第5讲 MOS管阈值电压和IV概要

考虑体电位的阈值电压公式
完整公式如下
VTHN VTHN 0 2V fp VSB 2V fp
此公式对电路设计者的意义
阈值电压与温度有关。
阈值电压与体电位有关。
阈值电压与工艺偏差有关。
研究阈值电压与温度的关系的文件
*------ 例6: ST02工艺NMOS阈值电压分析-----------*-----------------------------------------------.option post=2 $输出波形文件 *-----------------------------------------------.option search="d:/hspice2011/libs" $指定库路径 *-----------------------------------------------.lib "st02.lib" tt $指定模型库和入口 *-----------------------------------------------.temp 25 $指定环境温度 *-----------------------------------------------m1 nd ng ns nb mn w=20u l=0.5u vg ng gnd 1 vd nd gnd 5 vs ns gnd 0 vb nb gnd 0 *-----------------------------------------------.print dc i1(m1) $记录m1第一个节点的电流 *-----------------------------------------------.dc vg 0.4 1 0.01 sweep temp -40 85 10 .print LV9(m1) .end
考虑接触电势差和表面附加电荷
金属 金属 栅 多晶硅 SiO2 P衬底 体 VG VOX Vfp
体接源极（VSB=0）时的公式
VSB为0时的阈值电压公式
VTHN 0 0 Qss Qb V ms2V fp Cox
其中Vms是多晶硅栅与体之间的电势差
kT N D, poly kT N A Vms VG V fp ln ln q ni q ni
第5讲 MOS管的理论公式
MOS管阈值电压的物理学定义
定义
使沟道中反型载流子浓度与衬底中多数载流
子浓度相等时所需要的栅源电压定义为阈值
电压。
推导阈值电压时的外部连接和内部状态
源漏区都接地，沟道刚刚产生，厚度忽略。
栅 VGS=VTHN 源 A B N+ P衬底 -Q´ b（栅氧化层下方电荷） -VSB Xd C D 漏 N+ +Q´ b（正电荷与栅氧 化层下方电荷相等）
推导思路
如何使栅氧化层与半导体接触面的表面势与 衬底材料的静电势大小相等，方向（符号） 相反。 NMOS管的体（P型）的静电势为
V fp Ei E fp q kT N A ln q ni
使表面势为-Vfp（正数）需要施加的栅源电 压即阈值电压。
推导阈值电压需考虑的各种因素
阈值电压随温度变化曲线
实验结果
阈值电压随温度升高而下降。
在VGS和VDS不变时，ID随温度升高而升高。
阈值电压与体电位的关系
注意：下图中VBS最高只能加到0.5V。
ng VGS gnd
Id nd VDS VBS
体电位对阈值电压影响的仿真ห้องสมุดไป่ตู้件
*--- 例7: NMOS阈值(别名）与体电位关系分析-------*-----------------------------------------------.option post=2 $输出波形文件 *-----------------------------------------------.option search="d:/hspice2011/libs" $指定库路径 *-----------------------------------------------.lib "st02.lib" tt $指定模型库和入口 *-----------------------------------------------.temp 25 $指定环境温度 *-----------------------------------------------m1 nd ng gnd nb mn w=20u l=0.5u vgs ng gnd 1 vds nd gnd 0 vbs nb gnd 0 *-----------------------------------------------.print dc i1(m1) $记录m1第一个节点的电流 *-----------------------------------------------.dc vbs -1 0.5 0.1 .print LV9(m1) .end
阈值电压与温度的关系
利用SPICE模型给出的VTH别名的仿真分析文件
*--- 例8: NMOS阈值(别名）与温度关系分析-------*-----------------------------------------------.option post=2 $输出波形文件 *-----------------------------------------------.option search="d:/hspice2011/libs" $指定库路径 *-----------------------------------------------.lib "st02.lib" tt $指定模型库和入口 *-----------------------------------------------.temp 25 $指定环境温度 *-----------------------------------------------m1 nd ng gnd nb mn w=20u l=0.5u vgs ng gnd 1 vds nd gnd 1 vbs nb gnd 0 *-----------------------------------------------.print dc i1(m1) $记录m1第一个节点的电流 *-----------------------------------------------.dc temp -40 85 1 .print LV9(m1) .end