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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。,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。,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
2、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。,分类,电感,变压器,晶体管,运算放大器,电阻器,插座,参考电压源,晶闸管,有源器件,无源器件,1.MOSFET的基本结构,2.MOSFET的结构,衬底,Ldrawn:沟道总长度,Leff:沟道有效长度,Leff Ldrawn2 LD,MOSFET的结构,LD:横向扩散长度,(bulk、body),MOS管正常工作的基本条件,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!,寄生二极管,同一衬底上的NMOS和PMOS器件,寄生二极管,*N-SUB必须接
3、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,MOS管所有pn结必须反偏:,例:判断制造下列电路的衬底类型,1.MOSFET的基本结构,*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,MOS管所有pn结必须反偏:,2.MOS的阈值电压,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,NMOS管VGSVT、VDS=0时的示意图,NMOS管VGSVT、0VDS VGS-VT时的示意图,沟道未夹断条件,NMOS沟道电势示意图(0VDS VGS
4、-VT),边界条件:V(x)|x=0=0,V(x)|x=L=VDS,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:,3.了解I/V特性,Qd:沟道电荷密度,Cox:单位面积栅电容,沟道单位长度电荷(C/m),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,I/V特性的推导(1),电荷移动速度(m/s),V(x)|x=0=0,V(x)|x=L=VDS,I/V特性的推导(2),对于半导体:,且,三极管区的MOSFET(0 VDS VGSVT),等效为一个压控电阻,I/V特性的推导(3),三极管
5、区(线性区),每条曲线在VDSVGSVTH时取最大值,且大小为:,VDSVGSVTH时沟道刚好被夹断,饱和区的MOSFET(VDS VGSVT),当V(x)接近VGS-VT,Qd(x)接近于0,即反型层将在XL处终止,沟道被夹断。,NMOS管的电流公式,截至区,VgsVTH,线性区,Vgs VTHVDS Vgs-VTH,饱和区,Vgs VTHVDS Vgs-VTH,MOS管饱和的判断条件,NMOS饱和条件:VgsVTN;VdVg-VTHN,PMOS饱和条件:VgsVTP;VdVg|VTP|,g,d,g,d,判断MOS管是否工作在饱和区时,不必考虑Vs,MOS模拟开关,MOS管为什么可用作模拟开
6、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Id0,4.二级效应,MOS管的开启电压VT及体效应,MS: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,Cox:单位面积栅氧化层电容,MOS管的开启电压VT及体效应,体效应系数,VBS0时,0,MOS管体效应的Pspice仿真结果,Vb=0.5v,Vb=0v,Vb=-0.5v,Id,Vg,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,MOSFET的沟道调制效应,MOSFET的沟道调制效应,L,L,MOS管沟道调制效应的Pspi
7、ce仿真结果,VGS-VT=0.15V,W=100,ID/VDS/L1/L2,=2,=6,=4,亚阈值导电特性,(1,是一个非理想因子),MOS管亚阈值导电特性的Pspice仿真结果,VgS,logID,仿真条件:,VT0.6,W/L100/2,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。,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?,5.MOS器件模型,MOS器件版图,MOS器件电容,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,栅源、栅漏电容随VGS的变化曲线,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,C1=WLCox,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,栅极电阻,MOS 低频小信号模型,完整的MOS小信号模型,