3MOS管模型.pptx

2024/10/13 周日1集成电路CAD2024/10/13 周日 MOSFET晶体管晶体管2024/10/13 周日q MOS晶体管晶体管本节课主要内容本节课主要内容v 器件结构器件结构v电流方程电流方程v电流电压特性电流电压特性v衬底偏压效应衬底偏压效应v短沟道效应短沟道效应vMOSFET的电容的电容vMOSFET的导通电阻的导通电阻2024/10/13 周日MOSFETMOS晶体管的动作晶体管的动作 MOS晶体管实质上是一种使晶体管实质上是一种使电流时而流过，时而切断的电流时而流过，时而切断的开关开关开关开关n+n+p型硅基板型硅基板栅极栅极绝缘层（绝缘层（SiO2）半半导导体体基基板板漏极漏极源极源极N N沟沟沟沟MOSMOS晶体管的基本结构晶体管的基本结构晶体管的基本结构晶体管的基本结构2024/10/13 周日MOSMOS晶体管的符号晶体管的符号晶体管的符号晶体管的符号源极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)源极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)VDID非饱和区非饱和区饱和区饱和区VGNMOSPMOS源极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)(a)(b)NMOSPMOS源极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)2024/10/13 周日非饱和区的电流方程非饱和区的电流方程2024/10/13 周日饱和区的电流方程饱和区的电流方程 MOS晶体管L沟道长度调制效应沟道长度调制效应2024/10/13 周日VDSID非饱和区非饱和区饱和区饱和区VDSsat=VGS-VTHn+n+p型硅基板型硅基板GSD非饱和区的电流方程非饱和区的电流方程:饱和区的电流方程饱和区的电流方程:记住记住2024/10/13 周日ID(0VDSVGS-VTH)(0 VGS-VTH 1m mm)饱和区饱和区饱和区饱和区非饱和区非饱和区非饱和区非饱和区1.0V1.5V2.0V2.5VIDSVDSVGS2024/10/13 周日PMOS的的IDS-VDS特性特性（沟道长（沟道长1m mm)2024/10/13 周日MOS管的电流解析方程（管的电流解析方程（L1m mm)工艺参数工艺参数工艺参数工艺参数ID(0VDSVGS-VTH)(0 VGS-VTH VDS)沟道长度调制系数沟道长度调制系数VTH 阈值电压阈值电压2024/10/13 周日源极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)VGVDIDnMOS晶体管的晶体管的I-V特性特性VTHIDVG增强型（增强型（E)VTHIDVG耗尽型耗尽型(D)VTHVTHIDVGIDVG增强型（增强型（E)耗尽型耗尽型(D)NMOS的的ID-VG特性特性(转移特性）转移特性）VGS=0阈值电压的定义阈值电压的定义饱和区外插饱和区外插V VTHTH在晶体管的漏源极加上接近在晶体管的漏源极加上接近在晶体管的漏源极加上接近在晶体管的漏源极加上接近电源电源电源电源VDDVDDVDDVDD的电压，画出的电压，画出的电压，画出的电压，画出V V V VGSGSGSGS-I-I-I-IDSDSDSDS的关系曲线，找出该曲线的的关系曲线，找出该曲线的的关系曲线，找出该曲线的的关系曲线，找出该曲线的最大斜率，此斜率与最大斜率，此斜率与最大斜率，此斜率与最大斜率，此斜率与X X X X轴的交轴的交轴的交轴的交点定义为阈值电压。点定义为阈值电压。点定义为阈值电压。点定义为阈值电压。以漏电流为依据以漏电流为依据定义定义V VTHTH在晶体管的漏源极加上接在晶体管的漏源极加上接在晶体管的漏源极加上接在晶体管的漏源极加上接近电源近电源近电源近电源VDDVDDVDDVDD的电压，画出的电压，画出的电压，画出的电压，画出V V V VGSGSGSGS-Log(I-Log(I-Log(I-Log(IDSDSDSDS)的关系曲线，的关系曲线，的关系曲线，的关系曲线，从该曲线中找出电流为从该曲线中找出电流为从该曲线中找出电流为从该曲线中找出电流为1 1 1 1微安时所对应的微安时所对应的微安时所对应的微安时所对应的V V V VGSGSGSGS定义为定义为定义为定义为阈值电压。阈值电压。阈值电压。阈值电压。2024/10/13 周日MOS管的跨导管的跨导gm（饱和区）饱和区）表征电压转换电流的能力表征电压转换电流的能力2024/10/13 周日衬底偏压效应衬底偏压效应 通常衬底偏压通常衬底偏压通常衬底偏压通常衬底偏压V VBSBS=0,=0,即即即即NMOSNMOS的衬底和源都接地，的衬底和源都接地，的衬底和源都接地，的衬底和源都接地，PMOS PMOS衬底和源都接电源。衬底和源都接电源。衬底和源都接电源。衬底和源都接电源。衬底偏压衬底偏压衬底偏压衬底偏压V VBSBS00时，阈值电压增大。时，阈值电压增大。时，阈值电压增大。时，阈值电压增大。VBS(V)MOS管短沟道效应管短沟道效应 I IDS DS 正比于正比于 W/L,LW/L,L要尽可能小要尽可能小当沟道长度变短到可以与源漏的当沟道长度变短到可以与源漏的耗尽层宽度相比拟时，发生短沟耗尽层宽度相比拟时，发生短沟道效应。道效应。栅下耗尽区电荷不再完全受栅控栅下耗尽区电荷不再完全受栅控制，其中有一部分受源、漏控制，制，其中有一部分受源、漏控制，并且随着沟道长度的减小，受栅并且随着沟道长度的减小，受栅控制的耗尽区电荷不断减少，因控制的耗尽区电荷不断减少，因此，只需要较少的栅电荷就可以此，只需要较少的栅电荷就可以达到反型，使阈值电压降低达到反型，使阈值电压降低2024/10/13 周日载流子的饱和速度引起的载流子的饱和速度引起的 Early Saturation 沟道长小于沟道长小于沟道长小于沟道长小于1 1微米时，微米时，微米时，微米时，NMOSNMOS饱和饱和饱和饱和 NMOSNMOS和和和和PMOSPMOS的饱和速度基本相同的饱和速度基本相同的饱和速度基本相同的饱和速度基本相同 PMOSPMOS不显著不显著不显著不显著饱和早期开始饱和早期开始饱和早期开始饱和早期开始2024/10/13 周日短沟道短沟道MOS晶体管电流解析式晶体管电流解析式2024/10/13 周日微小微小MOS晶体管的静态特性晶体管的静态特性(沟道长小于沟道长小于1m mm)NMOS 当当当当V V V VDSATDSATDSATDSAT=1V,=1V,=1V,=1V,速度饱和速度饱和速度饱和速度饱和PMOS 迁移率是迁移率是迁移率是迁移率是NMOSNMOSNMOSNMOS的一半的一半的一半的一半 一般没有速度饱和一般没有速度饱和一般没有速度饱和一般没有速度饱和2024/10/13 周日MOSFET的电容的电容GateGateCgCgCgdCgdCgsCgsCjCjCjCjCdCdSUBSUBGGS SD DR RS SC CGSGSC CGDGDC CGBGBR RGGR RDDC CDBDBC CSBSBB BMOSFETMOSFET的电容决定其瞬态特性的电容决定其瞬态特性的电容决定其瞬态特性的电容决定其瞬态特性寄生电阻与管子的导通电阻寄生电阻与管子的导通电阻寄生电阻与管子的导通电阻寄生电阻与管子的导通电阻 （数十（数十（数十（数十KKW WW W）相比，通常可）相比，通常可）相比，通常可）相比，通常可 以忽略不计以忽略不计以忽略不计以忽略不计例如：例如：例如：例如：栅极电容栅极电容栅极电容栅极电容 C CGSGS,C,CGDGD,C,CGBGB (各为各为各为各为1.01.0fF)fF)漏源电容漏源电容漏源电容漏源电容 C CDBDB,C,CSB SB (各为各为各为各为0.50.5fF)fF)栅极电阻栅极电阻栅极电阻栅极电阻 R RGG (40(40W WW W)源漏电阻源漏电阻源漏电阻源漏电阻 R RD D,R,RS S (各各各各1 1W WW W)2024/10/13 周日MOSFET栅极电容栅极电容GateGateP_SUBP_SUBn n+S Sn nD DC CGBGBC CGDOGDOC CGSOGSOvvC CGSOGSO和和和和C CGDOGDO交叠电容，由源漏横向扩散形成，值一定交叠电容，由源漏横向扩散形成，值一定交叠电容，由源漏横向扩散形成，值一定交叠电容，由源漏横向扩散形成，值一定vv大多数情况下，忽略电压的影响，大多数情况下，忽略电压的影响，大多数情况下，忽略电压的影响，大多数情况下，忽略电压的影响，C CGG近似为近似为近似为近似为CoxWLCoxWLCoxWLCoxWL。根据根据根据根据MOSFETMOSFETMOSFETMOSFET的工作区域，的工作区域，的工作区域，的工作区域，C C C CGCGCGCGC分配给分配给分配给分配给C C C CGDGDGDGD,C,C,C,CGSGSGSGS和和和和C C C CGBGBGBGB。2024/10/13 周日GateGateP_SUBP_SUBn n+S Sn n+D DC CGBGBC CGDOGDOC CGSOGSO截止截止(VGSVTH,VDSVTH,VDS VGS-VTH)2024/10/13 周日MOS晶体管的扩散晶体管的扩散(PN结结)电容电容2024/10/13 周日MOS晶体管的导通电阻晶体管的导通电阻2024/10/13 周日n导通电阻是一个非线性电阻，与器件的导通电阻是一个非线性电阻，与器件的工作状态有关工作状态有关,平均电阻一般取平均电阻一般取0.75R0n在非饱和区，导通电阻近似为线性电阻在非饱和区，导通电阻近似为线性电阻 即即Ron=1/gmn导通电阻反比于（导通电阻反比于（W/L)，W每增加一倍，每增加一倍，电阻减小一半电阻减小一半D DS SGG电流电流电流电流I IDSDS2024/10/13 周日作业作业：1.请画出晶体管的请画出晶体管的ID-VDS特性曲线，指特性曲线，指出饱和区和非饱和区的工作条件及各出饱和区和非饱和区的工作条件及各自的电流方程（忽略沟道长度调制效自的电流方程（忽略沟道长度调制效应和短沟道效应）。应和短沟道效应）。2.写出考虑沟道调制效应时饱和区电写出考虑沟道调制效应时饱和区电流方程式。流方程式。