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第二章 MOS 器件物理基础

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第二章 MOS 器件物理基础

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  1. 第二章 MOS器件物理基础 1.了解无源元件的基本原理。 2.了解有源元件的基本原理。 3.了解基本MOS器件模型。

  2. 主要内容 • 了解MOS器件物理基础概念 • 掌握MOS的I/V特性 • 掌握二级效应基本概念 • 了解MOS器件模型

  3. 什么是无源器件和有源器件? • 无源器件passive devices:如果电子元器件工作时,其内部没有任何形式的电源,则这种器件叫做无源器件。 • 有源器件active devices :如果电子元器件工作时,其内部有电源存在,则这种器件叫做有源器件。 从电路性质上看,无源器件有两个基本特点:(1) 自身或消耗电能,或把电能转变为不同形式的其他能量。(2) 只需输入信号,不需要外加电源就能正常工作。 从电路性质上看,有源器件有两个基本特点:(1) 自身也消耗电能。(2) 除了输入信号外,还必须要有外加电源才可以正常工作。

  4. 分类 • 插座 • 电感 • 电阻器 无源器件 有源器件 • 晶体管 • 变压器 • 运算放大器 • 晶闸管 • 参考电压源

  5. 1.MOSFET的基本结构

  6. 2.MOSFET的结构

  7. MOSFET的结构 衬底 Ldrawn:沟道总长度 (bulk、body) LD:横向扩散长度 Leff:沟道有效长度, Leff= Ldrawn-2 LD

  8. 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!

  9. 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 寄生二极管

  10. 例:判断制造下列电路的衬底类型

  11. 1.MOSFET的基本结构 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

  12. 2.MOS的阈值电压

  13. NMOS器件的阈值电压VTH (a)栅压控制的MOSFET (b)耗尽区的形成 (c)反型的开始 (d)反型层的形成

  14. NMOS管VGS>VT、VDS=0时的示意图

  15. NMOS管VGS>VT、 0<VDS< VGS-VT时的示意图 沟道未夹断条件

  16. NMOS沟道电势示意图(0<VDS< VGS-VT ) 边界条件:V(x)|x=0=0, V(x)|x=L=VDS

  17. 2.MOS的阈值电压 1.阈值电压:引起沟道区产生强表面反型的最小栅电压。 2.沟道未夹断条件:

  18. 3. 了解I/V特性

  19. I/V特性的推导(1) 沟道单位长度电荷(C/m) 电荷移动速度(m/s) 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

  20. I/V特性的推导(2) 对于半导体: 且

  21. 三极管区的MOSFET(0 < VDS < VGS-VT) 等效为一个压控电阻

  22. I/V特性的推导(3) 三极管区(线性区) 每条曲线在VDS=VGS-VTH时取最大值,且大小为: VDS=VGS-VTH时沟道刚好被夹断

  23. 饱和区的MOSFET(VDS ≥VGS-VT) 当V(x)接近VGS-VT,Qd(x)接近于0,即反型层将在X≤L处终止,沟道被夹断。

  24. NMOS管的电流公式 截至区,Vgs<VTH 线性区,Vgs >VTH VDS< Vgs - VTH 饱和区,Vgs >VTH VDS >Vgs - VTH

  25. MOS管饱和的判断条件 d g g d NMOS饱和条件:Vgs>VTN;Vd≥Vg-VTHN PMOS饱和条件: Vgs<VTP;Vd≤Vg+| VTP| 判断MOS管是否工作在饱和区时,不必考虑Vs

  26. MOS模拟开关 • MOS管为什么可用作模拟开关? • MOS管D、S可互换,电流可以双向流动。 • 可通过栅源电源(Vgs)方便控制MOS管的导通与关断。关断后Id≈0

  27. 4.二级效应

  28. MOS管的开启电压VT及体效应 Cox:单位面积栅氧化层电容 ΦMS:多晶硅栅与硅衬底功函数之差 Qdep耗尽区的电荷,是衬源电压VBS的函数

  29. 无体效应 有体效应 源极跟随器 MOS管的开启电压VT及体效应 体效应系数,VBS=0时,=0

  30. MOS管体效应的Pspice仿真结果 Id Vb=0.5v Vb=0v Vb=-0.5v • 体效应的应用: • 利用衬底作为MOS管的第3个输入端 • 利用VT减小用于低压电源电路设计 Vg

  31. MOSFET的沟道调制效应

  32. MOSFET的沟道调制效应 L L’

  33. MOS管沟道调制效应的Pspice仿真结果 L=2µ VGS-VT=0.15V, W=100µ L=6µ L=4µ ∂ID/∂VDS∝λ/L∝1/L2

  34. 亚阈值导电特性 (ζ>1,是一个非理想因子)

  35. MOS管亚阈值导电特性的Pspice仿真结果 logID 仿真条件: VT=0.6V W/L=100µ/2µ VgS MOS管亚阈值电流ID一般为几十~几百nA, 常用于低功耗放大器、带隙基准设计。

  36. 4.二级效应 1.什么是”体效应“或者“背栅效应”? 2.什么是沟道长度调制? 3.亚阈值导电性?

  37. 5.MOS器件模型

  38. MOS器件版图

  39. MOS器件电容

  40. 减小MOS器件电容的版图结构 对于图a:CDB=CSB = WECj + 2(W+E)Cjsw 对于图b: CDB=(W/2)ECj+2((W/2)+E)Cjsw CSB=2((W/2)ECj+2((W/2)+E)Cjsw = WECj +2(W+2E)Cjsw

  41. 栅源、栅漏电容随VGS的变化曲线 C1=WLCox C3=C4=COVW Cov:每单位宽度的交叠电容 MOS管关断时: CGD=CGS=CovW, CGB=C1//C2 MOS管深线性区时: CGD=CGS=C1/2+CovW, CGB=0, C2被沟道屏蔽 MOS管饱和时: CGS= 2C1/3+CovW ,蔼CGD=CovW, CGB=0, C2被沟道屏蔽

  42. 栅极电阻

  43. MOS 低频小信号模型

  44. 完整的MOS小信号模型