第2章 MOS器件物理基础1

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2.2 MOS的I/V特性-I/V特性推导
深三极管区：VDS<<2（VGS－Vth）
相当于滑动变 阻器
2016/1/22
MOS器件物理基础
20 20
2.2 MOS的I/V特性-I/V特性推导
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：
ID 1 W VGS Vth 2 n Cox 2 L
这就是饱和萨氏方程。
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2.2 MOS的I/V特性-I/V特性推导
ID 三极管区 饱和区 VGS3 VGS2 VGS1
VGS1-Vth VGS2-Vth VGS3-Vth
通）的条件？
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MOS 管工作原理 2.2 MOS的 I/V特性 -工作原理与阈值电压
当VD增大到一定数值，靠近漏端被夹断，VD继续增加， 将形成一夹断区，且夹断点向源极靠近，沟道被夹断后， VD上升时，其增加的电压基本上加在沟道厚度为零的耗 尽区上，而沟道两端的电压保持不变，所以ID趋于饱和 而不再增加。
举例
VGS
=VG-VS =1-0.2=0.8V
VDS=VD-VS=1V
G
D
1V
1.2V
S
0.2V
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2.2 MOS的I/V特性-I/V特性推导
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：
I D n Cox KN W 1 2 ( V V ) V VDS GS th DS L 2 2 2(V GS Vth )VDS V DS
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第2章 MOS器件物理基础 2.1 基本概念
简化模型－开关 结构 符号
2.2 I/V特性
阈值电压 I-V关系式 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
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MOS 管工作原理 2.2 MOS 的I/V 特性-工作原理与阈值电压
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。
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MOS 管工作原理 2.2 MOS的 I/V特性 -工作原理与阈值电压
M2 Vb
VDD R Vo
A Vi M1
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2.3 二级效应-体效应
当衬底Vb相对源极Vs更负时， Qb增加，Vth增加
Vth Vth0 2 f V BS 2 f
2q si N sub Cox
其中Vth0是在无体效应时的阈值电压，γ称为体效 应因子，大小由衬底浓度与栅氧厚度决定，其典型值在 0.3到0.4V1/2，工艺一定其值一定。
ID 三极管区 饱和区 VGS3 VGS2 VGS1
VGS1-Vth VGS2-Vth VGS3-Vth
VDS
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跨导 gm-I/V特性推导 2.2 MOS的I/V 特性
跨导是表示MOS的电压转变成电流的能力，
即VGS对IDS的控制能力，IDS对VGS变化的灵敏度
ID gm VGS

nCox W (VGS VTH ),饱和区时 L
没有考虑衬底电位对MOS管性能的影响，假设了所有 器件的衬底都与器件的源端相连，即VBS＝0 但在实际的模拟集成电路中，由于MOS器件制作在同 一衬底上，就不可能把所有的MOS管的源极与公共衬 底相接，即VBS≠0
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2.3 二级效应 例子-体效应
M1的VBS＝0，不存在体效应 M2的VBS≠0，存在体效应
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第2章 MOS器件物理基础 2.1 基本概念
简化模型－开关 结构 符号
2.2 I/V特性
阈值电压 I-V关系式 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
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2.3 二级效应-体效应
在前面的分析中：
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衬底偏置效应（体效应）
例子 体效应对电路性能的影响(输入输出产生了非线性）
1 W 2 I D nCox VGS Vth 2 L 1 W 2 I D nCox Vin Vout Vth 2 L
2.3 二级效应-体效应
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2.3 二级效应-体效应
如何描述体效应
图1
图2
23Biblioteka 2.2 MOS的I/V特性-I/V特性推导
W ID p Cox L 1 2 (VGS VTH )VDS VDS 2
1 W ID p Cox ' (VGS VTH ) 2 定义从D流向S为正 2 L
PMOS管电流驱动能力比NMOS管差 0.8 m nwell：p=250cm2/V-s, n=550cm2/V-s 0.4 m nwell：p=150cm2/V-s, n=450cm2/V-s 0.5 m nwell：p=100cm2/V-s, n=350cm2/V-s
Cox上、下面板，单位面积
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2.2 MOS的I/V特性-工作原理与阈值电压
当VG大于VTH，且VD大于VS时 原来被p型衬底隔开的两个n＋型区（源极和漏极）被n型 导电沟道连接。因此，在正的漏极电压作用下，将产生 漏极电流ID。 问题：有电流 但是导电沟道不均匀。 流过NMOS管（导
VG取多大值时器件导通，换句话说阈值电压是多少？ 当MOS管导通（断开）时，源和漏之间的电阻有多 大呢？ 这个电阻和端电压（漏极和源极电压大小）的关系 是怎样的，是简单的线性关系吗？ 是什么限制了器件的速度呢？因此需要分析晶体管 结构和物理特性。
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2.1 基本概念-MOSFET的结构
VDS cons tant
2 ID gm VGS VTH
2 nCox
W D L
I
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跨导 gm-I/V特性推导 2.2 MOS的I/V 特性
W g n C ox (VGS VTH ) 饱和区时： m L
线性区时：g m V GS
W 1 2 n C ox 2 ( V V ) V V GS TH DS DS L 2 W nCox VDS L
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2.1 基本概念-MOSFET的结构
PMOS管做在N阱中
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2.1 基本概念-MOSFET的结构
MOS管所有pn结必须反偏:
*N-SUB必须接最高电位
寄生二极管
*P-SUB必须接最低电位
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2.1 基本概念-MOSFET符号
？ 电流方向，NMOS为正,PMOS为负
四端器件 省掉B端 数字电路用 需明确体端连接 在Cadence analogLib库 中，默认B、S端短接
第2章 MOS器件物理基础 2.1 基本概念
简化模型－开关 结构 符号
2.2 I/V特性
阈值电压 I-V关系式 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
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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。 回答以下几个问题：


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 μn载流子迁移率。
1 W n C， ox 2 L
称为NMOS管的导电因子，
ID的值取决于工艺参数：μn、Cox、器件尺寸W和L、VDS及VGS。
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2.2 MOS的I/V特性-I/V特性推导
截止区：VGS≤Vth，ID＝0；
为了衡量体效应对MOS管的I/V的影响，定义衬底跨导 衬底跨导：在源漏电压与栅源电压为常量时漏极电流 随衬底电压的变化关系：
g mb I D VBS
则衬底电位对漏极电流的影响可用一个电流源gmbVBS 表示。
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2.3 二级效应-体效应
在饱和区，gmb能被表示成
又因为
I D g mb VBS
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2.2 MOS的I/V特性-交直流电阻 直流电阻
ro
r0= VDS/ ID
交流电阻
ro VDS I D
r0= △VDS/ △ID
即当VDS在交流和直流电压时，MOS管所表 现出的导通电阻值不一样
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2.2 MOS的I/V特性-MOS管直流导通电阻
定义：MOS管的直流导通电阻是指漏源电压 ro 与漏源电流之比
V 饱和区： Ron DS I DS VDS 1 K N (VGS Vth ) 2
线性区：Ron VDS 1
I DS
K N 2(VGS
1 Vth ) VDS
深三极管区：R VDS on
ID
1 2K N VGS Vth
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2.2 MOS的I/V特性-饱和区MOS管交流电阻 饱和区MOS管交流电阻 r0= △VDS/ △ID ro
VDS ,VGS C
I D Vth * Vth VBS
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I D K N VGS Vth 2K N VGS Vth Vth Vth