mos器件物理基础课件.ppt

1、本章内容本章内容nMOSFET 的的I-V 特性特性nMOSFET 的二级效应的二级效应nMOSFET 的结构电容的结构电容nMOSFET 的小信号模型的小信号模型11/21/20221绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管MOSFET绝缘栅型绝缘栅型增强型增强型(常闭型常闭型)耗尽型耗尽型(常开型常开型)N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道Insulated Gate Field Effect TransistorMOS管：管：Metal Oxide Semiconductor 利用栅源电压的大小控制半导体表面的感生电荷的多利用栅源电压的大小控制半导体表面的感生电荷的多少，从而改变沟道电阻，控

2、制漏极电流的大小。少，从而改变沟道电阻，控制漏极电流的大小。11/21/20222 N沟道增强型沟道增强型MOSFET1.结构结构 11/21/202232.工作原理工作原理00 GSDSuu,GSDSuu,0耗尽层加厚耗尽层加厚uGS 增加增加反型层反型层吸引自由电子吸引自由电子栅极聚集正电荷栅极聚集正电荷排斥衬底空穴排斥衬底空穴剩下负离子区剩下负离子区 耗尽层耗尽层0 GSu漏源为背对的漏源为背对的PN结结 无导电沟道无导电沟道 即使即使00 DDSiu,开启电压开启电压 ：沟道形成的栅源电压。：沟道形成的栅源电压。)(thGSU(1)对导电沟道的影响对导电沟道的影响.GSDSuu时时0+

3、11/21/20224(2)对对 的影响的影响.DSthGSGSuUu时时)(Di)(thGSGSDSUuu)(thGSGSDSUuu)(thGSGSDSUuuDSu 线性增大线性增大Di沟道从沟道从s-d逐渐变窄逐渐变窄DSu)(thGSGDUu 沟道沟道预夹断预夹断DSu夹断区延长夹断区延长 几乎几乎不变不变Di恒流区恒流区11/21/202253.特性曲线与电流方程特性曲线与电流方程 2)(1thGSGSDODUuIi。时的时的是是，其中，其中，DthGSGSDOiUuI)(211/21/20226FET放大电路的动放大电路的动态分析态分析一、一、FET的低频小信号等效模型的低频小信号等

4、效模型 DSGSDuufi,DSUDSDGSUGSDDduuiduuidiGSDS dsUDSDmUGSDruiguiGSDS1 令令dsdsgsmdUrUgI1 11/21/20227DQDOthGSmDQDDDOthGSUthGSGSthGSDOUGSDmIIUgIiiIUUuUIuigDSDS)()()()(2 .212 小信号作用时，小信号作用时，gm与与rds的求法的求法11/21/20228gm与与rds的求法的求法11/21/20229二、基本共源放大电路的动态分析二、基本共源放大电路的动态分析doidmgsdgsmgsddiouRRRRgURUgURIUUA 11/21/202

5、2102.1 MOSFET的基本概念的基本概念2.1.1 MOSFET开关开关阈值电压是多少？当器件导通时，漏源之间的电阻阈值电压是多少？当器件导通时，漏源之间的电阻有多大？这个电阻与端电压的关系是怎样的？总是有多大？这个电阻与端电压的关系是怎样的？总是可以用简单的线性电阻来模拟漏和源之间的通道？可以用简单的线性电阻来模拟漏和源之间的通道？器件的速度受什么因素限制？器件的速度受什么因素限制？11/21/2022111.MOSFET的三种结构简图的三种结构简图图图2.1 NMOS FET结构简图结构简图2.1.2 MOSFET的结构的结构11/21/202212图图2.2 PMOS FET结构简

6、图结构简图11/21/202213图图2.3 CMOS FET的结构简图的结构简图11/21/2022142.MOS FET结构尺寸的通用概念结构尺寸的通用概念W:gate widthLdrawn(L):gate length(layout gate length)Leff:effective gate lengthLD:S/D side diffusion lengthW/L:aspect ratioS,D,G,B:source,drain,gate,body(bulk)11/21/2022153.MOS FET 的四种电路符号的四种电路符号GDSBGSDBNMOSPMOS(d)11/21/

7、2022162.2 MOS的的I/V特性特性2.2.1.阈值电压阈值电压n先看先看MOS器件的工作原理器件的工作原理:以以NMOS为例来分析阈值电压为例来分析阈值电压产生的原理产生的原理.(a)VGS=0 11/21/202217在在(a)图中，图中，G极没有加入极没有加入电压时，电压时，G极和极和sub表面之间，表面之间，由于由于Cox的存在，构成了一个的存在，构成了一个平板电容，平板电容，Cox为单位面积的为单位面积的栅氧电容栅氧电容;(b)VGS0 (c)在栅极加上正电压后，如在栅极加上正电压后，如图图(b)所示，所示，P-sub靠近靠近G的空的空穴就被排斥，留下了不可动穴就被排斥，留下

8、了不可动的负离子。这时没有导电沟的负离子。这时没有导电沟道的形成，因为没有可移动道的形成，因为没有可移动的载流子，的载流子，G和衬底间仅形成和衬底间仅形成了氧化层电容和耗尽层电容了氧化层电容和耗尽层电容的串连的串连,如图如图(c)所示。所示。11/21/202218（d）当）当VG继续增加，界面电继续增加，界面电势达到一定值时，就有电子从源势达到一定值时，就有电子从源极流向界面并最终到达漏极，导极流向界面并最终到达漏极，导电沟道形成，晶体管打开。如图电沟道形成，晶体管打开。如图（d）所示。这时，这个电压值）所示。这时，这个电压值就是就是“阈值电压阈值电压”.THV)()(gatesubFFms

9、 oxdepFmsTHCQV 2 isubFnNqKTln(d)功函数差功函数差费米势费米势,MOS强反型时的强反型时的表面势为费米势的表面势为费米势的2倍倍subFsidepNqQ 4耗尽区电荷耗尽区电荷(2.1)11/21/202219PMOS器件的导通器件的导通:与与NFETS类似类似,极性相反极性相反.oxdepFmsTHCQV 2 isubFnNqKTln subFsidepNqQ 411/21/2022202.2.2 I/V特性推导特性推导Iv我们用一个电流棒来辅助理解电流的概念我们用一个电流棒来辅助理解电流的概念.当沿电流方向的电荷密度为当沿电流方向的电荷密度为Qd(C/m)的电

10、荷以速度的电荷以速度v沿电流沿电流方向移动时方向移动时,产生的电流为产生的电流为vQId*AsmmC*量量纲纲(2.2)11/21/202221 NMOS 沟道的平板电容近似与沟道电荷分布沟道的平板电容近似与沟道电荷分布若将若将MOS结构等效为一个由结构等效为一个由poly-Si和反型沟道构成的平板电和反型沟道构成的平板电容。对均匀沟道，当容。对均匀沟道，当VD=VS=0时，宽度为时，宽度为W的沟道中，单位的沟道中，单位长度上感应的可移动电荷量为长度上感应的可移动电荷量为式中式中Cox为栅极单位面积电容，为栅极单位面积电容，WCox为单位长度栅电容为单位长度栅电容.)(THGSoxdVVWCQ

11、 (2.3)11/21/202222如果从如果从S到到D有一电压差有一电压差VDS，假设平板电容在，假设平板电容在L方向上方向上x点的点的电位为电位为V(x),如上图所示如上图所示则有则有:)()(xVVVWCxQTHGSoxd(2.4)电荷漂移速度电荷漂移速度：漂移速度：漂移速度 drift speed ：迁移率：迁移率 mobility：电场强度：电场强度 electric field EE(2.5)dxxdVxE)()(11/21/202223)()()()()(xExQxvxQxIddD 综合综合(2.2)-(2.5)有有)()()()()(dxxdVVxVVWCdxxdVVxVVWC

12、xInTHGSoxnTHGSoxD (2.6)DSVLVV)(,)(00边界条件边界条件DSVVTHGSoxnLxDxdVVxVVCWdxxI00)()()(两边积分可得两边积分可得221DSDSTHGSoxnDVVVVLWCI)(沟道中电流是连续的恒量，即有：沟道中电流是连续的恒量，即有：11/21/202224分析：分析：令令 ,求得各抛物线的极求得各抛物线的极大值在大值在 点上，点上，且相应各峰值电流为且相应各峰值电流为:)(THGSDSVVV0DSDVI221)(max,THGSoxnDVVLWCI(2.7)VGS-VTH为过驱动（为过驱动（overdrive）电压，只有过驱动电压）电

13、压，只有过驱动电压可以形成反型层电荷。可以形成反型层电荷。THGSDSVVV时，器件工作在时，器件工作在“三极管区三极管区”.221DSDSTHGSoxnDVVVVLWCI)(11/21/202225MOS器件作为逻辑工作和模拟开关，或小值线性电阻运器件作为逻辑工作和模拟开关，或小值线性电阻运用时，都会工作于深用时，都会工作于深Triode区。此时区。此时VGS较大，较大，MOS管的管的VDS很小，若满足：很小，若满足：DSTHGSoxnDVVVLWCI)()(THGSDSVVV 22.2.3 MOS器件深器件深Triode区时的导通电阻区时的导通电阻此时（此时（2.6）简化为：）简化为：(2

14、.8)(2.8)表明表明 为直线关系，如图为直线关系，如图(2.12)所示所示.DSDVI11/21/202226)(THGSoxnDDSonVVLWCIVR 1(2.9)此时此时 D,S间体现为一个电阻，其阻值为：间体现为一个电阻，其阻值为：11/21/202227（2.9）式表示：）式表示：a：在满足：在满足 的条件下，的条件下，MOS管体现管体现出线性电阻的特性，其直流电阻与交流动态电阻相等。出线性电阻的特性，其直流电阻与交流动态电阻相等。b：该线性电阻大小取决与：该线性电阻大小取决与VGS，即调节，即调节VGS，可调节电，可调节电阻的大小。因此我们常常把工作在这种区域的晶体管阻的大小。

15、因此我们常常把工作在这种区域的晶体管称为称为“压控晶体管压控晶体管”。)(2THGSDSVVV11/21/202228讨论讨论:一个一个NMOS管管,若偏置电压若偏置电压VGSVTH,漏级开路漏级开路(ID=0),问：此晶体管是处于问：此晶体管是处于cut off 状态还是其他状状态还是其他状态态?为什么为什么?例例2.111/21/202229由由 可知：可知：VDS1VG0X1)()(1THGSVVXV2.2.4 MOS管在饱和区的跨导管在饱和区的跨导)()(xVVVWCxQTHGSoxd当当 时，漏极电流怎样变化呢？时，漏极电流怎样变化呢？THGSDSVVVTHGSVVxV)(时，时，0

16、)(xQd，此时认为沟道夹断，此时认为沟道夹断(pinch off).THGSDSVVV的增大向源端移动。的增大向源端移动。)()(2THGSVVXVVDS2VDS1VG0X2DSV时时,夹断点随着夹断点随着THGSDSVVV,沟道在沟道在 处夹断处夹断.Lx 11/21/202230221)(THGSoxnDVVLWCI 若若LL DIDSV,则则与与无关无关.DSVVTHGSoxnLxDxdVVxVVCWdxxI00)()()(THGSVVVTHGSoxnLxDxdVVxVVCWdxxI00)()()(由由 时时,相对恒定，器件工作在饱和区。相对恒定，器件工作在饱和区。)(THGSDSVV

17、VDI(2.10)11/21/202231221)(THGSoxnDVVLWCI(2.10)221DSDSTHGSoxnDVVVVLWCI)(式式(2.6),(2.10)为为analog CMOS design 的最基本的方程的最基本的方程式式.(2.6)它们描述了它们描述了ID与工艺常数与工艺常数 ,器件尺寸器件尺寸W和和L以及栅和以及栅和漏相对于源的电位之间的关系漏相对于源的电位之间的关系.oxnC11/21/202232若若 ，可以得到，可以得到 不同不同VGS下漏电流曲线为下漏电流曲线为:178GSGSGSVVV.LL 11/21/202233221DSDSTHGSoxpDVVVVLW

18、CI)(221)(THGSoxpDVVLWCI 对于对于PMOS器件器件,其在三极管区和饱和区的电流方程分其在三极管区和饱和区的电流方程分别表示为别表示为11/21/202234若若LL,那么工作在饱和区的那么工作在饱和区的MOSFET构成一个构成一个连接源和漏的电流源连接源和漏的电流源,如图如图2.17所示所示.2121)(THGSoxnVVLWCI 2221)(THGSoxpVVLWCI 11/21/202235n跨导跨导gm的定义的定义ngm是指在一定的是指在一定的VDS下，下，ID对对VGS的变化率。的变化率。ngm代表了器件的灵敏度：对于一个大的代表了器件的灵敏度：对于一个大的gm来

19、说，来说，VGS的的一个微小的改变将会引起一个微小的改变将会引起ID产生很大的变化。产生很大的变化。)(HTGSoxnconstVGSDmVVLWCVIgDS 当当MOS器件处于饱和区时器件处于饱和区时,沟道被夹断沟道被夹断.当当VDS增大时增大时,夹断点夹断点向向S方向移动，沟道长度由方向移动，沟道长度由L变成了变成了L,故饱和区电流方程中故饱和区电流方程中L应用应用L取代取代,但当但当L较大较大,VDS不是很高时不是很高时,我们仍以我们仍以L作为作为MOS管的沟长管的沟长.(2.11)11/21/202236gm的变形表达式的变形表达式n将式将式两边平方得两边平方得n所以所以n将乘以一个（

20、将乘以一个（VGS-VTH）,除以一个（除以一个（VGS-VTH）得）得DoxnTHGSoxnoxnmILWCVVLWCLWCg 222)(.DoxnmILWCg 2)()().(HTGSDHTGSHTGSHTGSoxnmVVIVVVVVVLWCg2(2.12)(2.13)11/21/202237根据根据gm的表达式的表达式,我们可以得到如图我们可以得到如图2.18所示的曲线所示的曲线,它反映了它反映了gm随某一参数变化的特性随某一参数变化的特性.THGSDDoxnHTGSoxnmVVIILWCVVLWCg22 )(11/21/202238提高提高gm的的有效方法有效方法n提高载流子的沟道迁移

21、率提高载流子的沟道迁移率,选用高迁移率的材料选用高迁移率的材料,并并使用迁移率高的晶面使用迁移率高的晶面.n制作高质量、尽可能薄的栅氧化层制作高质量、尽可能薄的栅氧化层;n尽可能使用宽长比比较大的图形尽可能使用宽长比比较大的图形;n减小源、漏区体电阻和欧姆接触电阻以减小串连电减小源、漏区体电阻和欧姆接触电阻以减小串连电阻阻,因为因为)(*DsdrsmmmRRgRggg111/21/202239怎样区分饱和区和三极管区怎样区分饱和区和三极管区?当栅压和漏压之差不足以形成反型层时当栅压和漏压之差不足以形成反型层时,沟道被夹断沟道被夹断,器件工作器件工作在饱和区在饱和区.THNDGVVVTHPGDV

22、VV对对NMOS:对对PMOS:11/21/202240THGSDSVVVTHGSDSVVVTHGSVVTHGSodVVVTriode 区又称非饱和区或线性电阻区；区又称非饱和区或线性电阻区；Saturation 区又称饱和区；区又称饱和区；cut off 区又称截止区；区又称截止区；Overdrive Voltage 有时也称有时也称Vod，它的表达式为，它的表达式为有关的重要术语和概念：有关的重要术语和概念：aspect ratio W/L11/21/202241对应沟道刚刚对应沟道刚刚pinch off 的情况的情况:如果如果D端电位增加，则沟道端电位增加，则沟道pinch off 的情

23、况变为的情况变为:THGSDSVVVTHGSDSVVV11/21/2022422.3 二级效应二级效应2.3.1 体效应体效应通常通常,NMOS的源极和的源极和P型衬底相连型衬底相连,处于同一电位处于同一电位,如图如图(a)所示所示.但在实际电路中（特别是但在实际电路中（特别是Analog电路中），一些器件会处于源电路中），一些器件会处于源极和衬底电位分离的状态。例如衬底接地，源极电位高于衬底；极和衬底电位分离的状态。例如衬底接地，源极电位高于衬底；或源极接地，衬底接上负电位，如图或源极接地，衬底接上负电位，如图(b)所示所示:(a)(b)11/21/202243的作用，衬底吸走更多的空穴，在

24、沟道处留下更多不可动的的作用，衬底吸走更多的空穴，在沟道处留下更多不可动的负离子，由于栅的镜像作用，栅上出现更多的正电荷，这表负离子，由于栅的镜像作用，栅上出现更多的正电荷，这表明衬底在反型前明衬底在反型前 被提高了，也就是阈值电压被提高了，也就是阈值电压 提高了提高了.以源极接地，衬底接负电位为例：以源极接地，衬底接负电位为例：假设假设 ,在反型沟在反型沟道出现之前道出现之前()，沟，沟道处由于栅极电压出现耗尽道处由于栅极电压出现耗尽层。层。时，耗尽层中的电荷数量少些；时，耗尽层中的电荷数量少些；0BVBV当当 后后,由于由于0BVGVTHV0DSVVTHGVV 11/21/202244这被

25、称为这被称为body effect 或或back gate effect 或或substrate bia effect.(源极电位和衬底电位不同源极电位和衬底电位不同,引起阈值电压的变化引起阈值电压的变化)oxdepFmsTHCQV 2从从 的表达式来看的表达式来看:THVdepQ增加了增加了,所以所以 提高了提高了.THV)(FSBFTHTHVVV 220考虑体效应后，考虑体效应后，oxsubSiCNq/2214030/.V 其中体效应系数其中体效应系数对于对于NMOS管，管，F为正为正,当当VB比比VS负时负时,VSB为正为正,VTH提高提高.,(2.14)11/21/202245实际应用

26、中，实际应用中，VSB只会为正值，或只会为正值，或VB只会等于只会等于VS或低于或低于VS，VSB被称为被称为sourcebody 电势差。电势差。对对PMOS管，衬底接管，衬底接Vdd，源极电位等于或低于，源极电位等于或低于Vdd。故这时。故这时VSB为负值，为负值，且且F为负为负,相应地相应地VTH绝对值增加。绝对值增加。)(FNFNBSpTHTHPVVV 220)(FPSBFPnTHTHNVVV 220)(FSBFTHTHVVV 22011/21/202246考虑图考虑图(a)所示的电路所示的电路,Vin变化时变化时,Vout将怎样变化？将怎样变化？11/21/202247由由 变化引起

27、变化引起.MOSFET工作于饱和区时工作于饱和区时,有效沟长有效沟长 为为2.3.2 沟长调制效应沟长调制效应LLL LLLLLLLLLL/11122)()()(LLVVLWCVVLWCITHGSoxnTHGSoxnD 1212122 LDSV L这时这时,饱和区电流表达式为饱和区电流表达式为VDVG0LVSTHGSDSVVVL11/21/202248由于由于 由由 变化引起变化引起,故令故令LDSVDSVLL 于是可得到考虑沟道长度调制效应的饱和电流方程：于是可得到考虑沟道长度调制效应的饱和电流方程：)()(DSTHGSoxnDVVVLWCI 1212考虑沟长调制效应后饱和区的跨导相应修改为

28、：考虑沟长调制效应后饱和区的跨导相应修改为：HTGSDDSDoxnDSHTGSoxnGSDmVVIVILWCVVVLWCVIg2121)()(其中其中 是沟道长度调制系数是沟道长度调制系数,表示表示VDS对沟道对沟道L产生作用的产生作用的大小因子。大小因子。(2.15)11/21/202249,在一定的在一定的 下下,为定值为定值,于是有于是有关于沟长调制效应我们应关注的问题：关于沟长调制效应我们应关注的问题：DSVLLDSVLL由于由于反比于反比于 .DSDVI的曲线修正为：的曲线修正为：11/21/202250器件进入饱和器件进入饱和区后，区后，ID随随VDS的增大而增大。的增大而增大。越

29、靠近越靠近x轴的轴的曲线越平坦，越曲线越平坦，越往上曲线越陡峭，往上曲线越陡峭，增幅越大。增幅越大。从这个曲线可以从这个曲线可以看出：看出：11/21/202251MOS器件输出电阻与沟道长度的关系器件输出电阻与沟道长度的关系:由由(2.15)式求出输出电导式求出输出电导 221)(THGSoxnDSDVVLWCVI22121LVVWCVITHGSoxnDSD)(L1 2LIVrDDSo DTHGSoxnDSDoIVVLWCVIr121112)(又因为又因为,故有故有或有输出电阻或有输出电阻以上分析表明以上分析表明:在在(VGS VTH)一定时一定时,2Lro而在而在ID一定的情况下一定的情况

30、下,Lro因为因为(2.16)11/21/202252重要结论重要结论:MOS器件输出电阻与沟道长度有极大的关系器件输出电阻与沟道长度有极大的关系.在模拟电路放在模拟电路放大器设计中大器设计中,作为放大器件的作为放大器件的MOS管及作为负载的管及作为负载的MOS管管,应应取较大的沟长取较大的沟长.特别是负载器件特别是负载器件,L更要大一些更要大一些.饱和区电流方程饱和区电流方程)()(DSTHGSoxnDVVVLWCI 1212表明一个表明一个MOS器件的沟道电流由器件的沟道电流由VGS和和VDS共同决定，但共同决定，但VDS的的调节作用很微弱。作为恒流源的调节作用很微弱。作为恒流源的MOSF

31、ET来说，恒流源由来说，恒流源由VGS决定，决定，VDS对对ID的调节只作为一种误差分析。的调节只作为一种误差分析。11/21/2022532.3.3 亚阈值导电性亚阈值导电性nVGS200mV后，饱和区后，饱和区ID-VGS平方律的特性变为指数的关系平方律的特性变为指数的关系:TGSDVVII exp0亚阈值导电会导致较大的功率损耗。因此亚阈值工作状亚阈值导电会导致较大的功率损耗。因此亚阈值工作状态一般不可取。只在一些特殊情况，如低速低功耗的电态一般不可取。只在一些特殊情况，如低速低功耗的电路（如数据纪录的电表、仪表电路等）才会用到。路（如数据纪录的电表、仪表电路等）才会用到。是一个非理想因

32、子。是一个非理想因子。(2.17)11/21/202254前面内容复习前面内容复习221)(THGSoxnDVVLWCI 221DSDSTHGSoxnDVVVVLWCI)(1.MOS的的I/V特性特性THGSDSVVVTHGSDSVVVTHGSVVa.,MOS管截止管截止;THGSVVb.,MOS管导通管导通;当当时时,MOS管工作在三极管区管工作在三极管区;时时,MOS管工作在饱和区管工作在饱和区;当当11/21/202255深三极管区导通电阻深三极管区导通电阻)(THGSoxnDDSonVVLWCIVR 1饱和区跨导饱和区跨导THGSDDoxnHTGSoxnmVVIILWCVVLWCg22

33、 )(11/21/2022562.MOS的二级效应的二级效应a.体效应体效应(背栅效应背栅效应)源与衬底电位不同源与衬底电位不同,引起阈值电压的变化引起阈值电压的变化(增加增加).)(FSBFTHTHVVV 220b.沟长调制效应沟长调制效应(饱和区饱和区,引起引起 的现象的现象.)DSVL)()(DSTHGSoxnDVVVLWCI 1212THGSDDSDoxnDSHTGSoxnGSDmVVIVILWCVVVLWCVIg2121)()(11/21/202257 c.亚阈值导电性亚阈值导电性 VGS200mV后后,饱和区饱和区ID-VGS平方律的特性变为指数的关系平方律的特性变为指数的关系:T

34、GSDVVII exp011/21/2022582.4 MOS器件模型器件模型2.4.1 MOS器件版图器件版图MOSFET的版图由电路中的的版图由电路中的器件所要求的电特性器件所要求的电特性和和工艺要求的工艺要求的设计规则设计规则共同决定共同决定.每个晶体管的宽度和长度由电路设计决定每个晶体管的宽度和长度由电路设计决定,而而L的最小值由工艺决定的最小值由工艺决定,版图中其他大多数尺寸受设计规则的限版图中其他大多数尺寸受设计规则的限制制.(最小宽度最小宽度,最小间距最小间距,最小包围最小包围,最小延伸最小延伸)11/21/202259例例2.5 画出图画出图(a)所示电路的版图所示电路的版图.

35、11/21/2022602.4.2 MOS器件电容器件电容n寄生电容模型参数寄生电容模型参数Cox:栅栅-沟道单位面积氧化层电容沟道单位面积氧化层电容Cj:单位结面积电容单位结面积电容,与电压有关与电压有关Cjsw:PN结单位周长侧面电容结单位周长侧面电容Cov:单位栅宽覆盖电容单位栅宽覆盖电容耗尽层单位面积电容由工艺参数算得耗尽层单位面积电容由工艺参数算得EWmBRjjVCC/1011/21/202261C1,栅和沟道之间的氧化层电容栅和沟道之间的氧化层电容C2,衬底和沟道之间的耗尽层电容衬底和沟道之间的耗尽层电容C3,C4,多晶硅栅与源漏的交叠电容多晶硅栅与源漏的交叠电容C5,C6,源源/

36、漏区与衬底间的结电容漏区与衬底间的结电容于是我们可算出图中于是我们可算出图中C1-C6 分别为分别为:oxWLCC 1)/(FsubSiNqWLC 42 ovWCCC43jswjCEWCEWCC)(265EW11/21/202262MOS电容电容:u图中图中CSB和和CDB为为S-B和和D-B结电结电容容,即即CSB=C5,CDB=C6;u器件关断时，图中器件关断时，图中CGB为氧化为氧化层电容和耗尽层电容的串联；层电容和耗尽层电容的串联；其他状态时，其他状态时，CGB被忽略；被忽略；u图中图中CGD和和CGS则与则与MOS管的工管的工作状态有关作状态有关:)/(2121CCCCCGB沟道截止

37、时，沟道截止时，CGS=CGD=WCov.11/21/202263于是可提出于是可提出CGS,CGD随随MOS状态的变化图状态的变化图:深深 Triode 导通区，导通区，S，D沟道连成一片，将沟道连成一片，将C1各分一半则得各分一半则得CGD和和CGS.即即Triode区有区有CGS=CGD=WLCox/2+WCov.饱和区时饱和区时,CGD=C4=WCov,ovoxoxGSWCWLCWLCCC3232311/21/202264作业n课后习题2.3,2.411/21/202265前面介绍了前面介绍了MOS器件在各工作区的器件在各工作区的I/V特性，讨论的是电流特性，讨论的是电流和电压在一个大

38、范围内变化的特性，它与器件电容构成了和电压在一个大范围内变化的特性，它与器件电容构成了MOSFET的大信号模型。通常我们研究器件的工作区域的大信号模型。通常我们研究器件的工作区域(工工作点作点),输入输出范围输入输出范围,都属于大信号分析都属于大信号分析.若我们的讨论只限若我们的讨论只限于于MOS器件在某一工作点附近微小变化的行为器件在某一工作点附近微小变化的行为,即信号对偏即信号对偏置影响小，称为小信号分析置影响小，称为小信号分析.此时此时MOS器件的工作模型称小器件的工作模型称小信号模型信号模型.2.4.3 MOS Small-Signal Models 11/21/202266 MOS管

39、的交流小信号模型是以其直流工作点为基础的。由管的交流小信号模型是以其直流工作点为基础的。由于分析的是于分析的是MOS管的交流小信号的响应，因此可以在工作点附管的交流小信号的响应，因此可以在工作点附近采用线性化的方法得出模型。小信号模型中的参数直接由直近采用线性化的方法得出模型。小信号模型中的参数直接由直流工作点的电流、电压决定。相同的流工作点的电流、电压决定。相同的MOS管在不同的直流工作管在不同的直流工作点处得到的小信号参数是不同的。交流模型反映的是点处得到的小信号参数是不同的。交流模型反映的是MOS管对管对具有一定频率的信号的响应，它有别于具有一定频率的信号的响应，它有别于MOS管的直流特

40、性。直管的直流特性。直流模型和交流模型的关系如下图所示：流模型和交流模型的关系如下图所示：11/21/202267MOS器件是一个压控器件。以器件是一个压控器件。以NMOS FET为例，它处于三个为例，它处于三个直流电压偏置状态：直流电压偏置状态：VGS、VBS、VDS。这三个偏置电压中任。这三个偏置电压中任意一个发生改变，都会引起器件沟道电流的变化。电流变化意一个发生改变，都会引起器件沟道电流的变化。电流变化与电压变化的比率就是电导参数，因此，在小信号分析中我与电压变化的比率就是电导参数，因此，在小信号分析中我们必须借助于三个电导参数。们必须借助于三个电导参数。栅跨导栅跨导:衬底跨导衬底跨导

41、:沟道电导沟道电导:contVVGSDmBSDSVIg,contVVDSDdsBSGSVIg,contVVBSDmbGSDSVIg,11/21/202268(1)不考虑二级效应时不考虑二级效应时,最简单的低频小信号模型最简单的低频小信号模型:DSdsBSmbGSmDScontVVDSDBScontVVBSDGScontVVGSDDvgvgvgVVIVVIVVIiBSGSGSDSBSDS ,GSmGScontVVGSDDvgVVIiBSDS,(2.19)(2.18)小信号模型小信号模型（等效电路）（等效电路）11/21/202269(2)考虑沟长调制效应后模型考虑沟长调制效应后模型:DSdsGS

42、mDScontVVDSDGScontVVGSDDvgvgVVIVVIiBSGSBSDS ,)()(DSTHGSoxnDVVVLWCI 1212oDDDSrIIV 1注注:器件模型中会给出器件模型中会给出,所给出的所给出的为特征尺寸下的为特征尺寸下的值值.不同的沟长不同的沟长MOS器件器件不同不同,因因1/L.由由(2.18)知某一给定知某一给定MOS器件器件,工作直流偏置越大工作直流偏置越大,输出电阻越小输出电阻越小.(2.20)11/21/202270(3)同时考虑沟道调制效应和同时考虑沟道调制效应和body效应效应,模型为模型为:其中其中VBS是通过影响是通过影响VTH发生作用的发生作用的

43、.DSdsBSmbGSmDScontVVDSDBScontVVBSDGScontVVGSDDvgvgvgVVIVVIVVIiBSGSGSDSBSDS ,11/21/2022712122)(SBFSBTHVVV BSSBVVSBFmSBTHmmbVgVVgg 22 对对NMOS,有有)(FSBFTHOTHVVV 22 于是于是因为因为,所以所以(2.22)()(BSTHmBSTHTHGSoxnBSTHTHDBSDmbVVgVVVVLWCVVVIVIg(2.21)求得求得221)(THGSoxnDVVLWCI 根据根据11/21/202272SBFV 22 则有则有 ,表示背栅跨导与跨导的相对大小

44、表示背栅跨导与跨导的相对大小因子因子.mmbgg 令令mmbgg(2.23)注注:衬底跨导表示衬底偏置电压对漏电流的控制能力衬底跨导表示衬底偏置电压对漏电流的控制能力。它通过。它通过改变表面耗尽层的厚度，从而改变空间电荷面密度来控制表改变表面耗尽层的厚度，从而改变空间电荷面密度来控制表面反型层的电荷密度，最终实现对沟道导电能力的控制。因面反型层的电荷密度，最终实现对沟道导电能力的控制。因此，衬底可视为另一个栅，也称为此，衬底可视为另一个栅，也称为“背栅背栅”。11/21/202273等效电路中等效电路中 和和 具有同样的电流极性具有同样的电流极性,即增大栅电即增大栅电压与增大衬底电压效果相同压

45、与增大衬底电压效果相同.当当VGS增加或者增加或者VBS增加时增加时,ID都增加都增加.但但VBS只能取负的偏置只能取负的偏置(衬底只能衬底只能0偏和反偏偏和反偏),VBS有增量表示反有增量表示反偏量减少偏量减少,而不是反偏量增多而不是反偏量增多.需要强调的是等效电流需要强调的是等效电流gmbVBS中的中的VBS本应记为本应记为VBS.而而2.22,2.23中的中的VBS是直流偏置量是直流偏置量.BSmbVgGSmVg11/21/202274(4)完整的小信号模型完整的小信号模型注意注意:前面导出的小信号模型是前面导出的小信号模型是MOSFETS工作在饱工作在饱和区时的小信号模型和区时的小信号

46、模型;对于用作开关的晶体管对于用作开关的晶体管,我们用我们用导通电阻和器件电容作为导通电阻和器件电容作为MOSFETS的小信号模型的小信号模型.11/21/2022752.4.4 MOS Spice Models 见见Table 2.1 一级模型一级模型 模型参数分模型参数分NMOS和和PMOS(0.5m工艺工艺)11/21/202276 参数定义：11/21/202277使用时，直接删除本页！使用时，直接删除本页！精品课件，你值得拥有精品课件，你值得拥有！精品课件，你值得拥有精品课件，你值得拥有！11/21/202278使用时，直接删除本页！使用时，直接删除本页！精品课件，你值得拥有精品课件

47、，你值得拥有！精品课件，你值得拥有精品课件，你值得拥有！11/21/202279使用时，直接删除本页！使用时，直接删除本页！精品课件，你值得拥有精品课件，你值得拥有！精品课件，你值得拥有精品课件，你值得拥有！11/21/202280由于一般有由于一般有 ，在相同的条件下，在相同的条件下，NMOS器件比器件比PMOS器件能提供更大的电流和跨导。另外，在给定的尺器件能提供更大的电流和跨导。另外，在给定的尺寸和偏置电流的情况下，寸和偏置电流的情况下，NMOS晶体管表现出更大的输出晶体管表现出更大的输出电阻电阻，因此它比，因此它比PMOS FET更易于作为理想的电流源和更更易于作为理想的电流源和更高增益的放大器。高增益的放大器。pn32.4.5 NMOS Versus PMOS11/21/202281