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第二章MOS器件物理基础 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 NMOS器件的阈值电压VTH NMOS沟道电势示意图(0VDS VGS-VT ) I/V特性的推导（1） I/V特性的推导（2） I/V特性的推导（3） 三极管区的nMOSFET（0 VDS VGS－VT） 饱和区的MOSFET（VDS ≥ VGS－VT） MOSFET的I/V特性 NMOS管的电流公式 MOS管饱和的判断条件 MOSFET的跨导gm MOS模拟开关 NMOS模拟开关传送高电平的阈值损失特性 PMOS模拟开关传送低电平的阈值损失特性 MOS管的开启电压VT及体效应 MOS管体效应的Pspice仿真结果 衬底跨导 gmb 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 MOS管跨导gm不同表示法比较 亚阈值导电特性 MOS管亚阈值导电特性的Pspice仿真结果 MOS器件版图 MOS器件电容 NMOS器件的电容--电压特性 减小MOS器件电容的版图结构 栅极电阻 MOS 低频小信号模型 完整的MOS小信号模型 例：求下列电路的低频小信号输出电阻(γ＝0) 例：求下列电路的低频小信号输出电阻(γ＝0) 例：求下列电路的低频小信号输出电阻(γ＝0) 小信号电阻总结（γ＝0） 例：若W/L＝50/0.5，|ID|＝500uA，分别求: NMOS、PMOS的跨导及输出阻抗以及本征增益gmr0 （tox=9e-9 λn=0.1, λp=0.2 , μ n= 350cm2/V/s, μ p= 100cm2/V/s ） 本章基本要求 Vb=0.5v Vb=0v Vb=-0.5v Id Vg 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 L L’ VGS-VT=0.15V, W=100μ ?ID/?VDS∝λ/L∝1/L2 Ｌ=2μ Ｌ=6μ Ｌ=4μ 3 2 1 跨导gm 上式中: (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。 MOS器件模型 MOS电容器的结构 C1:栅极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 C3,C4栅极和有源区交叠电容 C5,C6有源区和衬底之间的结电容 栅源、栅漏、栅衬电容与VGS关系 1) VGS VTH截止区 2) VGS VTH VDS VGS – VTH深三极管区 3) VGS VTH VDS VGS – VTH饱和区 栅源、栅漏电容随VGS的变化曲线 积累区 强反型 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 作业： 2.1,2.2,2.5,2.9,2.15 实验 熟悉HSPICE环境及MOS晶体管特性 在Windows下Tanner环境下SPICE的使用 任务： 1)完成NMOS和PMOS晶体管I-V特性的仿真,包括 A W,L不变，在不同的Vgs下，Ids与Vds关系 B W,L不变，在不同的Vds下，Ids与Vgs关系 C Vgs不变，在不同的W/L下，Ids与Vds关系 2) 习题2.5b 3) 衬底调制效应的仿真：习题2.5e 时间 4小时 实验报告要求画出各个曲线，上交电子版。 对于图（A）： 对于图（B）： 对于图（C）： tox=50 ?, Cox?6.9fF/μm2(1 ?=10-10 m, 1fF= 10-15 F) ∴tox=90 ?, Cox?6.9*50/90=3.83fF/μm2 同理可求得PMOS的参数如下：gmP ?1.96mA/V ，r0P ?10KΩ ，gmP r0P ?19.6 * MOSFET开关 N型MOSFET 导通时VG的值(阈值电压)？ 源漏之间的电阻？ 源漏电阻与各端电压的关系？ … 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） tox : 氧化层厚度 源极：提供载流子 漏极：收集载流子 MOSFET ： Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor CMOS : 互补MOS n型MOSFET ：载