第二章基本MOS元件物理 ppt课件
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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。
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。
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)
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
(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
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。
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。
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。
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.
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。
第二章 基本MOS元件物理
Basic MOS Device Physics
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ห้องสมุดไป่ตู้型
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)
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
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
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。
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。
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)
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
(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
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。
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。
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。
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.
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。
第二章 基本MOS元件物理
Basic MOS Device Physics
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ห้องสมุดไป่ตู้型
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)
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
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