1、2 0 1 2 - 3 - 1 5 1 M O S E F T的基本概念 M O S E F T的工作原理 M O S E F T的I / V特性M O S E F T2 0 1 2 - 3 - 1 5 21 . MO S F E TO O O的结构简图图2.1 NMOS F ET结构简图MO S F E TO O O的基本概念2 0 1 2 - 3 - 1 5 3图2.3 CMOS FET的结构简图MO S F E TO O O的基本概念2 0 1 2 - 3 - 1 5 42 . M O S F E T 的电路符号MO S F E TO O O的基本概念2 0 1 2 - 3 - 1 5
2、5MO S F E TO O O的基本概念3. MO S F E TO O O开关开关工作时，如果栅电压V G G G G是高电平，晶体管把源和漏连接在一起，如果栅电压为低电平，则源和漏是断开的。2 0 1 2 - 3 - 1 5 6形成沟道时的VG称为阈值电压记为VT HM O S E F T工作原理1.沟道形成2 0 1 2 - 3 - 1 5 7以N沟道结型场效应管为例，正常工作：栅源加负向电压，漏源加正向电压当 V G S = 0时无导电沟道， d、s间加电压时，也无电流产生。当 0 V T 时在电场作用下产生导电沟道，d、s间加电压后，将有电流产生。| V G S |越大，导电沟道越
3、厚2 .工作原理1 . V G S对沟道的控制作用2 0 1 2 - 3 - 1 5 82.v D S对沟道的控制作用对沟道的控制作用对沟道的控制作用对沟道的控制作用靠近漏极 靠近漏极 靠近漏极 靠近漏极 d 处的电位升高 处的电位升高 处的电位升高 处的电位升高电场强度减小 电场强度减小 电场强度减小 电场强度减小当 当 当 当 vGS一定（ 一定（ 一定（ 一定（ vGS VT ） ） ） ）时， 时， 时， 时， vDS沟道电位梯度 沟道电位梯度 沟道电位梯度 沟道电位梯度 整个沟道呈 整个沟道呈 整个沟道呈 整个沟道呈 楔形分布 楔形分布 楔形分布 楔形分布ID M O S E F T
4、工作原理2 0 1 2 - 3 - 1 5 9预夹断后， 预夹断后， 预夹断后， 预夹断后， vD S 沟道电阻 沟道电阻 沟道电阻 沟道电阻 ID 基本不变 基本不变 基本不变 基本不变M O S E F T工作原理2 0 1 2 - 3 - 1 5 1 0I / V特性推导( 1 ) 电流密度(单位面积上电流的大小)Iv我们用一个电流棒来辅助理解电流密度的概念.当电荷密度为Q Q Q Q d的电荷以速度v沿电流方向移动时,产生的电流密度为：vQI d *= ( ) 2*3 mAsmmC =量纲( 2.2)MO SO O O的I / V特性2 0 1 2 - 3 - 1 5 1 1( 2 )
5、 考虑一个源漏都接地的N F E T，反型层中的电荷密度为多少？若假设VG SG G G = VT H H H H时开始反型，那么由栅氧化层电容引起的反型电荷密度正比于VG SG G G - VT H H H H。当VG SG G G VT H H H H时，栅电荷必定会被沟道电荷所镜像，从而产生一个均匀的沟道电荷密度为：式中Co x为栅极单位面积电容，WCo x为单位长度栅电容.)( T HGSo xd VVWCQ = ( 2.3)MO SO O O的I / V特性2 0 1 2 - 3 - 1 5 1 2如果从S到D有一电压差VD S，假设平板电容在L方向上x点的电位为V ( x ) ,
6、如上图所示则有: ) )()( xVVVWCxQ T HGSo xd = ( 2.4)MO SO O O的I / V特性2 0 1 2 - 3 - 1 5 1 3( 3 ) 电荷漂移速度：漂移速度 dr i f t s p e e d：迁移率 mobi l i t y ：电场强度 el e c t r i c f i e l dEE = ( 2.5)dxxdVxE )()( =其中)()()()()( xExQxvxQxI ddD = 综合( 2.2)- ( 2.5)有 )()()()()(d xxd VVxVVWCd xxd VVxVVWCxInT HGSo xnT HGSo xD=或MO
7、SO O O的I / V特性2 0 1 2 - 3 - 1 5 1 4( 2.6)DSVLVV = )(,0)0(边界条件 = = DSVV T HGSoxnLx D xd VVxVVCWd xxI 00 )()()( 两边积分可得 = 221)( DSDST HGSo xnD VVVVLWCI 沟道中电流是连续的恒量，即有：MO SO O O的I / V特性2 0 1 2 - 3 - 1 5 1 5分析：令 ,求得各抛物线的极大值在 点上，且相应各峰值电流为: )( T HGSDS VVV =0=DSDVI2m a x, )(21T HGSo xnD VVLWCI = ( 2.7)VG S
8、- VT H为过驱动（o v e r d r i v e）电压，只有过驱动电压可以形成反型层电荷。T HGSDS VVV T HGS VVxV =)(时，0)( =xQd，此时认为沟道夹断 ( p i n c h o f f ) .T HGSDS VVV 的增大向源端移动。)()( 2 T HGS VVXV =VD S 2 VD S 1VG G G G0 X2DSV时,夹断点随着T HGSDS VVV = ,沟道在 处夹断. Lx =MO SO O O的I / V特性2 0 1 2 - 3 - 1 5 2 02)(21T HGSo xnD VVLWCI = 若LL DI DSV,则与无关. =
9、 = DSVV T HGSo xnLx D xd VVxVVCWd xxI 00 )()()( = = T HGS VVV T HGSo xnLx D xd VVxVVCWd xxI 0 0 )()()( 由时, 相对恒定，器件工作在饱和区。)( T HGSDS VVV DI( 2 . 1 0 )MO SO O O的I / V特性2 0 1 2 - 3 - 1 5 2 12)(21T HGSo xnD VVLWCI = ( 2.10) = 221)( DSDST HGSo xnD VVVVLWCI 式( 2 . 6 ) , ( 2 . 1 0 ) 为a n a l o g C MO S d e
10、 s i g n O O O的最基本的方程式.( 2.6)它们描述了I D与工艺常数 ,器件尺寸W和L以及栅和漏相对于源的电位之间的关系.o xn CMO SO O O的I / V特性2 0 1 2 - 3 - 1 5 2 2若 ，可以得到 不同VG SG G G下漏电流曲线为:178 GSGSGS VVV LL MO SO O O的I / V特性2 0 1 2 - 3 - 1 5 2 3跨导gm的定义 gm是指在一定的VD S下，I D对VG S的变化率。 gm代表了器件的灵敏度：对于一个大的gm来说， VG S的一个微小的改变将会引起I D产生很大的变化。)( HTGSo xnc o n
11、s tVGSDm VVLWCVIgDS = 当MO SO O O器件处于饱和区时,沟道被夹断.当VD S增大时,夹断点向S方向移动，沟道长度由L变成了L ,故饱和区电流方程中L应用L 取代,但当L较大, VD S不是很高时,我们仍以L作为MO SO O O管的沟长.( 2.11)MO SO O O的I / V特性2 0 1 2 - 3 - 1 5 2 4g m的变形表达式将式两边平方得所以将乘以一个（VG S - VT H）,除以一个（VG S - VT H）得Do xnT HGSo xno xnm ILWCVVLWCLWCg 2)(. 22 =Do xnm ILWCg 2=)(2)() .(
12、HTGSDHTGSHTGSHTGSo xnm VVIVVVVVVLWCg= ( 2.12)( 2.13)MO SO O O的I / V特性2 0 1 2 - 3 - 1 5 2 5根据g m的表达式,我们可以得到如图2.18所示的曲线,它反映了g m随某一参数变化的特性.T HGSDDo xnHTGSo xnm VV IILWCVVLWCg = 22)( MO SO O O的I / V特性2 0 1 2 - 3 - 1 5 2 6提高g m的有效方法提高载流子的沟道迁移率,选用高迁移率的材料,并使用迁移率高的晶面.制作高质量、尽可能薄的栅氧化层;尽可能使用宽长比比较大的图形;减小源、漏电阻和欧姆接触电阻以减小串联电阻,因为)(1* Dsd rsm mm RRgRggg+=MO SO O O的I / V特性2 0 1 2 - 3 - 1 5 2 7谢谢大家！
