CMOS实用PPT学习教案

1、会计学1CMOS实用实用一基本概念二MOS伏安特性三低频小信号模型2-31MOSFET的结构2MOSFET的符号2-42-52-62-7MOS管结构以N沟道增强型MOS管为例G栅极（基极）S源极（发射极）D漏极（集电极）B衬底N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极2-82-9MOSFET的三个基本几何参数2-102-11衬底Ldrawn：沟道总长度Leff：沟道有效长度， Leff Ldrawn2 LDLD：横向扩散长度（bulk、body）2-12衬底端电平使PN结反偏。N

2、MOS共享一个衬底端，PMOS 有各自的衬底端2-132-142-15SDp substrateBG VGS + - n+n+depletion regionn channel引起沟道区产生强表面反型的最小栅电压，称为阈值电压VT。2-16金属接负电荷后在金属面堆积负电荷，氧化物是没有电荷，绝缘层P型半导体中可以感应到正电荷，P型半导体主要的载流子是空穴，所以堆积空穴当金属接正电荷后在金属层堆积空穴，则会排斥P型半导体上的空穴，形成宽度为Xd的耗尽层，耗尽层区没有自由电子和空穴当VG不断升高时，会有越来越多的空穴堆积，他不仅把P型半导体中的空穴推得越来越远，还会把P型半导体中的少子（电子）吸引

3、到非常薄的层面，紧紧贴到氧化物这层，形成反型层2-17栅就是氧化物层2-182-192-202-21以N沟道增强型MOS管为例正常放大时外加偏置电压的要求0GSV0DSV2MOS管工作原理2-22栅源电压VGS对iD的控制作用VGSVTN时（ VTN 称为开启电压)当VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。2-230VGSVTN时，SiO2中产生一垂直于表面的电场，P型表面上感应出现许多电子，但电子数量有限,不能形成沟道。VGSVTN时（ VTN 称为开启电压)在漏源电压作用下开始导电时（即产生iD）的栅源电压为开启电压VT 2-24当VGS

4、VTN时，由于此时栅压较强，P型半导体表层中将聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极连通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。VGSVTN时(形成反型层)在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的多数载流子空穴极性相反，故称为反型层。2-25漏源电压VDS对iD的控制作用VGSVT后,外加的VDS较小时， ID将随着VDS的增加而增大。2-26当VDS继续增加时，由于沟道电阻的存在，沟道上将产生压降，使得电位从漏极到源极逐渐减小，从而使得SiO2层上的有效栅压从漏极到源极增大，反型层中的电子也将从源极到漏极逐渐减小。 2-27当VDS大于一定值后， SiO2层上的有效栅压

5、小于形成反型层所需的开启电压，则靠近漏端的反型层厚度减为零，出现沟道夹断， ID将不再随VDS的增大而增大，趋于一饱和值。 2-28当栅极不加电压或加负电压时，栅极下面的区域保持P型导电类型，漏和源之间等效于一对背靠背的二极管，当漏源电极之间加上电压时，除了PN结的漏电流之外，不会有更多电流形成。当栅极上的正电压不断升高时，P型区内的空穴被不断地排斥到衬底方向。当栅极上的电压超过阈值电压VT，在栅极下的P型区域内就形成电子分布，建立起反型层，即N型层，把同为N型的源、漏扩散区连成一体，形成从漏极到源极的导电沟道。2-29为载流子速度，Eds= Vds/L为漏到源方向电场强度，Vds为漏到源电压

6、。 为载流子迁移率：2-30与工艺相关2-31Qd：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点处的电势电荷移动速度(m/s)V(x)|x=0=0, V(x)|x=L=VDSdI = Q .vdoxGSTHQ = W C (V- V )doxGSTHQ (x) = WC (V- V(x) - V)2-32对于半导体：DoxGSTHI= -WC V- V(x) - V= = E Ed dV V( (x x) )E E( (x x) ) = = - -d dx x且DoxGSTHndV(x)I

7、= WCV- V(x) - VdxdVDSVLDoxnGSTHx=0V=0I d(x) =WCV- V(x) - V DSVL2D0noxGSTH01I x= WC (V- V)V(x) -V(x) 22DnoxGSTHDSDSW1I=C(V- V )V-VL22-33等效为一个压控电阻2DnoxGSTHDSDSW1I=C(V- V )V-VL2DnoxGSTHDSWI=C(V- V )VLDSGSTHV 2(V- V )onnoxGSTH1R=WC(V- V )L2-34三极管区(线性区)每条曲线在VDSVGSVTH时取最大值，且大小为：2DnoxGSTHDSDSW1I=C(V- V )V-

8、VL222noxDGSTHCWI=(V- V )LVDSVGSVTH时沟道刚好被夹断2-35IDnCoxWL(VGSVTH)VDS12VDS2IDnCox2WL(VGSVTH)2VDSVGSVTH (Pinchoff)Qd(x)WCox(VGSV(x)VTH)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。2-362noxDGSTHDSDSC WI =2(V -V )V-V2L2noxDGSTHC WI=(V- V )2L0DI截止区，VgsVTHVDSVTHVDS Vgs - VTH2-37Triode RegionVDSVGS-VT沟道电阻随VDS增加而

9、增加导致曲线弯曲曲线开始斜率正比于VGS-VTVDSVTN；VdVg-VTHNPMOS饱和条件: VgsVTP ；VdVg| VTP |gdgd判断MOS管是否工作在饱和区时，不必考虑Vs2-43GateSource(of carriers)Drain(of carriers)| VGS | VGS | | VT |Open (off) (Gate = 0)Closed (on) (Gate = 1)Ron2-44MOS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Id02-452-462-47depTHMSFoxQ

10、V=+2 + , whereCMSgatesilicon=-subFikTN =lnqndepsiFsubQ=4q NMS：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2-48sisubTHTH0FSBFox2q NV=V+2 +V-2 , =C体效应系数，典型值0.3-0.4通过权衡Nsub和Cox使g更合理2-49Vb=0.5vVb=0vVb=-0.5vIdVg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2-50LL2-51在饱和区2-52VGS-VT=0.15V, W=100ID/VDS/L1/L2

11、=2=6=42-53跨导gm123上式中:2-54GSD0VI = I expkTq(1,是一个非理想因子)VGSVTH，ID不是无限小而是与VGS呈现指数关系2-55VgSlogID仿真条件：VT0.6W/L100/2MOS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。2-562-572-582-592-602-612-622-632-642-652-662-672-682-69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 =

12、WECj +2(W+2E)Cjsw 减小结电容的方法“折叠”结构或“叉指结构”2-702-712-722-73) )v v(1(1) )V V(v(vL LW W) )C C( (2 21 1i iDSDS2 2THTHGSGSoxoxn nD D用独立源来表示用电阻来表示2-742考虑体效应后的小信号模型sisubTHTH0FSBFox2q NV=V+2 +V-2 , =C02-75在饱和区gmb可以表示为2-762-77XXmgs0XmX0V= (I- g V )r = (I- g V )rm 0XX 0(1 + g r )V= I r10XinXm 0mrVR=I(1 + g r )g2-78XXmgs0XDXmDXmX0XDV= (I- g V )r + I R(I+ g R I- g V )r + I Rm 0X0DmD 0X(1 + g r )V= (r + R + g R r )IgsXXDV= V- I R10DmD 0XinXm 0D0mm 0r +