四种类型:N沟增强型、 N沟耗尽型、P沟增强型、P沟耗尽型。 1. N沟增强型MOS管及转移特性
18
2. N沟耗尽型MOS管及转移特性 3.P沟增强型MOS管及转移特性
理想 MOS 二极管不同 偏压下的能带图及 电荷分布
a) 积累现象 b) 耗尽现象 c) 反型现象
3
2.表面势与表面耗尽区 下图给出了P型半导体MOS结构在栅极电压UG>>0情况 下更为详细的能带图。
4
在下面的讨论中，定义与费米能级相对应的费米势为
F
(Ei
EF )体内 q
因此，对于P型半导体， F
如图所示，当漏源电压UDS增高到某一值时，漏源电流 就会突然增大，输出特性曲线向上翘起而进入击穿区。 关于击穿原因，可用两种不同的击穿机理进行解释：漏 区与衬底之间PN结的雪崩击穿和漏-源之间的穿通。
41
1. 漏区-衬底之间的PN结击穿 在MOS晶体管结构中，栅极金属有一部分要覆盖在漏极上。 由于金属栅的电压一般低于漏区的电位，这就在金属栅极 与漏区之间形成附加电场，这个电场使栅极下面PN结的耗 尽区电场增大，如下图，因而使漏源耐压大大降低。
a) N 沟 MOS b) P 沟 MOS
29
3. 衬底杂质浓度的影响
衬底杂质浓度对阀值电压的影响
30
4. 功函数差的影响
功函数差也将随衬底杂质浓度的变化而变化。但实验证明， 该变化的范围并不大。 从阀值电压的表示式可知，功函数越大，阀值电压越高。 为降低阀值电压，应选择功函数差较低的材料，如掺杂多 晶体硅作栅电极。
16
2. MOS管的基本工作原理
MOS 场效应晶体管的工作原理示意图
17
4.2.2 MOS 场效应晶体管的转移特性
MOS 场效应晶体管可分为以下四种类型:N沟增强型、 N沟耗尽型、P沟增强型、P沟耗尽型。 1. N沟增强型MOS管及转移特性
18
2. N沟耗尽型MOS管及转移特性 3.P沟增强型MOS管及转移特性
理想 MOS 二极管不同 偏压下的能带图及 电荷分布
a) 积累现象 b) 耗尽现象 c) 反型现象
3
2.表面势与表面耗尽区 下图给出了P型半导体MOS结构在栅极电压UG>>0情况 下更为详细的能带图。
4
在下面的讨论中，定义与费米能级相对应的费米势为
F
(Ei
EF )体内 q
因此，对于P型半导体， F
如图所示，当漏源电压UDS增高到某一值时，漏源电流 就会突然增大，输出特性曲线向上翘起而进入击穿区。 关于击穿原因，可用两种不同的击穿机理进行解释：漏 区与衬底之间PN结的雪崩击穿和漏-源之间的穿通。
41
1. 漏区-衬底之间的PN结击穿 在MOS晶体管结构中，栅极金属有一部分要覆盖在漏极上。 由于金属栅的电压一般低于漏区的电位，这就在金属栅极 与漏区之间形成附加电场，这个电场使栅极下面PN结的耗 尽区电场增大，如下图，因而使漏源耐压大大降低。
a) N 沟 MOS b) P 沟 MOS
29
3. 衬底杂质浓度的影响
衬底杂质浓度对阀值电压的影响
30
4. 功函数差的影响
功函数差也将随衬底杂质浓度的变化而变化。但实验证明， 该变化的范围并不大。 从阀值电压的表示式可知，功函数越大，阀值电压越高。 为降低阀值电压，应选择功函数差较低的材料，如掺杂多 晶体硅作栅电极。
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飽和區之成因
(Saturation)
VDS＞VGS－VTH 時，汲極電流
不會依照拋物線特性而會維持 不變，稱元件操作於飽和區。
當 V(x) 趨近 VGS－VTH 時，Qd(x)
會降至零，反轉層將會在 x≦L 處截止，並往源極方向移動， 稱截止效應。
飽和區電流推導及電流源
飽和區時，電流由 x= 0 積分至 x=L’ ，L’ 為 Qd 降至 0 之處， 因此可得電流為
VTH 臨界電壓為界面反轉時之閘極電壓。 ΦMS 為多晶矽閘極和矽基板功函數之間的差。 ΦF=(kT/q)ln(Nsub/ni) ，其中 q 為電子電荷，Nsub 為基 板摻雜濃度，Qdep 為空乏區之電荷數量，Cox 為單位 面積之閘氧化層電容，εsi 代表矽的介電常數。 摻入 p+ 雜質改變氧化層界面附近的基板濃度進而改 變臨界電壓值。
PFET的開啟
在PFET中形成反轉層。
(使得n型基板在介面變成p型)
I/V特性圖之推導(一)
考慮一攜帶電流 I 之半導體柱，沿著電流方 向之電荷密度為 Qd，其電荷速度為 v。則
I=Qd．v
I/V特性圖之推導(二)
(a)源極和汲極電壓相同之通道電荷； (b)源極和汲極電壓不同之通道電荷。
I/V特性圖之推導(三)
例題 2.1
如圖2.14(a)所示，繪出 M1 之開啟電阻和之關係圖。假設 μnCox= 50 μA/V2，W/L= 10，VTH= 0.7V。注意其汲極端為開啟狀態。
解： 因為汲極端被開啟，ID= 0 且 VDS= 0，因此如果元件開啟時，將操作於 深三極管區。當 VG<1V+VTH 時，M1 關閉且 RD= ∞。當 VG>1V+VTH 時， 我們得到 此結果繪於圖2.14(b)中。
MOS符號
三種常用表示NMOS和PMOS電晶體的電路符號。
NFET的開啟現象
(a)閘電壓驅動之MOSFET；(b)空乏區之形成； (c)初始的反轉層；(d)反轉層形成。
Threshold Adjustment
In practice, the threshold value is “ negative” and not suitable to circuit design. the threshold voltage is typically adjusted by implantation of dopants into the channel area.
PMOS Device
Formation of inversion layer in a PMOSFET when the gatesource voltage becomes sufficiently negative.
臨界電壓 (Threshold voltage)
The gate voltage for which the interface is “as much n-type as the substrate is p-type.” (使得p型基板在介面變成n型)
(Triode)
拋物線峰值發生於 VDS=VGS－VTH，
此時電流為 ID1 2nC ox W L(V G SV TH )2
深三極管區之電阻特性
(Deep triode)
VDS≦VGS－VTH 時稱元件操
作於三極管區或線性區。
若 VDS<<2(VGS－VTH ) ，可
得
從源極至汲極路徑可用一 線性電阻表示
MOS轉導與驅動電壓及汲極電流之關係圖
飽和區和三極管區之概念示意圖
例題 2.2
如圖2.19所示，繪出轉導和之關係圖。
解：
當 VDS 從無限大開始減少，了解 gm 是較為簡單的，只要 VDS ≧ Vb－
VTH，M1 將操作於飽和區，ID 則為常數。從式(2.18)得知 gm 亦為常數。
Leff 為等效長度，Ldrawn 為全長，LD 為擴散長度。 ➢ 對於源極和汲極來說，結構是對稱的。
基板連接
MOSFET為一個四端元件，一般NMOS電晶體基 板連接至系統中最小的供應電壓，通常實際的連 接是透過一電阻 p+ 區域提供。
PMOS元件
(a)簡單PMOS元件；(b)在 n 型井中的PMOS 。 一般 n 型井連接至系統中最大的供應電壓。
2. 將每個半導體元件視為一黑盒子，其特性皆以端點 電壓和電流表示，因此不需要注意元件內部運作更 可設計電路。
以MOSFET做為開關
MOS元件的簡單示意圖。閘極電壓 VG 為高 電壓時，電晶體將連接源極與汲極；而當 VG 為低電壓時，電晶體則隔絕源極與汲極。
MOSFET結構
Leff = Ldrawn－2LD
2.4.1 MOS元件設計 2.4.2 MOS元件電容 2.4.3 MOS小信號模型 2.4.4 MOS SPICE模型 2.4.5 NMOS元件 vs. PMOS元件 2.4.6 長通道元件 vs. 短通道元件
學習積體電路設計的方法
1. 以量子力學開始，並了解固態物理、半導體元件物 理、元件模型，最後則是電路的設計。
1. VGS≧VTH 時之通道電荷密度 2. 考慮汲極端電壓為 VD，則通 道中某一點 x 之電荷密度 3. 若 v=μE 為通道內電子速度， 其中μ為電荷載子遷移率，E為 電場，則電流值為
4. 考慮邊界條件 V(0)=0，V(L)=VDS，同乘 dx 並對其積分
5. 因為 ID 在通道中為一常數
三極管區汲極電流電壓關係圖
第二章 基本MOS元件物理
Basic MOS Device Physics
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
簡目
2.1 一般性考慮
2.1.1 以MOSFET做為開關 2.1.2 MOSFET結構 2.1.3 MOS符號
2.2 MOS I/V特性圖
2.2.1 臨界電壓 2.2.2 I/V特性圖之推導
2.3 二階效應
2.4 MOS元件模型
飽和MOSFET做為連接汲極和源極之電流源，將電流送至接 地端或由VDD處吸引電流，換句話說只有一端是浮動的。
PMOS元件之電流公式
三極管區: VDS < (VGS－VTH)
飽和區: VDS (VGS－VTH)
轉導
(Transconductance)
定義一指標為汲極電流變化除以閘極－源極電壓變化，代表 元件將電壓轉換成電流的能力，稱為轉導。