MOS器件物理2.ppt
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1、第二讲 MOS器件物理(续),MOS管的电特性,主要指: 阈值电压 I/V特性 输入输出转移特性 跨导等电特性,MOS管的电特性 阈值电压(NMOS),在漏源电压的作用下刚开始有电流产生时的VG为阈值电压Vth : MS:指多晶硅栅与硅衬底间的接触电势差 称为费米势,其中q是电子电荷 Nsub:衬底的掺杂浓度 Qb:耗尽区的电荷密度,其值为 ,其中 是硅的介电常数 Cox:单位面积的栅氧电容, , Qss:氧化层中单位面积的正电荷 VFB:平带电压,VFB,MOS管的电特性 阈值电压,同理PMOS管的阈值电压可表示为: 注意: 器件的阈值电压主要通过改变衬底掺杂浓度、衬底表面浓度或改变氧化层中
2、的电荷密度来调整,对于增强型MOS管,适当增加衬底浓度,减小氧化层中的正电荷即可使其阈值大于0;而氧化层中的正电荷较大或衬底浓度太小都可形成耗尽型NMOS 。 实际上,用以上方程求出的“内在”阈值在电路设计过程中可能不适用,在实际设计过程中,常通过改变多晶与硅之间的接触电势即:在沟道中注入杂质,或通过对多晶硅掺杂金属的方法来调整阈值电压。比如:若在p型衬底中掺杂三价离子形成一层薄的p区,为了实现耗尽,其栅电压必须提高,从而提高了阈值电压。,MOS管的电特性输出特性(I/V特性),MOS晶体管的输出电流电压特性的经典描述是萨氏方程。 忽略二次效应,对于NMOS管导通时的萨氏方程为: VGSVth
3、:MOS管的“过驱动电压” L:指沟道的有效长度 W/L称为宽长比 ,称为NMOS管的导电因子 ID的值取决于工艺参数:nCox、器件尺寸W和L、VDS及VGS。,MOS管的电特性输出特性(I/V特性),截止区:VGSVth,ID0; 线性区:VDSVGSVth,漏极电流即为萨氏方程。 深三极管区:VDS2(VGSVth)时称MOS管工作在,萨氏方程可近似为: 上式表明在VDS较小时,ID是VDS的线性函数,即这时MOS管可等效为一个电阻,其阻值为: 即:处于深三极管区的MOS管可等效为一个受过驱动电压控制的可控电阻,当VGS一定时,沟道直流导通电阻近似为一恒定的电阻。,MOS管的电特性输出特
4、性(I/V特性),饱和区:VDSVGSVth: 漏极电流并不是随VDS增大而无限增大的,在VDSVGSVth时,MOS管进入饱和区:此时在沟道中发生了夹断现象。 萨氏方程两边对VDS求导,可求出当VDSVGSVth时,电流有最大值,其值为: 这就是饱和萨氏方程。,MOS管的电特性输出特性(I/V特性),转移特性曲线,在一个固定的VDS下的MOS管饱和区的漏极电流与栅源电压之间的关系称为MOS管的转移特性。,转移特性的另一种表示方式,增强型NMOS转移特性,耗尽型NMOS转移特性,转移特性曲线,在实际应用中,生产厂商经常为设计者提供的参数中,经常给出的是在零电流下的开启电压 注意 ,Vth0为无
5、衬偏时的开启电压,而 是在与VGS特性曲线中与VGS轴的交点电压,实际上为零电流的栅电压 从物理意义上而言, 为沟道刚反型时的栅电压,仅与沟道浓度、氧化层电荷等有关;而Vth0与人为定义开启后的IDS有关。,转移特性曲线,从转移特性曲线可以得到导电因子KN(或KP),根据饱和萨氏方程可知: 即有: 所以KN即为转移特性曲线的斜率。,MOS管的直流导通电阻,定义:MOS管的直流导通电阻是指漏源电压与漏源电流之比。 饱和区: 线性区: 深三极管区:,饱和区MOS管的跨导与导纳,工作在饱和区的MOS管可等效为一压控电流源,故可用跨导gm来表示MOS管的电压转变电流的能力,跨导越大则表示该MOS管越灵
6、敏,在同样的过驱动电压(VGSVth)下能引起更大的电流,根据定义,跨导为漏源电压一定时,漏极电流随栅源电压的变化率,即:,饱和区跨导的倒数等于深三极管区的导通电阻Ron,饱和区MOS管的跨导与导纳,讨论1: 在KN(KP)为常数(W/L为常数)时,跨导与过驱动电压成正比,或与漏极电流ID的平方根成正比。 若漏极电流ID恒定时,则跨导与过驱动电压成反比,而与KN的平方根成正比。 为了提高跨导,可以通过增大KN(增大宽长比,增大Cox等),也可以通过增大ID来实现,但以增大宽长比为最有效。,饱和区MOS管的跨导与导纳,讨论2: 双极型三极管的跨导为: ,两种跨导相比可得到如下结论: 对于双极型,
7、当IC确定后,gm就与几何形状无关,而MOS管除了可通过IDS调节跨导外,gm还与几何尺寸有关;双极型三极管的跨导与电流成正比,而MOS管的跨导与成正比,所以在同样工作电流情况下,MOS管的跨导要比双极型三极管的跨导小。,饱和区MOS管的跨导与导纳,对于MOS管的交流小信号工作还引入了导纳的概念,导纳定义为:当栅源电压与衬底电压为一常数时的漏极电流与漏源电压之比,即可表示为:,MOS管的最高工作频率,定义:当栅源间输入交流信号时,由源极增加(减小)流入的电子流,一部分通过沟道对电容充(放)电,一部分经过沟道流向漏极,形成漏源电流的增量,当变化的电流全部用于对沟道电容充放电时,MOS管就失去了放
8、大能力,因此MOS管的最高工作频率定义为:对栅输入电容的充放电电流和漏源交流电流值相等时所对应的工作频率。,MOS管的最高工作频率,C表示栅极输入电容,该电容正比于WLCox 。 MOS管的最高工作频率与沟道长度的平方成反比,因此,减小MOS管的沟道长度就能很显著地提高工作频率 。,二阶效应,二阶效应在现代模拟集成电路的设计中 是不能忽略的,主要的二阶效应有: MOS管的衬底效应 沟道调制效应 亚阈值导通 温度效应,衬底偏置效应(体效应),在前面的分析中: 没有考虑衬底电位对MOS管性能的影响 假设了所有器件的衬底都与器件的源端相连,即VBS0 但在实际的模拟集成电路中,由于MOS器件制作在同
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- MOS 器件 物理
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