第5講MOS管閾值電壓和IV概要

1、第5講MOS管的理論公式MOS管閾值電壓的物理學(xué)定義定義使溝道中反型載流子濃度與襯底中多數(shù)載流子濃度相等時(shí)所需要的柵源電壓定義為閾值電壓。推導(dǎo)閾值電壓時(shí)的外咅哼接和內(nèi)部狀態(tài) 源漏區(qū)都接地，溝道剛剛產(chǎn)生，厚度忽略。'ey Vgs=Vthn+Q"b （正電荷與柵氧 化層下方電荷相等）A/P襯底7/7ZZ W f <1 1D/N+Qb （柵氧化層下方電荷）-Vsb推導(dǎo)思路如何使柵氧化層與半導(dǎo)體接觸面的表面勢(shì)與 襯底材料的靜電勢(shì)大小相等，方向（符號(hào)） 相反。 NMOS管的體（P型）的靜電勢(shì)為耳心q q ®使表面勢(shì)為l/fp （正數(shù)）需要施加的柵源電 壓即閾值電壓。推導(dǎo)

2、閾值電壓需考?xì)q的各種因素考慮接觸電勢(shì)差和表面附加電荷金屈+nn體金屬體接源極（VsB=g）時(shí)的公式 Vsb為0時(shí)的閾值電壓公式怙廠譏W+筆冬其中Vms是多晶硅柵與體之間的電勢(shì)差考慮體電位的閾值電壓公式完整公式如下=VthN 0 + 丫此公式對(duì)電路設(shè)計(jì)者的意義閾值電壓與溫度有關(guān)。閾值電壓與體電位有關(guān)。:閾值電壓與工藝偏差有關(guān)。研究閾值電壓與溫度的關(guān)系的文件 *例6： ST02X藝NMOS閾值電斥分析 * .option post=2 $輸出波形文件 * option search = "d:/hspice2011/libs" $指定庫(kù)路徑 * .lib ”stO乙lib” t

3、t $指定模型庫(kù)和入口 * temp 25 $指定環(huán)境溫度 * ml nd ng ns nb mn w=20u 1=0.5u vgng gnd1 vdnd gnd5 vsns gnd0 vbnb gnd0 * .print de il(ml) $記錄ml第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流 * dc vg 0.4 1 0.01 sweep temp 40 85 10 .print LV9(ml).end閾值電壓與溫度的關(guān)系Wwe ListDO：swO：ilQnl) SO, -4.00e+l Sb-3.00e+lS2,-2.00e+lS3?-1.00e+l 54,0. 000 S5J.00e+l S6,2.00e+

4、l ST, 3. OOe+1 S8,4.00e+l S9,5.00e+lS10,6.00e+1Slb7.00e+1S12?8.00e+1- PIa.I.moI500m90Ch1000m402080404D0m600n700m8C0mVoltage X CL in) (VOLTS)20利用SPICE模型給出的Vth彗的仿真分析文件 *例8： NMOS閾值(別名)與溫度關(guān)系分析 * .option post=2 $輸出波形文件 * option search = "d:/hspice2011/libs" $指定庫(kù)路徑 * ib ”stO乙lib” tt $指定模型庫(kù)和入口 *

5、temp 25 $指定環(huán)境溫度 * ml ndng gnd nb mn w=20u 1=0.5u vgs nggnd1 vds ndgnd1 vbs nbgnd0 * .print de il(ml) $記錄ml第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流 * dc temp -40 85 1 print LV9(ml).end*例7： ninos;潮佰（別名）日溫當(dāng)關(guān)丟湖斤m m m o o o8 s 49 9 9m m m o o o2 0 89 9 8 3 Am608m408m208實(shí)驗(yàn)結(jié)果閾值電壓隨溫度升高而下降。在Vgs和Vds不變時(shí)，Id隨溫度升高而升高。閾值電壓與體電位的關(guān)系注意：下圖中VBS最高只能加到0

6、.5Vognd體電位對(duì)閾值電壓影響的仿真文件 *一例7： NMOS閾値(別名)與體電位關(guān)系分析 * .option post=2 $輸出波形文件 * option search = "d:/hspice2011/libs" $指定庫(kù)路徑 * .lib ”stO2lib” tt $指定模型庫(kù)和入口 * temp 25 $指定環(huán)境溫度 * mlndng gndnb mn w=20u 1=0.5u vgsnggnd1 vdsndgnd0 vbsnbgnd0 * .print de il(ml) $記錄ml第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流 * .de vbs 10501 print LV9(ml)

7、.end2-0 一Cl：nmoslSI值別宅）日體電仿關(guān)惡孫析I500m-1-500m0VoLUge X din) (VOLTS)體電位的簣用記憶方法：“體相當(dāng)于另一個(gè)柵，VBSVGS對(duì)Zd的作用方向相同”【拉扎維】。問(wèn)題：Idi與I竪哪個(gè)大?1<11I"DDJ00EODn22 53Vclt.ag« X (Lm) (VOLTS)3.544.SMOS管IV特性方程IV特性即耳與I/gs和“DS之間的方程00EODn22 53Vclt.ag« X (Lm) (VOLTS)3.544.S00EODn22 53Vclt.ag« X (Lm) (VOLTS)

8、3.544.S4十Ji線也區(qū)JZ-一 /5IV111-ray和區(qū)1!111一一 一 亠5n乙00EODn22 53Vclt.ag« X (Lm) (VOLTS)3.544.S00EODn22 53Vclt.ag« X (Lm) (VOLTS)3.544.SSOOu -Vgs 蟬 VVgs=!1 V I長(zhǎng)溝道MOS管的IV特性方程線性區(qū)：溝道未夾斷Vgs>Vthn溝逍二P襯底y+dy Qi（y）考慮溝道中間 與源區(qū)距離為y 的一個(gè)“小塊”00EODn22 53Vclt.ag« X (Lm) (VOLTS)3.544.S計(jì)算電荷面密度考慮溝道中間的一個(gè)小塊的平面

9、圖。如果該小塊溝道中電子總數(shù)dy為N,則單位面積電荷為e;w=N q WdyoV（y）電荷cox單位面積氧化層電容單位面積電荷可由單位面積電容和電壓得岀丫點(diǎn)附近單位面積柵氧化層、溝道和耗盡層中中的電 荷為的電荷。20）心 一*刃Q'i（刃二 C'ox % - V（y）- Vthn Qb C'ox * Vthn漏極電流計(jì)算V輸運(yùn)方程（晶體管原理）Jn是電流密度，E是電場(chǎng)，5是擴(kuò)散系 數(shù)己站是電壬匪移塞"是電屛度a 是電子的電荷量。是濃度梯度。從漏極電流密度厶開(kāi)始計(jì)算假設(shè)溝道中電子濃度相同，忽略擴(kuò)散作用，則Jn = q/nEy = q 仏"dVdy6等于

10、電流密度乘以截面積。截面積等于"乘高度h(y)。dVID=W -h(yy/Jnqn-dy替換公式中的濃度門濃度等于電子數(shù)/V除Nn =以體積。W 心）4dVdV接上頁(yè)b 心二U(y)-定義跨導(dǎo)參數(shù)KPuC；x/=w KPj% -Xy) -% %)積分后得到線性區(qū)方程線性坊程處于線性區(qū)的條件 -%線性區(qū)方程的另一種表示法w為便于記憶，Pn = KPn定義L于是，線性 區(qū)方程可以= Pn （匕S 一 % 一2寫(xiě)為2處于飽和區(qū)的NM OS管Vgs>VthnVdss3c_+、二r_7IdnN+N+:瘵:規(guī)悸 I:P襯底飽和區(qū)方程線性方程中，有最大值，當(dāng)VDS=VGS-VTHN 時(shí)，6最大KPn W2 L這個(gè)公式是最簡(jiǎn)單的飽和區(qū)公式，按此公式飽 和區(qū)曲線是水平的。為什么飽和后仍隨fs增加?I區(qū)Vgs> JinVgsV:歩 i：彳龍 7 « J *» 上 » * v r 94x. / r. *«* 99 N+ -f g* Id Xf z , a1 Iff111a/11 9f P/ee1'丨 vGS=iv 丨L爪. 11 Y 0SCOr.11 * I t 522 5* * I33 5q4 55Vk6ce X IVDLTS)P襯底引入溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)的修正溝道