MOS器件物理(續(xù))第1頁(yè)轉(zhuǎn)移特征曲線

在一個(gè)固定VDS下MOS管飽和區(qū)漏極電流與柵源電壓之間關(guān)系稱為MOS管轉(zhuǎn)移特征。轉(zhuǎn)移特征另一個(gè)表示方式增強(qiáng)型NMOS轉(zhuǎn)移特征耗盡型NMOS轉(zhuǎn)移特征第2頁(yè)轉(zhuǎn)移特征曲線在實(shí)際應(yīng)用中，生產(chǎn)廠商經(jīng)常為設(shè)計(jì)者提供參數(shù)中，經(jīng)常給出是在零電流下開啟電壓注意，Vth0為無(wú)襯偏時(shí)開啟電壓，而是在與VGS特征曲線中與VGS軸交點(diǎn)電壓，實(shí)際上為零電流柵電壓從物理意義上而言，為溝道剛反型時(shí)柵電壓，僅與溝道濃度、氧化層電荷等相關(guān)；而Vth0與人為定義開啟后IDS相關(guān)。

第3頁(yè)轉(zhuǎn)移特征曲線從轉(zhuǎn)移特征曲線能夠得到導(dǎo)電因子KN（或KP），依據(jù)飽和薩氏方程可知：

即有：

所以KN即為轉(zhuǎn)移特征曲線斜率。第4頁(yè)MOS管直流導(dǎo)通電阻

定義：MOS管直流導(dǎo)通電阻是指漏源電壓與漏源電流之比。飽和區(qū)：線性區(qū)：深三極管區(qū)：第5頁(yè)MOS管最高工作頻率

定義：當(dāng)柵源間輸入交流信號(hào)時(shí)，由源極增加（減小）流入電子流，一部分經(jīng)過溝道對(duì)電容充（放）電，一部分經(jīng)過溝道流向漏極，形成漏源電流增量，當(dāng)改變電流全部用于對(duì)溝道電容充放電時(shí)，MOS管就失去了放大能力，所以MOS管最高工作頻率定義為：對(duì)柵輸入電容充放電電流和漏源交流電流值相等時(shí)所對(duì)應(yīng)工作頻率。

第6頁(yè)飽和區(qū)MOS管跨導(dǎo)與導(dǎo)納

工作在飽和區(qū)MOS管可等效為一壓控電流源，故可用跨導(dǎo)gm來(lái)表示MOS管電壓轉(zhuǎn)變電流能力，跨導(dǎo)越大則表示該MOS管越靈敏，在一樣過驅(qū)動(dòng)電壓（VGS－Vth）下能引發(fā)更大電流，依據(jù)定義，跨導(dǎo)為漏源電壓一定時(shí)，漏極電流隨柵源電壓改變率，即：

飽和區(qū)跨導(dǎo)倒數(shù)等于深三極管區(qū)導(dǎo)通電阻Ron

第7頁(yè)飽和區(qū)MOS管跨導(dǎo)與導(dǎo)納討論1：在KN（KP）為常數(shù)（W/L為常數(shù)）時(shí)，跨導(dǎo)與過驅(qū)動(dòng)電壓成正比，或與漏極電流ID平方根成正比。若漏極電流ID恒定時(shí)，則跨導(dǎo)與過驅(qū)動(dòng)電壓成反比，而與KN平方根成正比。為了提升跨導(dǎo)，能夠經(jīng)過增大KN（增大寬長(zhǎng)比，增大Cox等），也能夠經(jīng)過增大ID來(lái)實(shí)現(xiàn)，但以增大寬長(zhǎng)比為最有效。

第8頁(yè)飽和區(qū)MOS管跨導(dǎo)與導(dǎo)納討論2：雙極型三極管跨導(dǎo)為：，兩種跨導(dǎo)相比可得到以下結(jié)論：對(duì)于雙極型，當(dāng)IC確定后，gm就與幾何形狀無(wú)關(guān)，而MOS管除了可經(jīng)過IDS調(diào)整跨導(dǎo)外，gm還與幾何尺寸相關(guān)；雙極型三極管跨導(dǎo)與電流成正比，而MOS管跨導(dǎo)與成正比，所以在一樣工作電流情況下，MOS管跨導(dǎo)要比雙極型三極管跨導(dǎo)小。第9頁(yè)飽和區(qū)MOS管跨導(dǎo)與導(dǎo)納對(duì)于MOS管交流小信號(hào)工作還引入了導(dǎo)納概念，導(dǎo)納定義為：當(dāng)柵源電壓與襯底電壓為一常數(shù)時(shí)漏極電流與漏源電壓之比，即可表示為：第10頁(yè)MOS管最高工作頻率C表示柵極輸入電容，該電容正比于WLCox

。MOS管最高工作頻率與溝道長(zhǎng)度平方成反比，所以，減小MOS管溝道長(zhǎng)度就能很顯著地提升工作頻率

。第11頁(yè)二階效應(yīng)

二階效應(yīng)在當(dāng)代模擬集成電路設(shè)計(jì)中是不能忽略，主要二階效應(yīng)有：MOS管襯底效應(yīng)溝道調(diào)制效應(yīng)亞閾值導(dǎo)通溫度效應(yīng)第12頁(yè)襯底偏置效應(yīng)（體效應(yīng)）

在前面分析中：沒有考慮襯底電位對(duì)MOS管性能影響假設(shè)了全部器件襯底都與器件源端相連，即VBS＝0但在實(shí)際模擬集成電路中，因?yàn)镸OS器件制作在同一襯底上，就不可能把全部MOS管源極與公共襯底相接，即VBS≠0比如：在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中NMOS管源極電位有時(shí)就會(huì)高于襯底電位（仍能確保源極與漏極與襯底間保持為反偏，使器件正常工作）

第13頁(yè)襯底偏置效應(yīng)（體效應(yīng)）依據(jù)閾值電壓定義及MOS管工作原理可知，MOS管要形成溝道必須先中和其耗盡層電荷，假設(shè)VS＝VD＞VB，當(dāng)0＜VGB＜Vth時(shí)則在柵下面產(chǎn)生了耗盡但沒產(chǎn)生反型層，保持MOS管三端電壓不變，而降低襯底電壓VB，則VGB增大，更多空穴被排斥到襯底，而留下了更多負(fù)電荷，從而使其耗盡區(qū)變得更寬，即當(dāng)VB下降、Qb上升時(shí)，Vth也會(huì)增大。這種因?yàn)閂BS不為0而引發(fā)閾值電壓改變效應(yīng)就稱為“襯底效應(yīng)”，也稱為“背柵效應(yīng)”。第14頁(yè)襯底偏置效應(yīng)（體效應(yīng)）在考慮襯底效應(yīng)時(shí)，其耗盡層電荷密度改變?yōu)椋?/p>

把上式代入閾值電壓表示式，可得其閾值電壓為：其中Vth0是在無(wú)體效應(yīng)時(shí)閾值電壓；，稱為體效應(yīng)因子，γ大小由襯底濃度與柵氧厚度決定，其經(jīng)典值在0.3到0.4V1/2。對(duì)于PMOS管，考慮體效應(yīng)后閾值電壓為：

對(duì)于襯底效應(yīng)表明其襯底勢(shì)能Vsub不需改變：假如其源電壓相對(duì)于Vsub發(fā)生了改變，會(huì)發(fā)生一樣現(xiàn)象。

第15頁(yè)襯底偏置效應(yīng)（體效應(yīng)）例：第16頁(yè)襯底偏置效應(yīng)（體效應(yīng)）因?yàn)橐r底電位會(huì)影響閾值電壓，進(jìn)而影響MOS管過驅(qū)動(dòng)電壓，所以襯底能夠視為MOS管第二個(gè)柵（常稱背柵）。所以為了衡量體效應(yīng)對(duì)MOS管I/V影響，定義一襯底跨導(dǎo)襯底跨導(dǎo)：在源漏電壓與柵源電壓為常量時(shí)漏極電流隨襯底電壓改變關(guān)系：則襯底電位對(duì)漏極電流影響可用一個(gè)電流源gmbVBS表示。第17頁(yè)襯底偏置效應(yīng)（體效應(yīng)）在飽和區(qū)，gmb能被表示成而依據(jù)閾值電壓與VBS之間關(guān)系可得：

所以有：

上式中η=gmb/gm

，gmb正比于γ。上式表明當(dāng)較大時(shí)，不停增大襯底效應(yīng)改變就不顯著了。注意gmVGS與gmbVBS含有相同極性，即提升襯底電位與提升柵壓含有同等效果。第18頁(yè)溝道調(diào)制效應(yīng)

在分析器件工作原理時(shí)已提到：在飽和時(shí)溝道會(huì)發(fā)生夾斷，且夾斷點(diǎn)位置隨柵漏之間電壓差增加而往源極移動(dòng)，即有效溝道長(zhǎng)度L’實(shí)際上是VDS函數(shù)。這種因?yàn)闁旁措妷焊淖円l(fā)溝道有效長(zhǎng)度改變效應(yīng)稱為“溝道調(diào)制效應(yīng)”。記，，λ稱為溝道調(diào)制系數(shù)，當(dāng)遠(yuǎn)小于L時(shí)有：第19頁(yè)溝道調(diào)制效應(yīng)在飽和區(qū)時(shí)，其漏極電流為調(diào)制系數(shù)為：而ΔL為：λ大小與溝道長(zhǎng)度及襯底濃度相關(guān)，ND上升則λ下降?？紤]溝道調(diào)制效應(yīng)I/V曲線以下列圖所表示。

第20頁(yè)溝道調(diào)制效應(yīng)由上圖能夠看出：實(shí)際I/V曲線在飽和時(shí)并非是一平行直線，而是含有一定斜率斜線。全部斜線反方向延長(zhǎng)與水平軸VDS間有同一交叉點(diǎn)，該點(diǎn)電壓稱為厄萊電壓VA。所以在源漏之間是一個(gè)非理想電流源。參數(shù)λ反應(yīng)了溝道調(diào)制深度，且溝道越短，λ越大，表明溝道調(diào)制越顯著。λ與VA關(guān)系為：λ＝1/VA。第21頁(yè)溝道調(diào)制效應(yīng)考慮溝道調(diào)制效應(yīng)后MOS管在飽和區(qū)跨導(dǎo)gm為：所以溝道調(diào)制效應(yīng)改變了MOS管I/V特征，進(jìn)而改變了跨導(dǎo)。

第22頁(yè)溝道調(diào)制效應(yīng)不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)，MOS管工作于飽和區(qū)時(shí)漏源之間交流電阻為無(wú)窮大，是一理想電流源?？紤]溝道調(diào)制效應(yīng)后，因?yàn)槁╇娏麟S漏源電壓改變而改變，其值為一有限值。這個(gè)電流源電流值與其電壓成線性關(guān)系，能夠等效為一個(gè)連接在漏源之間線性電阻，這個(gè)電阻值為：

第23頁(yè)溝道調(diào)制效應(yīng)普通ro也稱為MOS管輸出阻抗，它會(huì)限制大部分放大器最大電壓增益，影響模擬電路性能。對(duì)于一個(gè)給定柵源電壓，一個(gè)較大溝道長(zhǎng)度L能夠提供一個(gè)更理想電流源，同時(shí)降低了器件電流能力。所以，為了確保其電流值，應(yīng)同百分比增加W值。注：以上各式推導(dǎo)是基于條件：ΔL遠(yuǎn)小于L（即長(zhǎng)溝道）而得到，此時(shí)才有近似線性關(guān)系，而對(duì)于短溝道器件則上述條件不成立，它會(huì)造成飽和ID/VDS特征曲線斜率可變。

第24頁(yè)亞閾值效應(yīng)

亞閾值效應(yīng)又稱為弱反型效應(yīng)前面分析MOS管工作狀態(tài)時(shí)，采取了強(qiáng)反型近似，即假定當(dāng)MOS管VGS大于Vth時(shí)，表面產(chǎn)生反型，溝道馬上形成，而當(dāng)MOS管VGS小于Vth時(shí)，器件就會(huì)突然截止。但MOS管實(shí)際工作狀態(tài)應(yīng)用弱反型模型，即當(dāng)VGS略小于Vth時(shí)，MOS管已開始導(dǎo)通，仍會(huì)產(chǎn)生一個(gè)弱反型層，從而會(huì)產(chǎn)生由漏流向源電流，稱為亞閾值導(dǎo)通，而且ID與VGS呈指數(shù)關(guān)系：其中ξ>1是一非理想因子；ID0為特征電流：，m為工藝因子，所以ID0與工藝相關(guān)；而VT稱為熱電壓：。第25頁(yè)亞閾值效應(yīng)亞閾值工作特點(diǎn)：在亞閾值區(qū)漏極電流與柵源電壓之間呈指數(shù)關(guān)系，這與雙極型晶體管相同。亞閾值區(qū)跨導(dǎo)為：

因?yàn)棣?gt;1，所以gm<ID/VT，即MOS管最大跨導(dǎo)比雙極型晶體管（IC/VT）小。且依據(jù)跨導(dǎo)定義，ID不變而增大器件寬W能夠提升跨導(dǎo)，但I(xiàn)D保持不變條件是必須降低MOS管過驅(qū)動(dòng)電壓。所以在亞閾值區(qū)域，大器件寬度（存在大寄生電容）或小漏極電流MOS管含有較高增益。為了得到亞閾值區(qū)MOS管大跨導(dǎo)，其工作速度受限（大器件尺寸引入了大寄生電容）。

第26頁(yè)溫度效應(yīng)

溫度效應(yīng)對(duì)MOS管性能影響主要表示在閾值電壓Vth與載流子遷移率隨溫度改變。閾值電壓Vth隨溫度改變：以NMOS管為例，閾值電壓表示式兩邊對(duì)溫度T求導(dǎo)能夠得到上式一直為負(fù)值，即閾值電壓隨溫度上升而下降。對(duì)于PMOS管則dVth/dT總為正值，即閾值電壓隨溫度上升而增大。

第27頁(yè)溫度效應(yīng)載流子遷移率隨溫度改變?cè)囼?yàn)表明，對(duì)于MOS管，假如其表面電場(chǎng)小于105V/cm，則溝道中電子與空穴有效遷移率近似為常數(shù)，并約為半導(dǎo)體體內(nèi)遷移率二分