MOS管阈值电压和IV概要

1、第5讲 MOS管的理论公式MOS管阈值电压的物理学定义 定义 使沟道中反型载流子浓度与衬底中多数载流子浓度相等时所需要的栅源电压定义为阈值电压。推导阈值电压时的外部连接和内部状态 源漏区都接地，沟道刚刚产生，厚度忽略。推导思路 如何使栅氧化层与半导体接触面的表面势与衬底材料的静电势大小相等，方向（符号）相反。 NMOS管的体（P型）的静电势为 使表面势为-Vfp（正数）需要施加的栅源电压即阈值电压。iAfpifpnNqkTqEEVln推导阈值电压需考虑的各种因素 考虑接触电势差和表面附加电荷体接源极（VSB=0）时的公式 VSB为0时的阈值电压公式oxssbfpmsTHNCQQVVV002其中

2、Vms是多晶硅栅与体之间的电势差iAipolyDfpGmsnNqkTnNqkTVVVlnln,考虑体电位的阈值电压公式 完整公式如下fpSBfpTHNTHNVVVVV220此公式对电路设计者的意义 阈值电压与温度有关。 阈值电压与体电位有关。 阈值电压与工艺偏差有关。研究阈值电压与温度的关系的文件*- 例6: ST02工艺NMOS阈值电压分析-*-.option post=2 $输出波形文件*-.option search=d:/hspice2011/libs $指定库路径 *-.lib st02.lib tt $指定模型库和入口*-.temp 25 $指定环境温度*-m1 nd ng ns

3、nb mn w=20u l=0.5u vg ng gnd 1vd nd gnd 5vs ns gnd 0vb nb gnd 0*-.print dc i1(m1) $记录m1第一个节点的电流*-.dc vg 0.4 1 0.01 sweep temp -40 85 10.print LV9(m1).end阈值电压与温度的关系利用SPICE模型给出的VTH别名的仿真分析文件*- 例8: NMOS阈值(别名）与温度关系分析-*-.option post=2 $输出波形文件*-.option search=d:/hspice2011/libs $指定库路径 *-.lib st02.lib tt $指

4、定模型库和入口*-.temp 25 $指定环境温度*-m1 nd ng gnd nb mn w=20u l=0.5u vgs ng gnd 1vds nd gnd 1vbs nb gnd 0*-.print dc i1(m1) $记录m1第一个节点的电流*-.dc temp -40 85 1.print LV9(m1).end阈值电压随温度变化曲线实验结果 阈值电压随温度升高而下降。 在VGS和VDS不变时，ID随温度升高而升高。阈值电压与体电位的关系注意：下图中VBS最高只能加到0.5V。体电位对阈值电压影响的仿真文件*- 例7: NMOS阈值(别名）与体电位关系分析-*-.option p

5、ost=2 $输出波形文件*-.option search=d:/hspice2011/libs $指定库路径 *-.lib st02.lib tt $指定模型库和入口*-.temp 25 $指定环境温度*-m1 nd ng gnd nb mn w=20u l=0.5u vgs ng gnd 1vds nd gnd 0vbs nb gnd 0*-.print dc i1(m1) $记录m1第一个节点的电流*-.dc vbs -1 0.5 0.1.print LV9(m1).end阈值电压与VBS关系曲线体电位的作用 记忆方法：“体相当于另一个栅，VBS与VGS对ID的作用方向相同”【拉扎维】。

6、问题：ID1与ID2哪个大？MOS管IV特性方程IV特性即ID与VGS和VDS之间的方程长沟道MOS管的IV特性方程线性区：沟道未夹断考虑沟道中间与源区距离为y的一个“小块”计算电荷面密度qdyWNyQI)(考虑沟道中间的一个小块的平面图。如果该小块沟道中电子总数为N，则单位面积电荷为单位面积电荷可由单位面积电容和电压得出Y点附近单位面积栅氧化层、沟道和耗尽层中中的电荷为的电荷。oxC单位面积氧化层电容漏极电流计算输运方程（晶体管原理）nqDnEqJnnnJn 是电流密度，E是电场，Dn是扩散系数，n是电子迁移率，n是电子浓度，q是电子的电荷量。 是浓度梯度。n从漏极电流密度Jn开始计算dyd

7、VnqnEqJnynndydVqnyhWInD)(假设沟道中电子浓度相同，忽略扩散作用，则ID等于电流密度乘以截面积。截面积等于W乘高度h(y)。替换公式中的浓度ndydVyQWdydVyhdyyhWNqWIInnD)()()(dyyhWNn)(浓度等于电子数N除以体积。接上页dVyQWdyIInD)(dVVyVVCWdyITHNGSoxnD)()()(00ydVVyVVKPWdyIDSVTHNGSLnDoxnnCKP定义跨导参数积分后得到线性区方程2)(2DSDSTHNGSnDVVVVLWKPITHNDSGSVVV处于线性区的条件线性区方程线性区方程的另一种表示法LWKPnn2)(2DSDS

8、THNGSnDVVVVI为便于记忆，定义于是，线性区方程可以写为处于饱和区的NMOS管饱和区方程22)(2)(2THNGSnTHNGSnDVVVVLWKPI线性方程中，ID有最大值，当VDS=VGS-VTHN时，ID最大.这个公式是最简单的饱和区公式，按此公式饱和区曲线是水平的。为什么饱和后ID仍随VDS增加？引入沟道长度调制系数的修正)(1)(2,2satDSDSTHNGSnDVVVVLWKPIDSdlelecdVdXL1THNGSsatDSVVV,沟道夹断后，ID随VDS增加的原因是有效沟道长度减小。定义沟道长度调制系数对于长沟道MOS管简化饱和区方程)1 ()(22DSTHNGSnDVVVLWKPI当VDS,sat较小时可简化为短沟道MOS管 问题：(1)对短沟道MOS管这些公式适用吗？(2)如何获取KPn?(3)如果不适用，怎么办？此公式对电路设计者的意义 阈值电压与温度有关。 阈值电压与体电位有关。 阈值电压与工艺偏差有关。阈值电压随温度变化曲线阈值电压与VBS关系曲线从漏极电流密度Jn开始计算dydVnqnEqJnynndydVqnyhWInD)(假设沟道中电子浓度相同，忽略扩散作用，则ID等