MOS器件物理轉移特性曲線

MOS器件物理--轉移特性曲線1MOS器件物理轉移特性曲線5/9/2024轉移特性曲線

在一個固定的VDS下的MOS管飽和區(qū)的漏極電流與柵源電壓之間的關系稱為MOS管的轉移特性。轉移特性的另一種表示方式增強型NMOS轉移特性耗盡型NMOS轉移特性MOS器件物理轉移特性曲線25/9/2024轉移特性曲線在實際應用中，生產廠商經常為設計者提供的參數中，經常給出的是在零電流下的開啟電壓注意，Vth0為無襯偏時的開啟電壓，而是在與VGS特性曲線中與VGS軸的交點電壓，實際上為零電流的柵電壓從物理意義上而言，為溝道剛反型時的柵電壓，僅與溝道濃度、氧化層電荷等有關；而Vth0與人為定義開啟后的IDS有關。

MOS器件物理轉移特性曲線35/9/2024轉移特性曲線從轉移特性曲線可以得到導電因子KN（或KP），根據飽和薩氏方程可知：

即有：

所以KN即為轉移特性曲線的斜率。MOS器件物理轉移特性曲線45/9/2024MOS管的直流導通電阻

定義：MOS管的直流導通電阻是指漏源電壓與漏源電流之比。飽和區(qū)：線性區(qū)：深三極管區(qū)：MOS器件物理轉移特性曲線55/9/2024MOS管的最高工作頻率

定義：當柵源間輸入交流信號時，由源極增加（減?。┝魅氲碾娮恿鳎徊糠滞ㄟ^溝道對電容充（放）電，一部分經過溝道流向漏極，形成漏源電流的增量，當變化的電流全部用于對溝道電容充放電時，MOS管就失去了放大能力，因此MOS管的最高工作頻率定義為：對柵輸入電容的充放電電流和漏源交流電流值相等時所對應的工作頻率。

MOS器件物理轉移特性曲線65/9/2024飽和區(qū)MOS管的跨導與導納

工作在飽和區(qū)的MOS管可等效為一壓控電流源，故可用跨導gm來表示MOS管的電壓轉變電流的能力，跨導越大則表示該MOS管越靈敏，在同樣的過驅動電壓（VGS－Vth）下能引起更大的電流，根據定義，跨導為漏源電壓一定時，漏極電流隨柵源電壓的變化率，即：

飽和區(qū)跨導的倒數等于深三極管區(qū)的導通電阻Ron

MOS器件物理轉移特性曲線75/9/2024飽和區(qū)MOS管的跨導與導納討論1：在KN（KP）為常數（W/L為常數）時，跨導與過驅動電壓成正比，或與漏極電流ID的平方根成正比。若漏極電流ID恒定時，則跨導與過驅動電壓成反比，而與KN的平方根成正比。為了提高跨導，可以通過增大KN（增大寬長比，增大Cox等），也可以通過增大ID來實現(xiàn)，但以增大寬長比為最有效。

MOS器件物理轉移特性曲線85/9/2024飽和區(qū)MOS管的跨導與導納討論2：雙極型三極管的跨導為：，兩種跨導相比可得到如下結論：對于雙極型，當IC確定后，gm就與幾何形狀無關，而MOS管除了可通過IDS調節(jié)跨導外，gm還與幾何尺寸有關；雙極型三極管的跨導與電流成正比，而MOS管的跨導與成正比，所以在同樣工作電流情況下，MOS管的跨導要比雙極型三極管的跨導小。MOS器件物理轉移特性曲線95/9/2024飽和區(qū)MOS管的跨導與導納對于MOS管的交流小信號工作還引入了導納的概念，導納定義為：當柵源電壓與襯底電壓為一常數時的漏極電流與漏源電壓之比，即可表示為：MOS器件物理轉移特性曲線105/9/2024MOS管的最高工作頻率C表示柵極輸入電容，該電容正比于WLCox

。MOS管的最高工作頻率與溝道長度的平方成反比，因此，減小MOS管的溝道長度就能很顯著地提高工作頻率

。MOS器件物理轉移特性曲線115/9/2024二階效應

二階效應在現(xiàn)代模擬集成電路的設計中是不能忽略的，主要的二階效應有：MOS管的襯底效應溝道調制效應亞閾值導通溫度效應MOS器件物理轉移特性曲線125/9/2024襯底偏置效應（體效應）

在前面的分析中：沒有考慮襯底電位對MOS管性能的影響假設了所有器件的襯底都與器件的源端相連，即VBS＝0但在實際的模擬集成電路中，由于MOS器件制作在同一襯底上，就不可能把所有的MOS管的源極與公共襯底相接，即VBS≠0例如：在實際電路設計中NMOS管的源極電位有時就會高于襯底電位（仍能保證源極與漏極與襯底間保持為反偏，使器件正常工作）

MOS器件物理轉移特性曲線135/9/2024襯底偏置效應（體效應）根據閾值電壓的定義及MOS管的工作原理可知，MOS管要形成溝道必須先中和其耗盡層的電荷，假設VS＝VD＞VB，當0＜VGB＜Vth時則在柵下面產生了耗盡但沒產生反型層，保持MOS管的三端電壓不變，而降低襯底電壓VB，則VGB增大，更多的空穴被排斥到襯底，而留下了更多的負電荷，從而使其耗盡區(qū)變得更寬，即當VB下降、Qb上升時，Vth也會增大。這種由于VBS不為0而引起閾值電壓的變化的效應就稱為“襯底效應”，也稱為“背柵效應”。MOS器件物理轉移特性曲線145/9/2024襯底偏置效應（體效應）在考慮襯底效應時，其耗盡層的電荷密度變化為：

把上式代入閾值電壓的表達式，可得其閾值電壓為：其中Vth0是在無體效應時的閾值電壓；，稱為體效應因子，γ的大小由襯底濃度與柵氧厚度決定，其典型值在0.3到0.4V1/2。對于PMOS管，考慮體效應后的閾值電壓為：

對于襯底效應表明其襯底勢能Vsub不需改變：如果其源電壓相對于Vsub發(fā)生了改變，會發(fā)生同樣的現(xiàn)象。

MOS器件物理轉移特性曲線155/9/2024襯底偏置效應（體效應）例：MOS器件物理轉移特性曲線165/9/2024襯底偏置效應（體效應）由于襯底電位會影響閾值電壓，進而影響MOS管的過驅動電壓，所以襯底可以視為MOS管的第二個柵（常稱背柵）。因此為了衡量體效應對MOS管的I/V的影響，定義一襯底跨導襯底跨導：在源漏電壓與柵源電壓為常量時漏極電流隨襯底電壓的變化關系：則襯底電位對漏極電流的影響可用一個電流源gmbVBS表示。MOS器件物理轉移特性曲線175/9/2024襯底偏置效應（體效應）在飽和區(qū)，gmb能被表示成而根據閾值電壓與VBS之間的關系可得：

因此有：

上式中η=gmb/gm

，gmb正比于γ。上式表明當較大時，不斷增大的襯底效應的變化就不明顯了。注意gmVGS與gmbVBS具有相同極性，即提高襯底電位與提高柵壓具有同等的效果。MOS器件物理轉移特性曲線185/9/2024溝道調制效應

在分析器件的工作原理時已提到：在飽和時溝道會發(fā)生夾斷，且夾斷點的位置隨柵漏之間的電壓差的增加而往源極移動，即有效溝道長度L’實際上是VDS的函數。這種由于柵源電壓變化引起溝道有效長度改變的效應稱為“溝道調制效應”。記，，λ稱為溝道調制系數，當遠小于L時有：MOS器件物理轉移特性曲線195/9/2024溝道調制效應在飽和區(qū)時，其漏極電流為調制系數為：而ΔL為：λ的大小與溝道長度及襯底濃度有關，ND上升則λ下降?？紤]溝道調制效應的I/V曲線如下圖所示。

MOS器件物理轉移特性曲線205/9/2024溝道調制效應由上圖可以看出：實際的I/V曲線在飽和時并非是一平行的直線，而是具有一定斜率的斜線。所有斜線反方向延長與水平軸VDS間有同一交叉點，該點的電壓稱為厄萊電壓VA。因此在源漏之間是一個非理想的電流源。參數λ反映了溝道調制的深度，且溝道越短，λ越大，表明溝道調制越明顯。λ與VA的關系為：λ＝1/VA。MOS器件物理轉移特性曲線215/9/2024溝道調制效應考慮溝道調制效應后MOS管的在飽和區(qū)的跨導gm為：所以溝道調制效應改變了MOS管的I/V特性，進而改變了跨導。

MOS器件物理轉移特性曲線225/9/2024溝道調制效應不考慮溝道調制效應時，MOS管工作于飽和區(qū)時的漏源之間的交流電阻為無窮大，是一理想的電流源。考慮溝道調制效應后，由于漏電流隨漏源電壓變化而變化，其值為一有限值。這個電流源的電流值與其電壓成線性關系，可以等效為一個連接在漏源之間的線性電阻，這個電阻值為：

MOS器件物理轉移特性曲線235/9/2024溝道調制效應一般ro也稱為MOS管的輸出阻抗，它會限制大部分放大器的最大電壓增益，影響模擬電路的性能。對于一個給定的柵源電壓，一個較大的溝道長度L可以提供一個更理想的電流源，同時降低了器件的電流能力。因此，為了保證其電流值，應同比例增加W的值。注：以上各式的推導是基于條件：ΔL遠小于L（即長溝道）而得到的，此時才有的近似線性關系，而對于短溝道器件則上述條件不成立，它會導致飽和ID/VDS特性曲線的斜率可變。

MOS器件物理轉移特性曲線245/9/2024亞閾值效應

亞閾值效應又稱為弱反型效應前面分析MOS管的工作狀態(tài)時，采用了強反型近似，即假定當MOS管的VGS大于Vth時，表面產生反型，溝道立即形成，而當MOS管的VGS小于Vth時，器件就會突然截止。但MOS管的實際工作狀態(tài)應用弱反型模型，即當VGS略小于Vth時，MOS管已開始導通，仍會產生一個弱反型層，從而會產生由漏流向源的電流，稱為亞閾值導通，而且ID與VGS呈指數關系：其中ξ>1是一非理想的因子；ID0為特征電流：，m為工藝因子，因此ID0與工藝有關；而VT稱為熱電壓：。MOS器件物理轉移特性曲線255/9/2024亞閾值效應亞閾值工作特點：在亞閾值區(qū)的漏極電流與柵源電壓之間呈指數關系，這與雙極型晶體管相似。亞閾值區(qū)的跨導為：

由于ξ>1，所以gm<ID/VT，即MOS管的最大跨導比雙極型晶體管（IC/VT）小。且根據跨導的定義，ID不變而增大器件寬W可以提高跨導，但ID保持不變的條件是必須降低MOS管的過驅動電壓。因此在亞閾值區(qū)域，大器件寬度（存在大的寄生電容）或小的漏極電流的MOS管具有較高的增益。為了得到亞閾值區(qū)的MOS管的大的跨導，其工作速度受限（大的器件尺寸引入了大的寄生電容）。

MOS器件物理轉移特性曲線265/9/2024溫度效應

溫度效應對MOS管的性能的影響主要體現(xiàn)在閾值電壓Vth與載流子遷移率隨溫度的變化。閾值電壓Vth隨溫度的變化：以NMOS管為例，閾值電壓表達式兩邊對溫度T求導