MOS器件物理省公开课一等奖全国示范课微课金奖课件

MOS器件物理(续)第1页转移特征曲线

在一个固定VDS下MOS管饱和区漏极电流与栅源电压之间关系称为MOS管转移特征。转移特征另一个表示方式增强型NMOS转移特征耗尽型NMOS转移特征第2页转移特征曲线在实际应用中，生产厂商经常为设计者提供参数中，经常给出是在零电流下开启电压注意，Vth0为无衬偏时开启电压，而是在与VGS特征曲线中与VGS轴交点电压，实际上为零电流栅电压从物理意义上而言，为沟道刚反型时栅电压，仅与沟道浓度、氧化层电荷等相关；而Vth0与人为定义开启后IDS相关。

第3页转移特征曲线从转移特征曲线能够得到导电因子KN（或KP），依据饱和萨氏方程可知：

即有：

所以KN即为转移特征曲线斜率。第4页MOS管直流导通电阻

定义：MOS管直流导通电阻是指漏源电压与漏源电流之比。饱和区：线性区：深三极管区：第5页MOS管最高工作频率

定义：当栅源间输入交流信号时，由源极增加（减小）流入电子流，一部分经过沟道对电容充（放）电，一部分经过沟道流向漏极，形成漏源电流增量，当改变电流全部用于对沟道电容充放电时，MOS管就失去了放大能力，所以MOS管最高工作频率定义为：对栅输入电容充放电电流和漏源交流电流值相等时所对应工作频率。

第6页饱和区MOS管跨导与导纳

工作在饱和区MOS管可等效为一压控电流源，故可用跨导gm来表示MOS管电压转变电流能力，跨导越大则表示该MOS管越灵敏，在一样过驱动电压（VGS－Vth）下能引发更大电流，依据定义，跨导为漏源电压一定时，漏极电流随栅源电压改变率，即：

饱和区跨导倒数等于深三极管区导通电阻Ron

第7页饱和区MOS管跨导与导纳讨论1：在KN（KP）为常数（W/L为常数）时，跨导与过驱动电压成正比，或与漏极电流ID平方根成正比。若漏极电流ID恒定时，则跨导与过驱动电压成反比，而与KN平方根成正比。为了提升跨导，能够经过增大KN（增大宽长比，增大Cox等），也能够经过增大ID来实现，但以增大宽长比为最有效。

第8页饱和区MOS管跨导与导纳讨论2：双极型三极管跨导为：，两种跨导相比可得到以下结论：对于双极型，当IC确定后，gm就与几何形状无关，而MOS管除了可经过IDS调整跨导外，gm还与几何尺寸相关；双极型三极管跨导与电流成正比，而MOS管跨导与成正比，所以在一样工作电流情况下，MOS管跨导要比双极型三极管跨导小。第9页饱和区MOS管跨导与导纳对于MOS管交流小信号工作还引入了导纳概念，导纳定义为：当栅源电压与衬底电压为一常数时漏极电流与漏源电压之比，即可表示为：第10页MOS管最高工作频率C表示栅极输入电容，该电容正比于WLCox

。MOS管最高工作频率与沟道长度平方成反比，所以，减小MOS管沟道长度就能很显著地提升工作频率

。第11页二阶效应

二阶效应在当代模拟集成电路设计中是不能忽略，主要二阶效应有：MOS管衬底效应沟道调制效应亚阈值导通温度效应第12页衬底偏置效应（体效应）

在前面分析中：没有考虑衬底电位对MOS管性能影响假设了全部器件衬底都与器件源端相连，即VBS＝0但在实际模拟集成电路中，因为MOS器件制作在同一衬底上，就不可能把全部MOS管源极与公共衬底相接，即VBS≠0比如：在实际电路设计中NMOS管源极电位有时就会高于衬底电位（仍能确保源极与漏极与衬底间保持为反偏，使器件正常工作）

第13页衬底偏置效应（体效应）依据阈值电压定义及MOS管工作原理可知，MOS管要形成沟道必须先中和其耗尽层电荷，假设VS＝VD＞VB，当0＜VGB＜Vth时则在栅下面产生了耗尽但没产生反型层，保持MOS管三端电压不变，而降低衬底电压VB，则VGB增大，更多空穴被排斥到衬底，而留下了更多负电荷，从而使其耗尽区变得更宽，即当VB下降、Qb上升时，Vth也会增大。这种因为VBS不为0而引发阈值电压改变效应就称为“衬底效应”，也称为“背栅效应”。第14页衬底偏置效应（体效应）在考虑衬底效应时，其耗尽层电荷密度改变为：

把上式代入阈值电压表示式，可得其阈值电压为：其中Vth0是在无体效应时阈值电压；，称为体效应因子，γ大小由衬底浓度与栅氧厚度决定，其经典值在0.3到0.4V1/2。对于PMOS管，考虑体效应后阈值电压为：

对于衬底效应表明其衬底势能Vsub不需改变：假如其源电压相对于Vsub发生了改变，会发生一样现象。

第15页衬底偏置效应（体效应）例：第16页衬底偏置效应（体效应）因为衬底电位会影响阈值电压，进而影响MOS管过驱动电压，所以衬底能够视为MOS管第二个栅（常称背栅）。所以为了衡量体效应对MOS管I/V影响，定义一衬底跨导衬底跨导：在源漏电压与栅源电压为常量时漏极电流随衬底电压改变关系：则衬底电位对漏极电流影响可用一个电流源gmbVBS表示。第17页衬底偏置效应（体效应）在饱和区，gmb能被表示成而依据阈值电压与VBS之间关系可得：

所以有：

上式中η=gmb/gm

，gmb正比于γ。上式表明当较大时，不停增大衬底效应改变就不显著了。注意gmVGS与gmbVBS含有相同极性，即提升衬底电位与提升栅压含有同等效果。第18页沟道调制效应

在分析器件工作原理时已提到：在饱和时沟道会发生夹断，且夹断点位置随栅漏之间电压差增加而往源极移动，即有效沟道长度L’实际上是VDS函数。这种因为栅源电压改变引发沟道有效长度改变效应称为“沟道调制效应”。记，，λ称为沟道调制系数，当远小于L时有：第19页沟道调制效应在饱和区时，其漏极电流为调制系数为：而ΔL为：λ大小与沟道长度及衬底浓度相关，ND上升则λ下降。考虑沟道调制效应I/V曲线以下列图所表示。

第20页沟道调制效应由上图能够看出：实际I/V曲线在饱和时并非是一平行直线，而是含有一定斜率斜线。全部斜线反方向延长与水平轴VDS间有同一交叉点，该点电压称为厄莱电压VA。所以在源漏之间是一个非理想电流源。参数λ反应了沟道调制深度，且沟道越短，λ越大，表明沟道调制越显著。λ与VA关系为：λ＝1/VA。第21页沟道调制效应考虑沟道调制效应后MOS管在饱和区跨导gm为：所以沟道调制效应改变了MOS管I/V特征，进而改变了跨导。

第22页沟道调制效应不考虑沟道调制效应时，MOS管工作于饱和区时漏源之间交流电阻为无穷大，是一理想电流源。考虑沟道调制效应后，因为漏电流随漏源电压改变而改变，其值为一有限值。这个电流源电流值与其电压成线性关系，能够等效为一个连接在漏源之间线性电阻，这个电阻值为：

第23页沟道调制效应普通ro也称为MOS管输出阻抗，它会限制大部分放大器最大电压增益，影响模拟电路性能。对于一个给定栅源电压，一个较大沟道长度L能够提供一个更理想电流源，同时降低了器件电流能力。所以，为了确保其电流值，应同百分比增加W值。注：以上各式推导是基于条件：ΔL远小于L（即长沟道）而得到，此时才有近似线性关系，而对于短沟道器件则上述条件不成立，它会造成饱和ID/VDS特征曲线斜率可变。

第24页亚阈值效应

亚阈值效应又称为弱反型效应前面分析MOS管工作状态时，采取了强反型近似，即假定当MOS管VGS大于Vth时，表面产生反型，沟道马上形成，而当MOS管VGS小于Vth时，器件就会突然截止。但MOS管实际工作状态应用弱反型模型，即当VGS略小于Vth时，MOS管已开始导通，仍会产生一个弱反型层，从而会产生由漏流向源电流，称为亚阈值导通，而且ID与VGS呈指数关系：其中ξ>1是一非理想因子；ID0为特征电流：，m为工艺因子，所以ID0与工艺相关；而VT称为热电压：。第25页亚阈值效应亚阈值工作特点：在亚阈值区漏极电流与栅源电压之间呈指数关系，这与双极型晶体管相同。亚阈值区跨导为：

因为ξ>1，所以gm<ID/VT，即MOS管最大跨导比双极型晶体管（IC/VT）小。且依据跨导定义，ID不变而增大器件宽W能够提升跨导，但ID保持不变条件是必须降低MOS管过驱动电压。所以在亚阈值区域，大器件宽度（存在大寄生电容）或小漏极电流MOS管含有较高增益。为了得到亚阈值区MOS管大跨导，其工作速度受限（大器件尺寸引入了大寄生电容）。

第26页温度效应

温度效应对MOS管性能影响主要表示在阈值电压Vth与载流子迁移率随温度改变。阈值电压Vth随温度改变：以NMOS管为例，阈值电压表示式两边对温度T求导能够得到上式一直为负值，即阈值电压随温度上升而下降。对于PMOS管则dVth/dT总为正值，即阈值电压随温度上升而增大。

第27页温度效应载流子迁移率随温度改变试验表明，对于MOS管，假如其表面电场小于105V/cm，则沟道中电子与空穴有效迁移率近似为常数，并约为半导体体内迁移率二分