模拟CMOS 第2章 MOS器件物理基础

╰半橙微兮° 2022-10-31 05:23 381阅读 0赞

### 模拟CMOS 第2章 MOS器件物理基础 ###

### 文章目录 ###

*   *   *  模拟CMOS 第2章 MOS器件物理基础
         *   *  2.1 基本概念
             *   *  2.1.1 MOSEFT开关
                 *  2.1.2 MOSEFT结构
                 *  2.1.3 MOS符号
             *  2.2 MOS的I/V特性
             *   *  2.2.1 阈值电压
             *  2.3 二级效应
             *  2.4 MOS器件模型
             *   *  2.4.1 MOS器件版图
                 *  2.4.2 MOS器件电容
                 *  2.4.3 MOS小信号模型（不懂）
                 *  2.4.4 MOS SPICE模型
                 *  2.4.5 NMOS与PMOS器件的比较
                 *  2.4.6 长沟道器件与短沟道器件的比较

#### 2.1 基本概念 ####

##### 2.1.1 MOSEFT开关 #####

*  ![image-20210218085145424][]
 *  如上图所示，MOS器件有三个端口（实际上有四个），分为S（源）D（漏）G（栅），其中S和D可以互换（对称）
    
     *  当VG是高电平，S和D是连在一起的。
     *  当VG是低电平，S和D是断开的。

##### 2.1.2 MOSEFT结构 #####

*  EFT（ field effect transistor）=场效应晶体管
 *  NMOS：
    
     *  ![image-20210218100509788][]
     *  可以看到我在栅极（G）表了金属铝，这是我从另外一个版本中听来的，书中这层是多晶硅（无定形形式的硅，可导电）,拉给的解释是很久以前用的是金属，近用的多晶硅。
     *  所谓n型区，就是参杂的硅，如参杂磷元素——多出许多自由电子。
     *  Ldrawn:沟道总长度
     *  LD :横向扩散长度
     *  Leff:沟道有效长度
        
         *  Leff = Ldrawn- 2 LD
     *  对于上图（介绍NMOS这张）中衬底引脚问题，实际的链接是通过一个p\+
        
         *  ![image-20210218102449205][]
 *  PMOS
    
     *  对于PMOS，我们可以参考NMOS，只需将p型衬底改为n型衬底，n型区改为p型区即可。书上的描述为：所有参杂类型取反。
     *  但在实际中，由于NMOS和PMOS需要做到同一张芯片上（CMOS同时用到他们俩），于是就必须有一个是局部衬底，如下图中b所示，学名“阱”
        
         *  ![image-20210218164504597][]

##### 2.1.3 MOS符号 #####

*  ![image-20210218164801874][] \- a）是四个脚都画出来的状态 - b）是常用的，省略衬底（B）的表示方法 - c）是数字电路中使用开关来表示N/P MOS

#### 2.2 MOS的I/V特性 ####

*  [参考课程][Link 1]
 *  笔记如下：
    
     *  ![image-20210221222309093][]
     *  ![image-20210221222338315][]
     *  基于此我尝试复述一下拉书中对应部分，最后再给出公式推导
        
         *  **定义：Ug=栅极电压，Uds=源漏极电压**

##### 2.2.1 阈值电压 #####

*  ![image-20210221222605358][] \- 该图对应笔记的第一章，ab图是指在ds（俩n+）极不加电压（或很小），Ugs加电压，此时PN结会扩散至绝缘层下部（和左右两个PN结连在一起），但是没有到Ug(th)=Ug的时候(某一个阈值)，只是有耗尽层，而没有沟道（反型层）。 - cd图，描述了反型层的形成（随着Ug增大）
 *  ![image-20210221223212501][]
 *  关于I/V特性可以得出上图的曲线，对应笔记中的第二章，
    
     *  即由于我们对Uds加了电压，在一开始的时候，沟道等效于电阻，但是因为Uds导致左右两侧电压的差异，当达到某一值当时候（Ugth=Ug-Uds）就会发生预夹断现象
        
         *  ![image-20210221223421970][]
     *  当Uds继续扩大的时候，夹断得更多，此时就出现了恒流区——增加的Uds抵消了沟道增加的电阻值
     *  于是就有了一开始的这张关系图，他说明恒流区的电流大小于Ug有关（由其决定）
        
         *  ![image-20210221223714301][]
 *  ![BE0A908BDB93ABA1AB107A78C89390C5][]

#### 2.3 二级效应 ####

*  [参考笔记][Link 2]
 *  **体效应（背栅效应）**：
    
     *  ![ea8a7087684fa3080b833b58bacb88d7.png_pic_center][]
     *  书中的描述是：当VB<0当时候，将有更多空穴被英道衬底电极，而同时留下大量负电荷——耗尽层变得更宽了。
     *  参考笔记中的描述是：MOS管是一个三极管，但是在实际的芯片物理结构中，这个三极管是做在衬底上的，衬底作为电路的载体，**是接地的**。而芯片内，由于金属很薄很细，金属本身的电阻不能忽略，不是金属的衬底电阻率更大，这些都是本该视为理想导体的地方。这就导致，本该是0电位的**源极S可能大于0.这就导致我们前面所有的公式中的有关S的部分都要继续减掉一个VS，最直接的影响就是VTH变大了。**
     *  于是我的理解就是，体效应引起耗尽层变宽，需要更大的VG。
 *  **沟道长度调制：**
    
     *  随着VDS的增大，沟道已经被夹断了，实际的\*\*沟道长度——有载流子的部分变小了。\*\*与负载电阻一样，这个电阻也是要分流的（也就是ID会增大），**这就意味着输出电流会减小！放大器的放大倍数要减小！**
        
         *  于是公式得改写：
            
             *  ![i mage-20210222223910259][]
             *  ![image-20210222223925622][]
 *  **亚阈值导电性：**
    
     *  当VGS<=VTH当时候，仍然存在一些ID,它并非是无限小的，当VDS>200mV的时候，有公式：
        
         *  ![image-20210222224330761][]
         *  ![image-20210222224346852][]![image-20210222224705162][]
         *  <img src="https://img-blog.csdnimg.cn/img\_convert/e1418e3f50f5351ec8f3970b85810bc4.png\#pic\_center alt=“image-20210222224705162” style=“zoom:50%;” />
 *  **电压限制**：
    
     *  VDS过大会击穿。

#### 2.4 MOS器件模型 ####

##### 2.4.1 MOS器件版图 #####

*  ![image-20210222232936607][]

##### 2.4.2 MOS器件电容 #####

*  MOS的四个端子中任意两个存在电容
    
     *  ![image-20210222234109552][]
 *  电容值可由晶体管的偏置情况决定：
    
     *  ![image-20210222234217821][]
     *  1、栅和沟道之间的氧化电容：C1=WLCox
     *  2、衬底和沟道之间的耗尽层电容：C2=![image-202102222344156 39][]
     *  3、多晶硅栅与源/漏的交叠而产生的电容C3/C4，通常需要复杂的计算得到，每单位的交叠电容用Cov表示
     *  4、源/漏区与衬底之间的电容（图b），分为Cj和Cjsw,分别表示单位面积和单位长度的电容
        
         *  每个结电容都可以表示为![im age-20210222234914558][]，式中VR是反向电压，![im age-20210222235020164][]是结电容的内建电势，幂指数m的值一般在0.3-0.4之间

##### 2.4.3 MOS小信号模型（不懂） #####

*  首先什么是小信号模型：阈值相对的是大信号模型，这**可以理解成静态工作点附近的电压电流电容。而小信号模型是大信号模型在静态工作点附近的近似。**
    
     *  **个人认为，大信号就是直流工作点，而小信号就是输入的交流信号在直流工作点上对NMOS管产生的影响，这个交流小信号并不影响直流工作点。**
 *  这里再提一下gm（手写笔记最后一个公式）：跨导，表达的是该NMOS管**在 VDS 一定的情况下**，NMOS将电压转化成电流的能力的大小，定义为漏电流的变化量除以栅源电压的变化量。
 *  **这个部分还没明白：**
    
     *  ![image-20210223161511027][]
     *  ![image-20210223161511027][]
     *  ![image-20210223161550392][]

##### 2.4.4 MOS SPICE模型 #####

*  spice建模，参数：
    
     *  ![image-20210223161931907][]
     *  ![image-20210223161952677][]

##### 2.4.5 NMOS与PMOS器件的比较 #####

*  PMOS器件的性能比NMOS差
 *  对于给定器件尺寸和偏置电流，NMOS晶体管呈现出较高的输出电阻，为放大器提供了更理想的电流和更高的增益

##### 2.4.6 长沟道器件与短沟道器件的比较 #####

*  本章公式对与长沟道器件有效，但对于短沟道器件需要修正。

[image-20210218085145424]: /images/20221024/ab4b2d63bc8143ecbb3247b935be17d9.png
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[Link 1]: https://www.bilibili.com/video/BV14r4y1P767?p=7
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[Link 2]: https://zhuanlan.zhihu.com/p/42763872
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