MOS器件物理——转移特性曲线(精)课件

MOS器件物理器件物理(续续)MOS器件物理(续)1转移特性曲线转移特性曲线 在一个固定的在一个固定的VDS下的下的MOS管饱和区的漏极电流管饱和区的漏极电流与栅源电压之间的关系称为与栅源电压之间的关系称为MOS管的转移特性。管的转移特性。转移特性的另一种表示方式转移特性的另一种表示方式增强型增强型NMOS转移特性转移特性耗尽型耗尽型NMOS转移特性转移特性转移特性曲线 在一个固定的VDS下的MOS管饱和区的漏极电流2转移特性曲线转移特性曲线在实际应用中，生产厂商经常为设计者提在实际应用中，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供的参数中，经常给出的是在零电流下的开启电压开启电压 注意注意 ，Vth0为无衬偏时的开启电压，为无衬偏时的开启电压，而而 是在与是在与VGS特性曲线中与特性曲线中与VGS轴的交点轴的交点电压，实际上为零电流的栅电压电压，实际上为零电流的栅电压从物理意义上而言，从物理意义上而言，为沟道刚反型时的为沟道刚反型时的栅电压，仅与沟道浓度、氧化层电荷等有栅电压，仅与沟道浓度、氧化层电荷等有关；而关；而Vth0与人为定义开启后的与人为定义开启后的IDS有关。有关。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，3转移特性曲线转移特性曲线从转移特性曲线可以得到导电因子从转移特性曲线可以得到导电因子KN（或（或KP），根据饱和萨氏方程可知：），根据饱和萨氏方程可知：即有：即有：所以所以KN即为转移特性曲线的斜率。即为转移特性曲线的斜率。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4MOS管的直流导通电阻管的直流导通电阻 定义：定义：MOS管的直流导通电阻是指漏源电压与漏源电管的直流导通电阻是指漏源电压与漏源电流之比。流之比。饱和区：饱和区：线性区：线性区：深三极管区：深三极管区：MOS管的直流导通电阻 定义：MOS管的直流导通电阻是指漏源5MOS管的最高工作频率管的最高工作频率 定义：当栅源间输入交流信号时，由源极定义：当栅源间输入交流信号时，由源极增加（减小）流入的电子流，一部分通过增加（减小）流入的电子流，一部分通过沟道对电容充（放）电，一部分经过沟道沟道对电容充（放）电，一部分经过沟道流向漏极，形成漏源电流的增量，当变化流向漏极，形成漏源电流的增量，当变化的电流全部用于对沟道电容充放电时，的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，因此管就失去了放大能力，因此MOS管的管的最高工作频率定义为：最高工作频率定义为：对栅输入电容的充对栅输入电容的充放电电流和漏源交流电流值相等时所对应放电电流和漏源交流电流值相等时所对应的工作频率的工作频率。MOS管的最高工作频率 定义：当栅源间输入交流信号时，由源极6饱和区饱和区MOS管的跨导与导纳管的跨导与导纳 工作在饱和区的工作在饱和区的MOS管可等效为一压控电流源，故可管可等效为一压控电流源，故可用跨导用跨导gm来表示来表示MOS管的电压转变电流的能力，跨导管的电压转变电流的能力，跨导越大则表示该越大则表示该MOS管越灵敏，在同样的过驱动电压管越灵敏，在同样的过驱动电压（VGSVth）下能引起更大的电流，根据定义，跨导为下能引起更大的电流，根据定义，跨导为漏源电压一定时，漏极电流随栅源电压的变化率，即：漏源电压一定时，漏极电流随栅源电压的变化率，即：饱和区跨导的倒数等于深三极管区的导通电阻饱和区跨导的倒数等于深三极管区的导通电阻Ron 饱和区MOS管的跨导与导纳 工作在饱和区的MOS管可等效为一7饱和区饱和区MOS管的跨导与导纳管的跨导与导纳讨论讨论1：在在KN（KP）为常数（为常数（W/L为常数）时，跨导为常数）时，跨导与过驱动电压成正比，或与漏极电流与过驱动电压成正比，或与漏极电流ID的平方的平方根成正比。根成正比。若漏极电流若漏极电流ID恒定时，则跨导与过驱动电压成恒定时，则跨导与过驱动电压成反比，而与反比，而与KN的平方根成正比。的平方根成正比。为了提高跨导，可以通过增大为了提高跨导，可以通过增大KN（增大宽长（增大宽长比，增大比，增大Cox等），也可以通过增大等），也可以通过增大ID来实现，来实现，但以增大宽长比为最有效。但以增大宽长比为最有效。饱和区MOS管的跨导与导纳讨论1：8饱和区饱和区MOS管的跨导与导纳管的跨导与导纳讨论讨论2：双极型三极管的跨导为：双极型三极管的跨导为：，两种，两种跨导相比可得到如下结论：跨导相比可得到如下结论：对于双极型，当对于双极型，当IC确定后，确定后，gm就与几何形状无就与几何形状无关，而关，而MOS管除了可通过管除了可通过IDS调节跨导外，调节跨导外，gm还还与几何尺寸有关；双极型三极管的跨导与电流与几何尺寸有关；双极型三极管的跨导与电流成正比，而成正比，而MOS管的跨导与成正比，所以在同管的跨导与成正比，所以在同样工作电流情况下，样工作电流情况下，MOS管的跨导要比双极型管的跨导要比双极型三极管的跨导小。三极管的跨导小。饱和区MOS管的跨导与导纳讨论2：9饱和区饱和区MOS管的跨导与导纳管的跨导与导纳对于对于MOS管的交流小信号工作还引入了导管的交流小信号工作还引入了导纳的概念，导纳定义为：当栅源电压与衬纳的概念，导纳定义为：当栅源电压与衬底电压为一常数时的漏极电流与漏源电压底电压为一常数时的漏极电流与漏源电压之比，即可表示为：之比，即可表示为：饱和区MOS管的跨导与导纳对于MOS管的交流小信号工作还引入10MOS管的最高工作频率管的最高工作频率C表示栅极输入电容，该电容正比于表示栅极输入电容，该电容正比于WLCox。MOS管的最高工作频率与沟道长度的平方成管的最高工作频率与沟道长度的平方成反比，因此，减小反比，因此，减小MOS管的沟道长度就能很管的沟道长度就能很显著地提高工作频率显著地提高工作频率。MOS管的最高工作频率11二阶效应二阶效应 二阶效应在现代模拟集成电路的设计中二阶效应在现代模拟集成电路的设计中是不能忽略的，主要的二阶效应有：是不能忽略的，主要的二阶效应有：MOS管的衬底效应管的衬底效应沟道调制效应沟道调制效应亚阈值导通亚阈值导通温度效应温度效应二阶效应 二阶效应在现代模拟集成电路的设计中12衬底偏置效应（体效应）衬底偏置效应（体效应）在前面的分析中：在前面的分析中：没有考虑衬底电位对没有考虑衬底电位对MOS管性能的影响管性能的影响假设了所有器件的衬底都与器件的源端相连，即假设了所有器件的衬底都与器件的源端相连，即VBS0但在实际的模拟集成电路中，由于但在实际的模拟集成电路中，由于MOS器件制作器件制作在同一衬底上，就不可能把所有的在同一衬底上，就不可能把所有的MOS管的源极管的源极与公共衬底相接，即与公共衬底相接，即VBS0例如：在实际电路设计中例如：在实际电路设计中NMOS管的源极电位有管的源极电位有时就会高于衬底电位（仍能保证源极与漏极与衬时就会高于衬底电位（仍能保证源极与漏极与衬底间保持为反偏，使器件正常工作）底间保持为反偏，使器件正常工作）衬底偏置效应（体效应）在前面的分析中：13衬底偏置效应（体效应）衬底偏置效应（体效应）根据阈值电压的定义及根据阈值电压的定义及MOS管的工作原理可知，管的工作原理可知，MOS管要形成沟道必须先管要形成沟道必须先中和中和其耗尽层的电荷，其耗尽层的电荷，假设假设VSVDVB，当，当0VGBVth时则在栅下面时则在栅下面产生了耗尽但没产生反型层，保持产生了耗尽但没产生反型层，保持MOS管的三端管的三端电压不变，而降低衬底电压电压不变，而降低衬底电压VB，则，则VGB增大，更增大，更多的空穴被排斥到衬底，而留下了更多的负电荷，多的空穴被排斥到衬底，而留下了更多的负电荷，从而使其耗尽区变得更宽，即当从而使其耗尽区变得更宽，即当VB下降、下降、Qb上升上升时，时，Vth也会增大。这种由于也会增大。这种由于VBS不为不为0而引起阈值而引起阈值电压的变化的效应就称为电压的变化的效应就称为“衬底效应衬底效应”，也称为，也称为“背栅效应背栅效应”。衬底偏置效应（体效应）根据阈值电压的定义及MOS管的工作原理14衬底偏置效应（体效应）衬底偏置效应（体效应）在考虑衬底效应时，其耗尽层的电荷密度变化为：在考虑衬底效应时，其耗尽层的电荷密度变化为：把上式代入阈值电压的表达式，可得其阈值电压为：把上式代入阈值电压的表达式，可得其阈值电压为：其中其中Vth0是在无体效应时的阈值电压；是在无体效应时的阈值电压；，称，称为体效应因子，为体效应因子，的大小由衬底浓度与栅氧厚度决定，其的大小由衬底浓度与栅氧厚度决定，其典型值在典型值在0.3到到0.4V1/2。对于对于PMOS管，考虑体效应后的阈值电压为：管，考虑体效应后的阈值电压为：对于衬底效应表明其衬底势能对于衬底效应表明其衬底势能Vsub不需改变：如果其源电不需改变：如果其源电压相对于压相对于Vsub发生了改变，会发生同样的现象。发生了改变，会发生同样的现象。衬底偏置效应（体效应）在考虑衬底效应时，其耗尽层的电荷密度变15衬底偏置效应（体效应）衬底偏置效应（体效应）例：例：衬底偏置效应（体效应）例：16衬底偏置效应（体效应）衬底偏置效应（体效应）由于衬底电位会影响阈值电压，进而影响由于衬底电位会影响阈值电压，进而影响MOS管的管的过驱动电压，所以衬底可以视为过驱动电压，所以衬底可以视为MOS管的第二个栅管的第二个栅（常称背栅）。（常称背栅）。因此为了衡量体效应对因此为了衡量体效应对MOS管的管的I/V的影响，定义的影响，定义一衬底跨导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的变化关系：流随衬底电压的变化关系：则衬底电位对漏极电流的影响可用一个电流源则衬底电位对漏极电流的影响可用一个电流源gmbVBS表示。表示。衬底偏置效应（体效应）由于衬底电位会影响阈值电压，进而影响M17衬底偏置效应（体效应）衬底偏置效应（体效应）在饱和区，在饱和区，gmb能被表示成能被表示成而根据阈值电压与而根据阈值电压与VBS之间的关系可得：之间的关系可得：因此有：因此有：上式中上式中=gmb/gm，gmb正比于正比于。上式表明当较大时，不。上式表明当较大时，不断增大的衬底效应的变化就不明显了。断增大的衬底效应的变化就不明显了。注意注意gmVGS与与gmbVBS具有相同极性，即提高衬底电位与提具有相同极性，即提高衬底电位与提高栅压具有同等的效果。高栅压具有同等的效果。衬底偏置效应（体效应）在饱和区，gmb能被表示成18沟道调制效应沟道调制效应 在分析器件的工作原理时已提到：在饱和在分析器件的工作原理时已提到：在饱和时沟道会发生夹断，且夹断点的位置随栅时沟道会发生夹断，且夹断点的位置随栅漏之间的电压差的增加而往源极移动，即漏之间的电压差的增加而往源极移动，即有效沟道长度有效沟道长度L实际上是实际上是VDS的函数。这种的函数。这种由于栅源电压变化引起沟道有效长度改变由于栅源电压变化引起沟道有效长度改变的效应称为的效应称为“沟道调制效应沟道调制效应”。记记 ，称为沟道调称为沟道调制系数，当远小于制系数，当远小于L时有：时有：沟道调制效应 在分析器件的工作原理时已提到：在饱和时沟道会发19沟道调制效应沟道调制效应在饱和区时，其漏极电流为在饱和区时，其漏极电流为调制系数为：调制系数为：而而LL为：为：的大小与沟道长度及衬底浓度有关，的大小与沟道长度及衬底浓度有关，ND上升则上升则下降。考下降。考虑沟道调制效应的虑沟道调制效应的I/V曲线如下图所示。曲线如下图所示。沟道调制效应在饱和区时，其漏极电流为20沟道调制效应沟道调制效应由上图可以看出：由上图可以看出：实际的实际的I/V曲线在饱和时并非是一平行的直线，而是具有一定曲线在饱和时并非是一平行的直线，而是具有一定斜率的斜线。斜率的斜线。所有斜线反方向延长与水平轴所有斜线反方向延长与水平轴VDS间有同一交叉点，该点的电间有同一交叉点，该点的电压称为厄莱电压压称为厄莱电压VA。因此在源漏之间是一个非理想的电流源。参数因此在源漏之间是一个非理想的电流源。参数反映了沟道调反映了沟道调制的深度，且沟道越短，制的深度，且沟道越短，越大，表明沟道调制越明显。越大，表明沟道调制越明显。与与VA的关系为：的关系为：1/VA。沟道调制效应由上图可以看出：21沟道调制效应沟道调制效应考虑沟道调制效应后考虑沟道调制效应后MOS管的在饱和区的管的在饱和区的跨导跨导gm为：为：所以沟道调制效应改变了所以沟道调制效应改变了MOS管的管的I/V特性，特性，进而改变了跨导。进而改变了跨导。沟道调制效应考虑沟道调制效应后MOS管的在饱和区的跨导gm为22沟道调制效应沟道调制效应不考虑沟道调制效应时，不考虑沟道调制效应时，MOS管工作于饱和区管工作于饱和区时的漏源之间的交流电阻为无穷大，是一理想的时的漏源之间的交流电阻为无穷大，是一理想的电流源。电流源。考虑沟道调制效应后，由于漏电流随漏源电压变考虑沟道调制效应后，由于漏电流随漏源电压变化而变化，其值为一有限值。这个电流源的电流化而变化，其值为一有限值。这个电流源的电流值与其电压成线性关系，值与其电压成线性关系，可以等效为一个连接在可以等效为一个连接在 漏源之间的线性电阻，漏源之间的线性电阻，这个电阻值为：这个电阻值为：沟道调制效应不考虑沟道调制效应时，MOS管工作于饱和区时的漏23沟道调制效应沟道调制效应一般一般ro也称为也称为MOS管的输出阻抗，它会限制大部分放管的输出阻抗，它会限制大部分放大器的最大电压增益，影响模拟电路的性能。大器的最大电压增益，影响模拟电路的性能。对于一个给定的栅源电压，一个较大的沟道长度对于一个给定的栅源电压，一个较大的沟道长度L可可以提供一个更理想的电流源，同时降低了器件的电流以提供一个更理想的电流源，同时降低了器件的电流能力。因此，为了保证其电流值，应同比例增加能力。因此，为了保证其电流值，应同比例增加W的的值。值。注：以上各式的推导是基于条件：注：以上各式的推导是基于条件：LL远小于远小于L（即长（即长沟道）而得到的，此时才有沟道）而得到的，此时才有 的近似线性关的近似线性关系，而对于短沟道器件则上述条件不成立，它会导致系，而对于短沟道器件则上述条件不成立，它会导致饱和饱和ID/VDS特性曲线的斜率可变。特性曲线的斜率可变。沟道调制效应一般ro也称为MOS管的输出阻抗，它会限制大部分24亚阈值效应亚阈值效应 亚阈值效应又称为弱反型效应亚阈值效应又称为弱反型效应前面分析前面分析MOS管的工作状态时，采用了强反型近似，即假定当管的工作状态时，采用了强反型近似，即假定当MOS管的管的VGS大于大于Vth时，表面产生反型，沟道立即形成，而当时，表面产生反型，沟道立即形成，而当MOS管的管的VGS小于小于Vth时，器件就会突然截止。时，器件就会突然截止。但但MOS管的实际工作状态应用弱反型模型，即当管的实际工作状态应用弱反型模型，即当VGS略小于略小于Vth时，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的电流，称为亚阈值导通，而且向源的电流，称为亚阈值导通，而且ID与与VGS呈指数关系：呈指数关系：其中其中1是一非理想的因子；是一非理想的因子；ID0为特征电流：为特征电流：，m为工艺因子，因此为工艺因子，因此ID0与工艺有关；而与工艺有关；而VT称为热电压：称为热电压：。亚阈值效应 亚阈值效应又称为弱反型效应25亚阈值效应亚阈值效应亚阈值工作特点：亚阈值工作特点：在亚阈值区的漏极电流与栅源电压之间呈指数关系，这与双极型晶体管在亚阈值区的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似。相似。亚阈值区的跨导为：亚阈值区的跨导为：由于由于1，所以，所以gmID/VT，即，即MOS管的最大跨导比双极型晶体管管的最大跨导比双极型晶体管（IC/VT）小。且根据跨导的定义，）小。且根据跨导的定义，ID不变而增大器件宽不变而增大器件宽W可以提高跨导，可以提高跨导，但但ID保持不变的条件是必须降低保持不变的条件是必须降低MOS管的过驱动电压。管的过驱动电压。因此在亚阈值区域，因此在亚阈值区域，大器件宽度（存在大的寄生电容）或小的漏极电流大器件宽度（存在大的寄生电容）或小的漏极电流的的MOS管具有较高的增益。管具有较高的增益。为了得到亚阈值区的为了得到亚阈值区的MOS管的大的跨导，其工作速度受限（大的器件尺管的大的跨导，其工作速度受限（大的器件尺寸引入了大的寄生电容）。寸引入了大的寄生电容）。亚阈值效应亚阈值工作特点：26温度效应温度效应 温度效应对温度效应对MOS管的性能的影响主要体现在阈值电管的性能的影响主要体现在阈值电压压Vth与载流子迁移率随温度的变化。与载流子迁移率随温度的变化。阈值电压阈值电压Vth随温度的变化：以随温度的变化：以NMOS管为例，阈值管为例，阈值电压表达式两边对温度电压表达式两边对温度T求导可以得到求导可以得到上式一直为负值，即上式一直为负值，即阈值电压随温度上升而下降阈值电压随温度上升而下降。对于对于PMOS管则管则dVth/dT总为正值，即总为正值，即阈值电压随温阈值电压随温度的上升而增大度的上升而增大。温度效应 温度效应对MOS管的性能的影响主要体现在阈值电压V27温度效应温度效应载流子迁移率随温度的变化载流子迁移率随温度的变化 实验表明，对于实验表明，对于MOS管，如果其表面电场管，如果其表面电场小于小于105V/cm，则沟道中电子与空穴的有效，则沟道中电子与空穴的有效迁移率近似为常数，并约为半导体体内迁迁移率近似为常数，并约为半导体体内迁移率的一半。移率的一半。实验还发现，在器件工作的正常温度范围实验还发现，在器件工作的正常温度范围内，内，迁移率与温度近似成反比关系迁移率与温度近似成反比关系。温度效应载流子迁移率随温度的变化 28温度效应温度效应漏源电流漏源电流IDS随温度的变化随温度的变化 根据以上的分析，温度的变化会引起阈值电压与迁移率的变根据以上的分析，温度的变化会引起阈值电压与迁移率的变化，进而影响其漏源电流。由萨氏公式两边对化，进而影响其漏源电流。由萨氏公式两边对T求导得：求导得：则有：则有：由于温度的变化对阈值电压与迁移率的影响正好是反向的，由于温度的变化对阈值电压与迁移率的影响正好是反向的，漏源电流漏源电流IDS随温度的变化取决于这两项的综合，因此，随温度的变化取决于这两项的综合，因此，MOS管的电性能的温度稳定性比双极型的晶体管好管的电性能的温度稳定性比双极型的晶体管好。温度效应漏源电流IDS随温度的变化 29