MOS器件物理2.pptx

MOS管的电特性
主要指:
阈值电压
I/V特性
输入输出转移特性
跨导等电特性
MOS管的电特性-阈值电压(NMOS)
在漏源电压的作用下刚开始有电流产生时的VG为阈值电压Vth :

ΦMS:指多晶硅栅与硅衬底间的接触电势差
称为费米势,其中q是电子电荷
Nsub:衬底的掺杂浓度
Qb:耗尽区的电荷密度,其值为,其中
是硅的介电常数
Cox:单位面积的栅氧电容, ,
Qss:氧化层中单位面积的正电荷
VFB:平带电压,VFB=
MOS管的电特性-阈值电压
同理PMOS管的阈值电压可表示为:
注意:
器件的阈值电压主要通过改变衬底掺杂浓度、衬底表面浓度或改变氧化层中的电荷密度来调整,对于增强型MOS管,适当增加衬底浓度,减小氧化层中的正电荷即可使其阈值大于0;而氧化层中的正电荷较大或衬底浓度太小都可形成耗尽型NMOS 。
实际上,用以上方程求出的“内在”阈值在电路设计过程中可能不适用,在实际设计过程中,常通过改变多晶与硅之间的接触电势即:在沟道中注入杂质,或通过对多晶硅掺杂金属的方法来调整阈值电压。比如:若在p型衬底中掺杂三价离子形成一层薄的p+区,为了实现耗尽,其栅电压必须提高,从而提高了阈值电压。
MOS管的电特性-输出特性(I/V特性)
MOS晶体管的输出电流-电压特性的经典描述是萨氏方程。
忽略二次效应,对于NMOS管导通时的萨氏方程为:



VGS-Vth:MOS管的“过驱动电压”
L:指沟道的有效长度
W/L称为宽长比
,称为NMOS管的导电因子
ID的值取决于工艺参数:μnCox、器件尺寸W和L、VDS及VGS。
MOS管的电特性-输出特性(I/V特性)
截止区:VGS≤Vth,ID=0;
线性区:VDS≤VGS-Vth,漏极电流即为萨氏方程。
深三极管区:VDS<<2(VGS-Vth)时称MOS管工作在,萨氏方程可近似为:

上式表明在VDS较小时,ID是VDS的线性函数,即这时MOS管可等效为一个电阻,其阻值为:

即:处于深三极管区的MOS管可等效为一个受过驱动电压控制的可控电阻,当VGS一定时,沟道直流导通电阻近似为一恒定的电阻。
MOS管的电特性-输出特性(I/V特性)
饱和区:VDS≥VGS-Vth:
漏极电流并不是随VDS增大而无限增大的,在VDS>VGS-Vth时,MOS管进入饱和区:此时在沟道中发生了夹断现象。
萨氏方程两边对VDS求导,可求出当VDS=VGS-Vth时,电流有最大值,其值为:

这就是饱和萨氏方程。
MOS管的电特性-输出特性(I/V特性)
转移特性曲线
在一个固定的VDS下的MOS管饱和区的漏极电流与栅源电压之间的关系称为MOS管的转移特性。
转移特性的另一种表示方式
增强型NMOS转移特性
耗尽型NMOS转移特性
转移特性曲线
在实际应用中,生产厂商经常为设计者提供的参数中,经常给出的是在零电流下的开启电压
注意,Vth0为无衬偏时的开启电压,而是在与VGS特性曲线中与VGS轴的交点电压,实际上为零电流的栅电压
从物理意义上而言, 为沟道刚反型时的栅电压,仅与沟道浓度、氧化层电荷等有关;而Vth0与人为定义开启后的IDS有关。
转移特性曲线
从转移特性曲线可以得到导电因子KN(或KP),根据饱和萨氏方程可知:

即有:

所以KN即为转移特性曲线的斜率。