CMOS晶体管基础.pptVIP

6/22/98 6/22/98 二 CMOS晶体管基础 主要内容 1 、结构及工作原理 2、阈值电压 3、电流—电压方程（I-V特性） 4、MOS管寄生电容 5、小信号等效电路 6、gm、gds 7、MOSFET的数字模型 8、衬偏调制效应 9、MOSFET的温度特性 10、CMOS结构图 1、工作原理 2、阈值电压（Threshold Voltage） 阈值电压是当沟道反型时所需的电压 (i.e. 将沟道从p型变到n型的电压). 阈值电压可按下式计算: 其中 ?ms = 栅和衬底的接触电势（contact potential between the gate and the bulk） ?F = 衬底的静电势(electrostatic potential of the substrate) Q`bo = 耗尽区的电荷(charge in the depletion region) Q`ss = Si/SiO2 接触面的电荷(Si/Sicharge at the Si/SiO2 interface) VSB = 源到衬底的电势差(Source to bulk voltage) 3、MOSFET的 I-V 特性 (线性区Triode Region) 晶体管偏置在 VGS ? VTHN , 此时沟道已形成. 漏源电压 (VDS) 较小. 漏极电流可用下式表示: MOSFET I-V 特性 (饱和区Saturation Region) 晶体管偏置在 VGS ? VTHN ，此时沟道已形成. 漏源电压较大 (i.e. VDS ? VGS – VTHN). 理想的漏极电流可表示为: 当晶体管被夹断(pinchoff)时, 发生了什么? 增大 VDS 使耗尽区扩大到沟道中. 这导致ID 随 VDS 的增加而增大. 因此ID 可写为: MOSFET I-V Characteristics(伏安特性）曲线 4、MOS Capacitance 5、MOSFET的交流小信号模型(Analog Model for the MOSFET) MOSFET的高频模拟模型. 电容已经在以前提到. ro 是输出电阻，gm是栅跨导. Current sources model the gain associated with biasing the base and the body of the MOSFET. 6、MOSFET的简单数字模型 (A Simple Digital Model for the MOSFET) 6/22/98 集成电路设计原理 Lecture #2 6/22/98 Polysilicon Aluminum 3D结构图 W L 线宽(Linewidth), 特征尺寸(Feature Size)指什么？ W L Lmin、 Wmin和 tox 由工艺确定 Lmin： MOS工艺的特征尺寸(feature size) 决定MOSFET的速度和功耗等众多特性 L和W由设计者选定 通常选取L= Lmin，由此，设计者只需选取W W影响MOSFET的速度，决定电路驱动能力和功耗 MOSFET的三个重要几何参数 ① VGS〈Vthn时 下面的结构是N+PN+，耗尽层内是没有自由移动的电荷的。D、S之间没有形成一条电流通道,所以IDS=0。 ②，VGS=Vthn时 由于电场的作用，P—SUB中的少量电子移动到了沟道的顶部。这样就形成了一条电子移动的通道，如果VDS0,就会形成源漏电流IDS。 沟道夹断 对于一般工艺，Vtn= 0.83V(NMOS的阈值电压), Vtp= - 0.91V(PMOS的阈值电压）, 阈值电压由工艺参数决定 lc 是非理想因子，它是考虑了随着漏极电压增加耗尽层加厚而造成的. VGS：栅极和源极的电压差。 VDS: 漏极和源极的电压差。 ID : 流过漏极和源极的电流。 Vth: 器件的阈值电压，当VGS增加到一定的值时，栅极下面的P型半导体会发生反型，形成N型半导体的沟道。此时D和S之间可以有电流流过，这个特定的电压值，称之为值电压。 线性区(Linear): 饱和区 (Saturation): 阈值电压(Threshold voltage): 对于一般工艺，Vtn=0.83V(NMOS的阈值电压), Vtp=-0.91V(P