2MOS器件物理基础资料

Qd = WCox (VGS - VTH )
Qd (x) = WCox (VGS - V(x) - VTH ) 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
•MOS管D、S可互换，电流可以双向流动。
•可通过栅源电源（Vgs）方便控制MOS管的导通
与关断。关断后Id≈0
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NMOS模拟开关传送高电平的阈值损失特性
假定 “1”电平为3V， “0”电平为0V，VTN ＝0.5V，试确定C1、C2的终值电压。
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PMOS模拟开关传送低电平的阈值损失特性
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I/V特性的推导（2）
ID = -WCox [VGS - V(x) - VTH ]
对于半导体：ν = μE
且
E(x) = - dV(x) dx
ID
=
WCox [VGS
- V(x) - VTH ] n
dV(x) dx
L
VDS
IDd(x) = WCoxn [VGS - V(x) - VTH ]dV
(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
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NMOS管VGS>VT、VDS=0时的示意图
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NMOS管VGS>VT、 0<VDS< VGS-VT时的示意图
沟道未夹断条件
VGD =VGS-VDS≥VT VDS≤VGS-VT
截至区，Vgs<VTH
ID
=
nCoxW
2L
[2(VGS
- VTH )VDS
- VDS2 ]
线性区,Vgs >VTH VDS< Vgs - VTH
ID
=
nCoxW
2L
(VGS
- VTH )2
饱和区,Vgs >VTH VDS >Vgs - VTH
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MOSFET的I/V特性
沟道电阻随VDS 增加而增加导 致曲线弯曲
-
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
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I/V特性的推导（3）
ID
=
nCox
W L
[(VGS
- VTH )VDS
-
1 2
VDS2 ]
三极管区(线性区)
x=0
V =0
[ID x]0L
=
[nWCox ((VGS
- VTH )V(x)
-
1 2
V(x)2
] VDS 0
ID
=
nCox
W L
[(VGS
- VTH )VDS
-
1 2
VDS 2
]
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线性区的MOSFET（0 < VDS < VGS－VT）
ID
=
nCox
W L
[(VGS
- VTH )VDS
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同一衬底上的NMOS和PMOS器件
MOS管所有pn结必须反偏: *N-SUB必须接最高电位VDD！ *P-SUB必须接最低电位VSS！ *阱中MOSFET衬底常接源极S
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寄生二极管
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例：判断制造下列电路的衬底类型
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6Leabharlann Baidu
NMOS器件的阈值电压VTH
VDS<VGS-VT
Triode Region
曲线开始斜 率正比于 VGS-VT
VDS>VGS-VT
用作恒流源条件：工作在饱和区且VGS ＝const！
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MOSFET的跨导gm
gm
=
ID VGS
VDS = const
=
μnCox
W L
(VGS
- VTH )
gm =
2μnCox
W L
每条曲线在VDS＝VGS－VTH时
取最大值，且大小为：
ID
=
nCox
2
W L
(VGS
- VTH )2
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VDS＝VGS－VTH时沟道刚好被夹断
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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。
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
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MOS管的开启电压VT及体效应
VTH = VTH0 + γ 2ΦF + VSB - 2ΦF , γ = 2qεsiNsub Cox
ID
= 2ID VGS - VTH
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MOS管饱和的判断条件
d
g
g
d
NMOS饱和条件：Vgs>VTN；Vd≥Vg-VTHN
PMOS饱和条件: Vgs<VTP ；Vd≤Vg＋| VTP |
判断MOS管是否工作在饱和区时，不必考虑Vs
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MOS模拟开关
MOS管为什么可用作模拟开关？
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NMOS沟道电势示意图(0<VDS< VGS-VT )
dq(x) = -CoxWdx[vGS - v(x) - VTH ] 边界条件:V(x)|x=0=0, V(x)|x=L=VDS
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I/V特性的推导（1）
沟道单位长度电荷(C/m)
电荷移 动速度
I = Qd .v (m/s)
第二章 MOS器件物理基础
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1
MOSFET的结构
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2
MOSFET的结构
Ldrawn：沟道总长度 LD：横向扩散长度
衬底 （bulk、body）
Leff：沟道有效长度， Leff＝ Ldrawn－2 LD
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3
MOS管正常工作的基本条件
寄生二极管
MOS管正常工作的基本条件是:所有衬源（B 、S）、衬漏（B、D）pn结必须反偏！
假定 “1”电平为3V， “0”电平为0V，VTP ＝-0.5V，试确定C1、C2的终值电压。
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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
ID
nCox
W L
[(VGS
VTH)VDS
1 2
VDS2
]
V' DS VGS VTH (Pinch off )
ID nCox W (VGS VTH)2
2L
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NMOS管VGS>VT、VDS>VGS-VT时的示意图
耗尽区
电子
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NMOS管的电流公式
ID 0