1 / 44

第二章 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。.

deirdre
Download Presentation

第二章 MOS 器件物理基础

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 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。

  2. 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

  3. 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。 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。

  4. 分类 • 插座 • 电感 • 电阻器 无源器件 有源器件 • 晶体管 • 变压器 • 运算放大器 • 晶闸管 • 参考电压源

  5. 1.MOSFET的基本结构

  6. 2.MOSFET的结构

  7. MOSFET的结构 衬底 Ldrawn：沟道总长度 （bulk、body） LD：横向扩散长度 Leff：沟道有效长度， Leff＝ Ldrawn－2 LD

  8. MOS管正常工作的基本条件 寄生二极管 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！

  9. 同一衬底上的NMOS和PMOS器件 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 寄生二极管

  10. 例：判断制造下列电路的衬底类型

  11. 1.MOSFET的基本结构 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

  12. 2.MOS的阈值电压

  13. NMOS器件的阈值电压VTH (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

  14. NMOS管VGS>VT、VDS=0时的示意图

  15. NMOS管VGS>VT、 0<VDS< VGS-VT时的示意图 沟道未夹断条件

  16. NMOS沟道电势示意图(0<VDS< VGS-VT ) 边界条件:V(x)|x=0=0, V(x)|x=L=VDS

  17. 2.MOS的阈值电压 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：

  18. 3. 了解I/V特性

  19. I/V特性的推导（1） 沟道单位长度电荷(C/m) 电荷移动速度(m/s) Qd：沟道电荷密度 Cox：单位面积栅电容 WCox：MOSFET单位长度的总电容 Qd(x)：沿沟道点x处的电荷密度 V(x)：沟道x点处的电势 V(x)|x=0=0, V(x)|x=L=VDS

  20. I/V特性的推导（2） 对于半导体： 且

  21. 三极管区的MOSFET（0 < VDS < VGS－VT） 等效为一个压控电阻

  22. I/V特性的推导（3） 三极管区(线性区) 每条曲线在VDS＝VGS－VTH时取最大值，且大小为： VDS＝VGS－VTH时沟道刚好被夹断

  23. 饱和区的MOSFET（VDS ≥VGS－VT） 当V(x)接近VGS-VT，Qd(x)接近于0，即反型层将在X≤L处终止，沟道被夹断。

  24. NMOS管的电流公式 截至区，Vgs<VTH 线性区,Vgs >VTH VDS< Vgs - VTH 饱和区,Vgs >VTH VDS >Vgs - VTH

  25. MOS管饱和的判断条件 d g g d NMOS饱和条件：Vgs>VTN；Vd≥Vg-VTHN PMOS饱和条件: Vgs<VTP；Vd≤Vg＋| VTP| 判断MOS管是否工作在饱和区时，不必考虑Vs

  26. MOS模拟开关 • MOS管为什么可用作模拟开关？ • MOS管D、S可互换，电流可以双向流动。 • 可通过栅源电源（Vgs）方便控制MOS管的导通与关断。关断后Id≈0

  27. 4.二级效应

  28. MOS管的开启电压VT及体效应 Cox：单位面积栅氧化层电容 ΦMS：多晶硅栅与硅衬底功函数之差 Qdep耗尽区的电荷,是衬源电压VBS的函数

  29. 无体效应 有体效应 源极跟随器 MOS管的开启电压VT及体效应 体效应系数，VBS＝0时，＝0

  30. MOS管体效应的Pspice仿真结果 Id Vb=0.5v Vb=0v Vb=-0.5v • 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 Vg

  31. MOSFET的沟道调制效应

  32. MOSFET的沟道调制效应 L L’

  33. MOS管沟道调制效应的Pspice仿真结果 Ｌ=2µ VGS-VT=0.15V, W=100µ Ｌ=6µ Ｌ=4µ ∂ID/∂VDS∝λ/L∝1/L2

  34. 亚阈值导电特性 (ζ>1,是一个非理想因子)

  35. MOS管亚阈值导电特性的Pspice仿真结果 logID 仿真条件： VT＝0.6Ｖ W/L＝100µ/2µ VgS 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。

  36. 4.二级效应 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？

  37. 5.MOS器件模型

  38. MOS器件版图

  39. MOS器件电容

  40. 减小MOS器件电容的版图结构 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

  41. 栅源、栅漏电容随VGS的变化曲线 C1=WLCox 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 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

  42. 栅极电阻

  43. MOS 低频小信号模型

  44. 完整的MOS小信号模型

More Related