25 第六章 等效电路,影响阈值电压的因素

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一 等效电路小信号参数
定义：
MOSFET 的小信号特性是指在一定工作点上，输出端电流的 微小变化与输入端电压的微小变化之间有定量关系。这是一种 线性变化关系，可以用线性方程组描述小信号特性，其中不随 信号电流和信号电压变化的常数即小信号参数。
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3. 饱和区的漏极电阻
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2. 跨导
线性区：
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饱和区：
饱和区的跨导与线性区的导纳相等
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三 MOSFET的类型
1 、对于 N 沟道 MOSFET，在 VGS=0 时，不存在沟道，只有 当VGS>VT时，栅极下才感应导电沟道，这种MOSFET通常 称为N沟道增强型（常闭型）。
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2. 衬底偏置的影响
当有一反向偏压加在衬底和源之间(对于N沟道，加在P衬底上 的电压VSB相对于源为负)时，耗尽层将加宽，使得空间电荷层 中负的固定电荷QB增加
增加固定电荷的QB：
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二
频率特性
截止频率f0定义为MOSFET的输入电流和输出电流相等时的频 率，即器件输出短路时，器件不能够放大输入信号时的频率。
~
i in 2f (C gs C gd ) V gs 2f ( ZLC ox ) V gs
~
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§6.6、6.8、6.9
MOS场效应晶体管
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Outline
1、等效电路
2、频率响应
3、MOSFET的类型
4、影响阈值电压的其他因素
（1）掺杂浓度
（2）氧化层厚度
（3）衬底偏置
~
~
i out g m V gs
~
C G ZLC ox
总的栅电容
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输出电容 输入电容Cin
MOSFET的小信号等效电路
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MOSFET中的电容包括MOS电容，以及MOSFET的极间电容 CGS、 CGD 、 CGB 、 CBD 、 CBS 等。
饱和工作区的gds应为零，即输出电阻为无穷大。
gds ＝0 对于实际MOSFET，饱和区输出特性曲线总有一定的倾斜， 使输出电导不等于零，即输出电阻不为无穷大。
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4. 串联电阻对电导gd和跨导gm的影响
① 对跨导的影响
由于MOSFET源区的体电阻、欧姆接触及电极引线等附加电阻 的存在，使源区和地之间有一个外接串联电阻RS：
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VDS ＝ VGS – VT 。
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串联电阻（起负反馈作用）不能忽略时：
如果RSgm很大：
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②
对输出电导的影响
若漏区的外接串联电阻为RD ，在线性工作区受RS 及RD 影响的
有效输出电导：
说明：
1、RS 和RD会使跨导和输出电导变小； 2、在设计和制造OSFET时应尽量减少漏极和栅极串联电阻。
栅－衬底覆盖电容C’GB
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3、工作区域
（1）截止区：沟道尚未形成；栅－沟电容CGC等于栅－衬底的
电容CGB ；
（2）线性区：沟道已经形成；栅－沟电容CGC分解为栅－源电 容CGS和栅－漏电容CGD ；CGC ＝ CGS + CGD （3）饱和区：沟道载流子电荷不随电极电压改变而改变。栅－ 漏电容为零： CGD ＝ 0 ；在临界饱和时，沟道开始夹断：
三 影响阈值电压的其他因素
1. 衬底掺杂浓度和氧化层厚度的影响
根据：
可见：阈值电压与衬底的掺杂浓度和氧化层的厚度有关。
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阈值电压与衬底 掺杂浓度、氧化 层厚度的关系
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控制阈值电压的方法：
（1）离子注入法；由于用离子注入掺杂含量可以非常精确， 所以能精确的控制阈值电压。
离子注入法调整阈值电压
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（ 2 ）改变氧化层的厚度。这种方法广泛应用于 MOSFET 之间
的隔离。这时，氧化层厚度比源漏区之外的氧化层（场区氧化 层）薄得多。于是场区氧比层VTH比栅氧化层的VTH大得多。若 将适当栅偏压同时加在硼氧化层和场氧化比层栅，栅下形成了 反型沟道，而场氧化层下面的半导体表面仍保侍耗尽状态。
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1. 线性导纳
在线性区的电阻称为开态电阻或导通电阻，可表示为：
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在UDS较小时， gdl与UDS无关。随着UDS的增大，但还未到 饱和区， gdl将会减小。此时有：
不可忽略
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MOS瞬态电路模型（SPICE模型）
1、电路模型
电路模型是由栅源电容CGS、栅漏电容CGD栅衬电容CGB 、栅－源 覆盖电容C’GS 、栅－漏覆盖电容C’GD、MOS管中衬－源和衬－ 漏两个寄生PN结电容CBS和CBD 、源极半导体材料串联电阻rS 、 漏极半导体材料串联电阻rd ，沟道电流IDS 、衬－源和衬－漏两 个寄生PN结二极管电流IBS和IBD 、衬－源和衬－漏两个寄生PN 结电压 UBS和UBD等构成。覆盖电容是指栅区与源、漏区相应覆 盖区域之间的电容。
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2、模型参数
（1）电流参数：衬底－漏二极管电流IBD和衬底－源结二极管 电流IBS ； （2）势垒电容：衬底－漏CBD和衬底－源结势垒电容CBS；
（3）栅沟电容：栅－源覆盖电容C’GS 、栅－漏覆盖电容C’GD 、
为达到强反型，外加栅电压必须增强来补偿QB ，则有：
2、在VGS=0时，表面已形成反型导电沟道，器件处于导通
状态，称为N沟道耗尽型（常开型）。要使N沟道耗尽，必 须在栅极上施加一定的负电压。
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常开型
常闭型
常开型
常闭型
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理想情况下，对于任何超过夹断条件的漏极电压，漏极电流 为常数（电流与电压无关）。即对于VD>VDsat时的情况，漏极 电阻为无限大。饱和区漏极电阻定义为：
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饱和区电导gds
在理想情况，若不考虑沟道长度调制效应， IDS 与UDS 无关。