第5讲MOS管阈值电压和IV.doc

第5讲MOS管的理论公式MOS管阈值电压甲物理学定义 □定义使沟道中反型载流子浓度与衬底中多数载流子浓度相等时所需要的栅源电压定义为阈值电压推导阈值电压时的外部连接和内部状态□源漏区都接地，沟道刚刚产生，厚度忽略A 侧 +Q'b （正电荷与栅氧V Vgs二Vthn 化层下方电荷相等）“SB推导思路□如何使栅氧化层与半导体接触面的表面势与 衬底材料的静电势大小相等，方向（符号） 相反□ NMOS管的体（P型）的静电势为Q Q 叫□使表面势为-l/fp （正数）需要施加的栅源电 压即阈值电压推导阈值电压需考璧的各种因素□考虑接触电势差和表面附加电荷金属 金属多晶硅VgSiO2 VoxP衬底体体接源极（VsB=g）时的公式□ Vsb为0时的阈值电压公式其中Vms是多晶硅栅与体之间的电势差kT匕—厂万in考虑体电位的阈值电压公式□完整公式如下^thn = Ythno + 丫（ J 2% + VSB 2卩加）此公式对电路设严者的意义□阈值电昭温度有关□阈值电压与体电位有关□阈值电压与工艺偏差有关研究阈值电压与温度的关系的文件□ * 例6： ST02匸艺NMOS阈值电压分析 □ * □ .option post=2 $输出波形文件□ * □ ・option search="d:/hspice2011/libs" $指定库路径□ * □ 」ib nst02.lib" tt $指定模型库和入口□ * □ ・temp 25 $指定环境温度□ * □ ml nd ng ns nb mn w=20u 1=0.5u□ vg ng gnd 1□ vd nd gnd 5□ vs ns gnd 0□ vb nb gnd 0□ * □ .print de il(ml) $记录mi第一个节点的电流□ .de vg 0.4 1 0.01 sweep temp -40 85 10□ .print LV9(ml).end阈值电压与温度的关系Wwe List■DO：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+l ST, 3. 00e+l S8,4.00e+l S9,5.00e+lS10,6.00e+1Slh7.00e-HS12?8.00e+1- PIa.I.mo804D0mlOOOrr700mVoltage X CLin) (VOLTS)o402040利用SPICE模型给出的Ve 翌的仿真分析文件□ *…例8： NMOS阈儆别名)与温度关系分析 □ * □ .option post=2 $输出波形文件□ * □ .option search=nd:/hspice2011/libs" $指定库路径□ * □ 」ib Hst02.lib" tt $指定模型库和入口□ ・temp 25 $指定环境温度□ * □ ml nd ng gnd nb rrm w=20u 1=0.5u□ vgs ng gnd 1□ vds nd gnd 1□ vbs nb gnd 0□ * □ .print de il(ml) $记录mi第一个节点的电流□ * □ .de temp -40 85 1□ .print LV9(ml).end阈值电压随温度变化曲线8-40 -200 20 40Temperature Qin) (DEG C)60 80阈值电压随温度变化曲线* 例7： nmo誠1佰（别皂）弓馮席关浆分t斤m m m o o o8 s 49 9 9m m m o o o2 0 89 9 8/a6040208-40 -200 20 40Temperature Qin) (DEG C)60 80实验结果□阈值电压随温度升高而下降。

□在Vgs和Vds不变时，Id随温度升高而升高注意：下图中VBS最高只能加到0.5V▽体电位对阈值电压影响的仿真文件□ *一■例7： NMOS阈值(别名)与体电位关系分析 □ * □ .option post=2 $输出波形文件□ * □ ・option search="d:/hspice2011/libs" $指定库路径□ * □ 」ib nst02.lib" tt $指定模型库和入口□ * □ ・temp 25 $指定环境温度□ * □ ml nd ng gnd nb rrm w=20u 1=0.5u□ vgs ng gnd 1□ vds nd gnd 0□ vbs nb gnd 0□ * □ .print de il(ml) $记录mi第一个节点的电流□ * □ .de vbs -1 0.5 0.1□ .print LV9(ml).end阈值电压与VBS关系曲线Voltage X din) (VOLTS)体电位的乎用□ 栅,对耳的作用方向相同”【拉扎维】问题：Idi与1叫哪个大？】dl Id2 JMOS管iWy生方程IV特性即仏与I/gs和之间的方程Vgs=5V5n乙sVG线♦/ — ———————丄—y和区1AZ 『■一 ■一 亠J p / /i y /if / /“/、/ —lqj.■-l — —Vgs=5 4———// f 7| • H / .* U*-—**1 yf/i aJ ii册/i i11 vgs=!iv•I 1111• •■■■I ..... .... I ......... I. ..... . . . I. ..... ...I. ..... . . . I . . ..... . . I.. ....... I . . ..... > > I > 0 EO3n I 15 2 2 5 3 3.5 4 4.SX (Lm) (VOLTS)长沟道MOS管的IV特性方程线性区：沟道未夹断y 冷妲P衬底y+dy 0；()J考虑沟道中间 与源区距离为y 的一个“小块”计算电荷面密度考虑沟道中间的一个小块的平面图。

X■■如果该小块沟 f道中SN为N,则单位面 g；(y) = qW・dy积电荷为单位面积电荷可由单位面积电容和电压得出Y点附近单位面积栅氧化层、沟道和耗尽层中中的电荷为的电荷OVgsV(y)电荷7O)= c 亦 s-*y)-%]:::::底性:::::：J Qb = C ox ®thn衬底C；.单位面积氧化层电容漏极电流计算y=LV 二 Vdsv=oy=0tr输运方程（晶体管原理）J%=q 吋 E + qD"nJn是电流密度，E是电场，D门是扩散系是电子的电荷量▽〃是浓度梯度从漏极电流密度勺开始计算假设沟道中电子浓度相同，忽略扩散作用，则耳等于电流密度乘以截面积截面积等于”乘高度h(y)°ay替换公式中的浓度门浓度等于电子数/V除 NTI —以体积 W4(y).dy.. dV t dVI^dy = W^^QfI(y)^dV匚二w •儿• c：」％ - *y)-吟加W定义跨导参数 KPn=yjC；xiD^dy^w-KPn-「［% — *y)—£hn 0(y)积分后得到线性区方程线程处于线性区的条件 匕s —VdsAVthn线性区方程的另一种表不法为便于记忆,定义W0"二于是，线性 区方程可以】D= bn (VgS - VTHN )VDS2写为2处于饱和区的NMOS管Vgs>Vthn++IdSGDN+N+•耗尽层•:•:P衬底饱和区方程线性方程中，Z。

有最大值，当53=%^七7沖 时，Zd最大.Id = - ~ ' (Vgs -VthnY 二牛(Kjs -VthnY这个公式是最简单的饱和区公式，按此公式饱 和区曲线是水平的为什么饱和后6仍随增加?;二：-I-地和区Vgs=?VVgs=I V•11••1•1111••••111••• ••111•■ h线M区1:i z^77 ：•111•• f) 1；l C1 t'1 !•1 \vGS=i 15V1 •1 11 •I ei •\ •11111••!_ R ■ ■ ■ ■ jJ L1 tI ・—■■■ ■■」L t t t••••••■q■ ■■■■■ ■」*■■■■■■■•■■ i •I •i •I •ii ii •'ir ••1■I 卜 ■I t “ *1 '»V『 广I •I •• •i ti e| ■■■■■•••■卜Vgs>VthnJIdSD::•:•耗尽层：•::•:: •:秩肚爆:•:： •:片P衬底灿申 X IVDLTS)引入沟道长度调制系数的修正沟道夹断后，Zd随I/”增加的原因是有效沟道长 度减小定义沟道长度调制系数Id 二 ~Y~ * 乡(Vgs - Vjhn )2 [1 + 2(Vds - )]对于长沟道MOS管^DS.sat ~ ^GS _ VthN简化饱和区方程当就较小时可简化为短沟道MOS管□问题：(2) 如何获取KP门？(3) 如果不适用，怎么办？。