第三章MOS集成电路器件基础

U DD = 5V U THN / U THP ：NMOS/PMOS管的开启电压，在 开启电压
3.2 MOSFET的电流电压特性
MOS管的输出电阻
¾ 线性区的输出电阻— 压控电阻
根据线性区的电流方程，当漏-源电压 U DSwk.baidu.com小时，该 式可以近似为：
⎛W ⎞ I D ≈ µ n Cox ⎜ ⎟(U GS − U TH )U DS ⎝L⎠
µpCox ⎛W ⎞
[
]
截止区
| U DS |<| U GS | − | U TH |
线性区
| U DS |>| U GS | − | U TH |
恒流区
3.2 MOSFET的电流电压特性
MOS管的电流方程
¾ 式中各参数的含义： µ n / µ p ：电子/空穴的迁移率；
9 一般情况下，电子的迁移率高于空穴，所以NMOS器件的 电流驱动能力及工作速度均比PMOS器件强。
∂U DS 1 = = ∂I D µ nCox (W / L )(U GS −U TH )
此时的输出电阻为：
RON
由该式可见，处于线性区的MOS管输出电阻 RON 是 U GS 的函数，且与之成反比。因为该电阻受 U GS 控制， 称线性区的输出电阻为“压控电阻”，线性区又称为 “可变电阻区”。
3.2 MOSFET的电流电压特性
由上式可见： 在W/L不变的情况下，g m 与 (UGS −UTH ) 成线性关系，与 I D 的平方根成正比。 在 I D 不变的情况下，g m与 (UGS −UTH ) 成反比。
地 正电源
3.1 MOSFET的结构与符号
增强型和耗尽型MOS管
¾ 在栅-源极电压（栅偏置）为零时截止（即不导电） 的期间称为增强型器件；而在栅偏置为零时就导通的 增强型 器件称为耗尽型器件。 耗尽型
MOS管符号
3.2 MOSFET的电流电压特性
9 MOS管是一种多数载流子器件。在这种器件中，漏 -源间导 多数载流子器件 电沟道中的电流受栅极上的电压控制。 NMOS管中，多数载流子 是电子，相对于衬底加在栅 电子 极上的正电压会增加沟道中 电子的数量，即会增强沟道 的导电性。当栅极电压小于 开启电压或阈值电压 （Threshold Voltage）U TH 时，不会形成导电沟道，此 导电沟道 NMOS管的转移特性曲线 时源-漏间的电流极小。 PMOS管的工作原理与NMOS管一样，只是多数载流子 是空穴，栅极相对于衬低是负电压。 空穴
MOS管的输出电阻
¾ 恒流区的输出电阻
根据恒流区的电流方程，有：
∂U DS 1 1 U = = = A µC ∂I D λn n ox (W / L )(U GS − U TH )2 λn I DQ I DQ 2 注：A U 是与沟道调制系数有关的厄尔利电压，其定义见 厄尔利电压 RON =
下图所示：
MOS管的电流方程
¾ PMOS管在截止区、线性区和恒流区的电流 方程如下：
0
| U GS |<| U TH |
I DN =
−
2 ⎜ ⎟ 2(UGS −UTHP)UDS −UDS 2 ⎝ L⎠ µpCox ⎛W ⎞ 2 ( ) − U − U ⎜ ⎟ GS THP (1+ λpUDS ) 2 ⎝ L⎠
线性区： U DS < U GS − U TH
预夹断： U DS = U GS − U TH
恒流区： U DS > U GS − U TH
3.2 MOSFET的电流电压特性
MOS管的电流方程
¾ NMOS管在截止区、线性区和恒流区的电流 方程如下：
0
U GS < U TH
I DN =
µnCox ⎛W ⎞
衬底连接/互补CMOS ¾ 为使MOS管的电流只在导电沟道中沿表面流动，源区/ 漏区以及沟道和衬底之间必须形成反向偏置的 反向偏置 PN结隔 正电源 离。 地
PMOS管
NMOS管
¾在互补型CMOS中， 在同一衬底上制作NMOS和PMOS， 因 此必须为PMOS做一个称之为“阱(Well)” Well) 的“局部衬底”。
3.2 MOSFET的电流电压特性
MOS管的跨导 g m
¾ 跨导 g m是反映 U GS 对 I D控制能力的参数。其定 控制能力的参数。 义为：
gm
∂I D = = µ n C ox (W / L )(U ∂ U GS
GS
−U
TH
)
2I D = 2 µ nCox (W / L )I D = U GS − U TH
3.2 MOSFET的电流电压特性
MOS管的输出特性
栅极电压 U GS 对漏极电流 I D 有明显的控制作用 （ U GS > U TH 时）。 漏极电压 U DS对漏极电流 I D 的控制作用分成线性区和 线性区 恒流（饱和）区两段。 恒流（饱和）区
增强型NMOS管的输出特性
9 线性区与恒流区是以预夹断点的连线为分界线的。 预夹断点
第三章 MOS集成电路器件基础
3.1 MOSFET的结构与符号
NMOS管的简化结构
P型硅衬底（P-Substrate,Bulk or Body） 源区和漏区（重掺杂 N 区） 栅级（重掺杂多晶硅区）/ 栅极薄氧化层 9 导电沟道（Channel）：栅极薄氧化层下的衬低表面
+
3.1 MOSFET的结构与符号
Cox ：单位面积栅电容，且 栅电容
Cox =
ε 0ε s o
tox
i 2
MOS管的电流方程可 W/L：导电沟道的宽度和长度之比。由 导电沟道的宽度和长度之比 I DN 知，电流 与W/L成正比。 的情况下，增强型NMOS和PMOS管的开启电压分别是+0.8V和0.8V。为了使MOS器件能够在低电源电压下工作，需要通过工 艺控制使该开启电压降低。 λn / λ p ：沟道调制系数，是一个经验的沟道长度修正系数，反 映U DS 对沟道长度的影响，其值在0.01V~0.02V左右。
2 ⎝ ⎠ µnCox ⎛W ⎞ 2 ⎜ ⎟(UGS −UTHN) (1+ λnUDS ) 2 ⎝ L⎠
⎜ ⎟[2(U L
2 ) U U U − − GS THN DS DS
]
截止区
U DS < U GS − U TH
线性区
U DS > U GS − U TH
恒流区
3.2 MOSFET的电流电压特性