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二章MOS器件物理基础
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。 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 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。 分类 电感 1.MOSFET的基本结构 2.MOSFET的结构 MOSFET的结构 MOS管正常工作的基本条件 同一衬底上的NMOS和PMOS器件 例:判断制造下列电路的衬底类型 1.MOSFET的基本结构 2.MOS的阈值电压 NMOS器件的阈值电压VTH NMOS管VGSVT、VDS=0时的示意图 NMOS管VGSVT、 0VDS VGS-VT时的示意图 NMOS沟道电势示意图(0VDS VGS-VT ) 2.MOS的阈值电压 3. 了解I/V特性 I/V特性的推导(1) I/V特性的推导(2) 三极管区的MOSFET(0 VDS VGS-VT) I/V特性的推导(3) 饱和区的MOSFET(VDS ≥ VGS-VT) NMOS管的电流公式 MOS管饱和的判断条件 MOS模拟开关 4.二级效应 MOS管的开启电压VT及体效应 MOS管的开启电压VT及体效应 MOS管体效应的Pspice仿真结果 MOSFET的沟道调制效应 MOSFET的沟道调制效应 MOS管沟道调制效应的Pspice仿真结果 亚阈值导电特性 MOS管亚阈值导电特性的Pspice仿真结果 4.二级效应 5.MOS器件模型 MOS器件版图 MOS器件电容 减小MOS器件电容的版图结构 栅源、栅漏电容随VGS的变化曲线 栅极电阻 MOS 低频小信号模型 完整的MOS小信号模型 L L’ VGS-VT=0.15V, W=100μ ?ID/?VDS∝λ/L∝1/L2 L=2μ L=6μ L=4μ (ζ1,是一个非理想因子) VgS logID 仿真条件: VT=0.6V W/L=100μ/2μ 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。 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? 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 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 C1=WLCox 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 * * 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。 变压器 晶体管 运算放大器 电阻器 插座 参考电压源 晶闸管 有源器件 无源器件 衬底 Ldrawn:沟道总长度 Leff:沟道有效长度, Leff= Ldrawn-2 LD LD:横向扩散长度 (bulk、body) 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! 寄生二极管 寄生二极管 *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 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 MOS管所有pn结必须反偏: (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 沟道未夹断条件 边界条件:V(x)|x=0=0, V(x)|x=L=VDS 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: Qd:沟道电荷密度 Cox:单位面积栅电容 沟道单位长度电荷(C/m) WCox:MOSFET单位长度的总电容 Qd(x)
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