第4讲 MOS管的电容和讲解

-+
B
S
VGS<0
Cgd
G
D
Cgs
Cgd
FOX P+ P衬底
FOX N+ Ldiff
衬底电阻
N+ FOX Ldiff 堆积的空穴
堆积状态的等效电容
? 主要的电容Cgb串联了一个较大的电阻
G
Cgs
Cgb
Cgd
gnd
耗尽状态
VGS不是足够“负”，也不是足够“正”，栅氧化层下
方自由电子或空穴浓度都很低，下极板情况复杂，电容
PMOS管输入输出特性曲线
阈值电压测量
有多种工程定义：本课程采用“输入特性曲线斜 率变化最大的点对应的电压”。
输出特性曲线
线性区
饱和区
VGS=5V VGS=4V
VGS=3V VGS=2V VGS=1V
线性区和饱和区的实验划分方法
线性区
饱和区
统一为:输出特性曲线中斜率变化最大的点。
一些概念问题
第4讲 MOS管外特性和寄生电容
直流特性
（1）输入转移特性 VDS固定，ID与VGS的关系
（2）输出特性 对于各种固定的VGS，ID与VDS的 关系。
ID
mn nd
ng
+
NMOS管测试
vds
电路
vgs +
-
gnd
PMOS管测试电路
PMOS管实际工作时如图（a），但仿真测试时一般
用图（b）,电路画法与NMOS相同，但VGS和VDS都 加负压。
? MOS管的理想输出特性是什么样？ ? 晶体管能够放大信号的根本原因？ ? 数字电路中MOS管主要工作在什么区？ ? 模拟电路中的MOS管主要工作在什么区？
MOS管的理想输出特性
Id
无限 靠近 Y轴
Vgs=5V Vgs=4V Vgs=3V Vgs=2V Vgs=1V
绝对水平 Vds
晶体管放大信号的根本原因
? 结论:寄生电容是影响CMOS电路性能的主要因素.
MOS管的寄生电容无法消除
FOX
L
S Cgs N+
POLY SiO2 Cgb
Cgd D N+
FOX
Csb
P
Cdb
LD
LD
栅电容
W
N+ Cjp
C jp
Cja
源（漏）电容
栅极寄生电容
覆盖电容
Cgd ? Cgs ? W ?LD ?Co?x
栅极与体 之间的电
MOS管的动态特性
? 数字电路 速度（延迟）和动态功耗。
? 模拟电路 带宽、转换速率、稳定性等。
? 影响动态特性的根本原因 电路中存在电容。电子线路的动态特性是RC 问题。
CMOS电路的速度与寄生电容的关系
? 如果完全没有寄生电容和电感,CMOS数字电路的 速度可以无限快.
? 如果完全没有寄生电容和电感,CMOS数字电路的 功耗几乎为零.
PS,PD,AS,AD等参数。
MOS管寄生电容
Cgd 栅
Cgs
漏
Cdb 体
Csb Cgb
源
任何两极之间存在电容
作为电容使用的MOS管特性
R
R
v
G
v
C
S BD
在没有好的多晶电容的工艺中，常使用MOS管（栅） 作为电容。
堆积状态
? 当VGS<0时，空穴被吸附（堆积）到栅氧化层下 方，相当于电容的一个极板（另一个极板为多晶）。
Cgb ? W (L ? 2LD )Co?x
容
TOX是栅氧化层厚度
Co?x
?
? ox
TOX
栅极电容与 MOS 管的WL 乘积成正比
源（漏）区寄生电容
? 源（漏）区与体之间存在寄生电容。 ? 源（漏）区寄生电容是PN结电容。 ? 源漏区寄生电容与源（漏）区的面积和周长称正比。 ? 仿真分析MOS电路动态特性时要给出
ns
+ 取正值 vsg
-
ng
+ vsd 取正值 ID
gnd
mp ID nd
ng
vgs + 取负值 gnd
+
vds 取负值 -
(a)
(b)
PMOS管输入输出特性分析文件
? *------ 例04: ST02 PMOS 输入特性分析 ------------? *-----------------------------------------------? .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 gnd mp w=20u l=1u ? vgs ng gnd 0 ? vds nd gnd -5 ? *-----------------------------------------------? .print dc i1(m1) $ 记录m1第一个节点的电流 ? *-----------------------------------------------? .dc vgs 0 -5 0.01 ? .dc vds 0 -5 0.01 vgs 0 -5 0.5 ? .end
? 晶体管具有受控恒流特性。
1
+
R 3
+
v vi
V12
kV 12
V32
v
-2
-
只要输出回路电流完全由输入回路电压决定， 即使k很小也能实现电压放大。
电路中的MOS管的工作区
? 数字电路 静态时在线性区或截止区。 动态时经过饱和区。
? 模拟电路 多处于饱和区。MOS管的饱和区相当于双极晶体管 的放大区。
随电压变化。
-+
B
S
VGS
少量数目电子
G
D
FOX P+ FOX N+
P衬底
耗尽层
N+ FOX
耗尽层与栅氧 化电容 C串联
强反型状态
VGS足够大时，在栅氧下形成导电沟道，将源和漏连通， 沟道相当于栅电容的一个极板。这种情况电容性能较好。
-+
反型
B
S
VGS>VTHN G
沟道 D
FOX P+ FOX N+
P衬底
耗尽层
N+ FOX
测量栅电容的仿真文件
? *-------例5：MOS管栅极电容测量 -----------------------
? .option pห้องสมุดไป่ตู้st=2
? .option search=d:/hspice2011/libs
? .option dccap
$ 按直流电容计算
? .lib st02.lib tt