模拟CMOS集成电路设计第2章MOS器件物理基础

线性区,Vgs >VTH VDS< Vgs - VTH
ID=nC 2o L xW(VGS-VTH)2
饱和区,Vgs >VTH VDS >Vgs - VTH
MOS器件物理基础 Ch. 2 # 19
MOSFET的I/V特性
沟道电阻随VDS 增加而增加导 致曲线弯曲
VDS<VGS-VT
Triode Region
x=0
V=0
[ I D x ] 0 L = [n W C o x ( ( V G S-V T H ) V ( x )-1 2 V ( x ) 2 ] 0 V D S
ID=n C o xW L[(V G S-V T H )V D S-1 2V D S 2]
MOS器件物理基础 Ch. 2 # 14
三极管区的MOSFET（0 < VDS < VGS－VT）
ID=n C o xW L[(V G S-V T H )V D S-1 2V D S 2]
ID= nC oxW L(V G S-V TH)VD S VDS <<2(VGS-VTH)
Ron
=
nCox
1 W L (VGS
- VTH)
等效为一个
压控电阻
MOS器件物理基础 Ch. 2 # 15
I/V特性的推导（3）
MOS器件物理基础 Ch. 2 # 13
I/V特性的推导（2）
I D = - W C o x [V G S-V (x )-V T H ]
对于半导体：ν = μE 且 E(x)
=Leabharlann Baidu
-
dV(x) dx
dV I LD=W C o x V D [S V G S-V (x )-V T H ]nd V d x (x ) ID d(x)= W C ox n[V G S-V (x)-V T H ]
寄生二极管
MOS器件物理基础 Ch. 2 # 5
例：判断制造下列电路的衬底类型
MOS器件物理基础 Ch. 2 # 6
NMOS器件的阈值电压VTH
(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
MOS器件物理基础 Ch. 2 # 7
以NMOS为例：D和S接地
① VG<0， 空穴在硅表面积积累
NMOS沟道电势示意图(0<VDS< VGS-VT )
d q ( x )= - C o x W d x [ v G S - v ( x )- V T H ] 边界条件:V(x)|x=0=0, V(x)|x=L=VDS
MOS器件物理基础 Ch. 2 # 12
I/V特性的推导（1）
沟道单位长度电荷(C/m) 电荷移
的掺杂浓度，Qdep是耗尽层的电荷，Cox是单位面积的栅极电容。由pn结
的原理，Qdep 4qsiFNsub ,这里εsi是硅的介电常数。因为Cox经常
出现在器件的计算公式中，一般认为tox＝ 50A，Cox ＝6.9fF/ m 2，Cox 的值可以来估其他厚度的氧化层面积 。
VTH = V T 0 H 2 F V S B2 F
ID=n C o xW L[(V G S-V T H )V D S-1 2V D S 2]
三极管区(线性区)
每条曲线在VDS＝VGS－VTH时
取最大值，且大小为：
ID=n2 Cox W L(VG S-VTH)2
VDS＝VGS－VTH时沟道刚好被夹断
MOS器件物理基础 Ch. 2 # 16
饱和区的MOSFET（VDS ≥ VGS－VT）
I
= Qd.v
动速度 (m/s)
Q d=W Cox(VG S-VTH)
Q d (x )= W C o x (V G S -V (x )-V T H )
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
② 0<VG<VTH 硅表面耗尽：表面只有固定 的负电荷
③VG>VTH 硅表面反型：自由电子吸引 到硅表面
强反型条件： 栅衬极底下掺硅杂表浓面度反型M层O的S器载件流物Ch理子. 基2浓#础8度=
VTHMS2F
Qdep Cox
这里 MS是多晶硅栅和硅衬底的函数， F ＝ kT q ln N sun b i，Nsub是衬底
第二章 MOS器件物理基础
MOS器件物理基础 Ch. 2 # 1
MOSFET的结构
MOS器件物理基础 Ch. 2 # 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
MOS器件物理基础 Ch. 2 # 3
2qsiNsubCox为体效应系数，V SB 为源－体之间的电势差
MOS器件物理基础 Ch. 2 # 9
NMOS管VGS>VT、VDS=0时的示意图
MOS器件物理基础 Ch. 2 # 10
NMOS管VGS>VT、 0<VDS< VGS-VT时的示意图
沟道夹断条件
Vds≥Vgs-Vth
MOS器件物理基础 Ch. 2 # 11
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！
MOS器件物理基础 Ch. 2 # 4
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
当Q d ( Vx ) ( x)W 接近o ( V VG x G C SV -VS ( x T) ， V T )H ID n C oW L x[V (G S V T)V H D S 1 2 V D 2]S
Qd(x)接近于0，即反 型层将在X≤L处终止 ，沟道被夹断。
V 'D SV G SV TH(Pi noc )ff
IDnC oxW (VG SVT)H 2
2L
MOS器件物理基础 Ch. 2 # 17
NMOS管VGS>VT、VDS>VGS-VT时的示意图
耗尽区
电子
MOS器件物理基础 Ch. 2 # 18
NMOS管的电流公式
ID 0 截至区，Vgs<VTH
ID=n C 2o L xW [2(V G S-V T H )V D S-V D S2]