MOS器件物理、绪论.ppt

亚阈值效应 亚阈值效应又称为弱反型效应 前面分析MOS管的工作状态时，采用了强反型近似，即假定当MOS管的VGS大于Vth时，表面产生反型，沟道立即形成，而当MOS管的VGS小于Vth时，器件就会突然截止。 亚阈值效应 但MOS管的实际工作状态应用弱反型模型，即当VGS略小于Vth时，MOS管已开始导通，仍会产生一个弱反型层，从而会产生由漏流向源的电流，称为亚阈值导通，而且ID与VGS呈指数关系： 其中ξ1是一非理想的因子；ID0为特征电流： ，m为工艺因子，因此ID0与工艺有关；而VT称为热电压： 。 亚阈值效应 亚阈值工作特点： 在亚阈值区的漏极电流与栅源电压之间呈指数关系，这与双极型晶体管相似。 亚阈值区的跨导为： 由于ξ1，所以gmID/VT，即相同电流MOS管最大跨导比双极型晶体管（IC/VT）小。 亚阈值效应 对于饱和区的MOS管，提高跨导增大W而保持ID不变，但ID保持不变的条件是降低VOV，进而进入亚阈值工作状态时跨导最大。 所以为了得到亚阈值区的MOS管的大的跨导，其工作速度受限（大的器件尺寸引入了大的寄生电容）。 温度效应 温度效应对MOS管的性能的影响主要体现在阈值电压Vth与载流子迁移率随温度的变化。 阈值电压Vth随温度的变化：以NMOS管为例，阈值电压表达式两边对温度T求导可以得到： 温度效应 上式的值小于零，即阈值电压随温度上升而下降。 对于PMOS管则dVth/dT总为正值，即阈值电压随温度的上升而增大。 温度效应 载流子迁移率随温度的变化 实验表明，对于MOS管，如果其表面电场小于105V/cm，则沟道中电子与空穴的有效迁移率近似为常数，并约为半导体体内迁移率的一半。 实验还发现，在器件工作的正常温度范围内，迁移率与温度近似成反比关系。 温度效应 漏源电流IDS随温度的变化 根据以上的分析，温度的变化会引起阈值电压与迁移率的变化，进而影响其漏源电流。由萨氏公式两边对T求导得： 　 　　　　　　　　　　　　 温度效应 则有：　 　　　　　　　　　　　　　 由于温度的变化对阈值电压与迁移率的影响正好是反向的，漏源电流IDS随温度的变化取决于这两项的综合，因此，MOS管的电性能的温度稳定性比双极型的晶体管好。 MOS管的小信号模型 MOS管交流小信号模型---低频 小信号是指对偏置的影响非常小的信号。 由于在很多模拟电路中，MOS管被偏置在饱和区，所以主要推导出在饱和区的小信号模型。 在饱和区时MOS管的漏极电流是栅源电压的函数，即为一个压控电流源，电流值为gmVGS，且由于栅源之间的低频阻抗很高，因此可得到一个理想的MOS管的小信号模型，如图（a）所示。 MOS管交流小信号模型---低频 (a) (b) MOS管交流小信号模型---低频 其中（a）为理想的小信号模型。 实际的模拟集成电路中MOS管存在着二阶效应，而由于沟道调制效应等效于漏源之间的电阻ro；而衬底偏置效应则体现为背栅效应，即可用漏源之间的等效压控电流源gmbVBS表示，因此MOS管在饱和时的小信号等效模型如图 (b)所示。 上图所示的等效电路是最基本的，根据MOS管在电路中不同的接法可以进一步简化。 MOS管交流小信号模型---高频 在高频应用时，MOS管的分布电容就不能忽略。即在考虑高频交流小信号工作时必须考虑MOS管的分布电容对电路性的影响。 所以MOS管的高频小信号等效电路可以在其低频小信号等效电路的基础上加入MOS管的级间电容实现，如图所示。 MOS管交流小信号模型---高频 MOS管交流小信号模型---高频 不同工作状态（截止、饱和、线性）时MOS管的分布电容值不同，因此若进行详细的计算比较困难，但可以通过软件模拟进行分析。 另外，在高频电路中必须注意其工作频率受MOS管的最高工作频率的限制（即电路的工作频率如高于MOS管的最高工作频率时，电路不能正常工作）。 CMOS中的有源电阻 有源电阻 MOS管的适当连接使其工作在一定状态（饱和区或是线性区），利用其直流电阻与交流电阻可以作为电路中的电阻元件使用。 MOS二极管作电阻 MOS二极管是指把MOS晶体管的栅极与漏极相互短接构成二端器件，如图所示。 有源电阻 MOS二极管的栅极与漏极具有同的电位，MOS管总是工作在饱和区，根据饱和萨氏方程可知其转移特性曲线（漏极电流－栅源电压间的关系曲线）如下图所示。 NMOS　　　　　　　　　　　PMOS 有源电阻 (一) 直流电阻 此时NMOS管的直流电阻为： PMOS管的直流电阻为：