大规模集成电路第3章MOS集成电路器件基础

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1、第三章MOS集成电路器件基础3.1MOS场效应管(MOSFET)的结构及符号3.2MOS管的电流电压特性3.3MOS电容3.4MOS管的Spice模型参数3.5MOS管小信号等效电路3.1MOS场效应管(MOSFET)的结构及符号3.1.1NMOS管的简化结构NMOS管的简化结构如图器件制作在P型衬底上两个重掺杂N区形成源区和漏区，重掺杂多晶硅区(Poly)作为栅极一层薄SiO2绝缘层作为栅极与衬底的隔离NMOS管的有效作用就发生在栅氧下的衬底表面——导电沟道(Channel)上。宽长比(W/L)和氧化层厚度tox衬底的连接(a)PMOS管；(b)NMOS管3.1.2N阱及

2、PMOS为了使MOS管的电流只在导电沟道中沿表面流动而不产生垂直于衬底的额外电流，源区、漏区以及沟道和衬底间必须形成反偏的PN结隔离，因此，NMOS管的衬底B必须接到系统的最低电位点(例如“地”)，而PMOS管的衬底B必须要接到系统的最高电位点(例如正电源UDD)。衬底的连接如图所示。互补型CMOS管N阱中的PMOS在互补型CMOS管中，在同一衬底上制作NMOS管和PMOS管，因此必须为PMOS管做一个称之为“阱(Well)”的“局部衬底”。MOS管常用符号3.1.3MOS管符号增强型MOS管的4种常用符号如图所示，其中NMOS管的衬底B应接地，PMOS管的衬底B接UDD。3

3、.2MOS管的电流电压特性3.2.1MOS管的转移特性其中UTHN(UTHP)为开启电压，或称阈值电压(ThresholdVoltage)。在半导体物理学中，NMOS的UTHN定义为界面反型层的电子浓度等于P型衬底的多子浓度时的栅极电压。3.2.2MOS管的输出特性增强型NMOS管的输出特性如图所示。栅极电压超过阈值电压UTHN后，开始出现电流且栅压uGS越大，漏极电流也越大的现象，体现了栅压对漏极电流有明显的控制作用。漏极电压UDS对漏极电流ID的控制作用基本上分两段，即线性区(Linear)和饱和区(Saturation)。线性区和恒流区是以预夹断点的连线为分界线的(图中

4、虚线所示)。在栅压UGS一定的情况下，随着UDS从小变大，沟道将发生变化。若UDS=UGS-UTH,则沟道在漏区边界上被夹断，因此该点电压称为预夹断电压。在此点之前，即UDSUGS-UTH，管子工作在恒流区，此时UDS增大，大部分电压降在夹断区，对沟道电场影响不大，因此电流增大很小。非饱和区I-V特性(线性区)(0

5、数饱和区I-V特性(0

6、总结截至区：VGS-VT≤0线性区：0

7、UGS

8、<

9、UTHP

10、(截止区)

11、UDS

12、<

13、UGS

14、-

15、UTHP

16、(线性区)

17、UDS

18、>

19、UG

20、S

21、-

22、UTHP

23、(恒流区)可知，电流与宽长比(W/L)成正比。UTHN、UTHP——开启电压(阈值电压)。假设UDD=5V，则增强型NMOS管：UTHN≈(0.14～0.18)UDD≈0.7～0.9V增强型PMOS管：UTHP≈-0.16

24、UDD

25、≈-0.8V耗尽型MOS管：UTH≈-0.8UDD≈-4Vλn、λp——沟道调制系数，即UDS对沟道长度的影响。对NMOS对PMOS沟道调制系数λ=1/UA对于典型的0.5μm工艺的MOS管，忽略沟道调制效应，其主要参数如表所示。表3-10.5μm工艺MO