ch2MOS器件物理基礎

ch2MOS器件物理基礎第一頁，共48頁。MOSFET的結構重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院2第二頁，共48頁。襯底Ldrawn：溝道總長度Leff：溝道有效長度，Leff＝Ldrawn－2LDMOSFET的結構LD：橫向擴散長度（bulk、body）重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院3第三頁，共48頁。MOS管正常工作的基本條件MOS管正常工作的基本條件是:所有襯源（B、S）、襯漏（B、D）pn結必須反偏！寄生二極管重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院4第四頁，共48頁。同一襯底上的NMOS和PMOS器件寄生二極管*N-SUB必須接最高電位VDD！*P-SUB必須接最低電位VSS！*阱中MOSFET襯底常接源極SMOS管所有pn結必須反偏:重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院5第五頁，共48頁。例：判斷制造下列電路的襯底類型重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院6第六頁，共48頁。NMOS器件的閾值電壓VTH(a)柵壓控制的MOSFET(b)耗盡區(qū)的形成(c)反型的開始(d)反型層的形成重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院7第七頁，共48頁。NMOS管VGS>VT、VDS=0時的示意圖重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院8第八頁，共48頁。NMOS管VGS>VT、0<VDS<VGS-VT時的示意圖溝道未夾斷條件重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院9第九頁，共48頁。NMOS溝道電勢示意圖(0<VDS<VGS-VT)邊界條件:V(x)|x=0=0,V(x)|x=L=VDS重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院10第十頁，共48頁。Qd：溝道電荷密度Cox：單位面積柵電容溝道單位長度電荷(C/m)WCox：MOSFET單位長度的總電容Qd(x)：沿溝道點x處的電荷密度V(x)：溝道x點處的電勢I/V特性的推導（1）電荷移動速度(m/s)V(x)|x=0=0,V(x)|x=L=VDS重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院11第十一頁，共48頁。I/V特性的推導（2）對于半導體：且重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院12第十二頁，共48頁。三極管區(qū)的MOSFET（0<VDS<VGS－VT）等效為一個壓控電阻重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院13第十三頁，共48頁。I/V特性的推導（3）三極管區(qū)(線性區(qū))每條曲線在VDS＝VGS－VTH時取最大值，且大小為：VDS＝VGS－VTH時溝道剛好被夾斷重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院14第十四頁，共48頁。飽和區(qū)的MOSFET（VDS≥VGS－VT）當V(x)接近VGS-VT，Qd(x)接近于0，即反型層將在X≤L處終止，溝道被夾斷。重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院15第十五頁，共48頁。NMOS管VGS>VT、VDS>VGS-VT時的示意圖電子耗盡區(qū)重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院16第十六頁，共48頁。NMOS管的電流公式截至區(qū)，Vgs<VTH線性區(qū),Vgs>VTHVDS<Vgs-VTH飽和區(qū),Vgs>VTHVDS>Vgs-VTH重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院17第十七頁，共48頁。MOSFET的I/V特性TriodeRegionVDS>VGS-VT溝道電阻隨VDS增加而增加導致曲線彎曲曲線開始斜率正比于VGS-VTVDS<VGS-VT用作恒流源條件：工作在飽和區(qū)且VGS＝const！重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院18第十八頁，共48頁。MOSFET的跨導gm重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院19第十九頁，共48頁。MOS管飽和的判斷條件NMOS飽和條件：Vgs>VTN；Vd≥Vg-VTHNPMOS飽和條件:Vgs<VTP；Vd≤Vg＋|VTP

|gdgd判斷MOS管是否工作在飽和區(qū)時，不必考慮Vs重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院20第二十頁，共48頁。MOS模擬開關MOS管為什么可用作模擬開關？MOS管D、S可互換，電流可以雙向流動?？赏ㄟ^柵源電源（Vgs）方便控制MOS管的導通與關斷。關斷后Id≈0重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院21第二十一頁，共48頁。NMOS模擬開關傳送高電平的閾值損失特性假定“1”電平為3V，“0”電平為0V，VTN＝0.5V，試確定C1、C2的終值電壓。重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院22第二十二頁，共48頁。PMOS模擬開關傳送低電平的閾值損失特性假定“1”電平為3V，“0”電平為0V，VTP＝-0.5V，試確定C1、C2的終值電壓。重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院23第二十三頁，共48頁。MOS管的開啟電壓VT及體效應ΦMS：多晶硅柵與硅襯底功函數(shù)之差Qdep耗盡區(qū)的電荷,是襯源電壓VBS的函數(shù)Cox：單位面積柵氧化層電容重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院24第二十四頁，共48頁。MOS管的開啟電壓VT及體效應無體效應源極跟隨器

有體效應體效應系數(shù)，VBS＝0時，＝0重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院25第二十五頁，共48頁。MOS管體效應的Pspice仿真結果Vb=0.5vVb=0vVb=-0.5vIdVg體效應的應用：利用襯底作為MOS管的第3個輸入端利用VT減小用于低壓電源電路設計重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院26第二十六頁，共48頁。襯底跨導gmb重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院27第二十七頁，共48頁。MOSFET的溝道調(diào)制效應重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院28第二十八頁，共48頁。MOSFET的溝道調(diào)制效應LL’重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院29第二十九頁，共48頁。MOS管溝道調(diào)制效應的Pspice仿真結果VGS-VT=0.15V,W=100μ?ID/?VDS∝λ/L∝1/L2Ｌ=2μＬ=6μＬ=4μ重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院30第三十頁，共48頁。MOS管跨導gm不同表示法比較跨導gm123上式中:重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院31第三十一頁，共48頁。亞閾值導電特性(ζ>1,是一個非理想因子)重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院32第三十二頁，共48頁。MOS管亞閾值導電特性的Pspice仿真結果VgSlogID仿真條件：VT＝0.6ＶW/L＝100μ/2μMOS管亞閾值電流ID一般為幾十~幾百nA,常用于低功耗放大器、帶隙基準設計。重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院33第三十三頁，共48頁。MOS低頻小信號模型重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院34第三十四頁，共48頁。例：求下列電路的低頻小信號輸出電阻(γ＝0)重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院35第三十五頁，共48頁。例：求下列電路的低頻小信號輸出電阻(γ＝0)重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院36第三十六頁，共48頁。例：求下列電路的低頻小信號輸出電阻(γ＝0)重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院37第三十七頁，共48頁。小信號電阻總結（γ＝0）對于圖（A）：對于圖（B）：對于圖（C）：重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院38第三十八頁，共48頁。MOS器件版圖重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院39第三十九頁，共48頁。MOS電容器的結構。重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院40第四十頁，共48頁。MOS器件電容重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院41第四十一頁，共48頁。減小MOS器件電容的版圖結構對于圖a:CDB=CSB=WECj+2(W+E)Cjsw對于圖b:CDB=(W/2)ECj+2((W/2)+E)CjswCSB=2((W/2)ECj+2((W/2)+E)Cjsw=WECj+2(W+2E)Cjsw重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院42第四十二頁，共48頁。柵源、柵漏電容隨VGS的變化曲線C3=C4=COVWCov：每單位寬度的交疊電容MOS管關斷時:CGD=CGS=CovW,CGB=C1//C2C1=WLCoxMOS管深線性區(qū)時:CGD=CGS=C1/2+CovW,CGB=0,C2被溝道屏蔽MOS管飽和時:CGS=2C1/3+CovW,藹CGD=CovW,CGB=0,C2被溝道屏蔽重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院重郵光電工程學院43第四十三頁，共48頁。柵極電阻重郵光電工程學院重郵光電工程學院