模拟CMOS 第2章 MOS器件物理基础

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

• 
• 如上图所示，MOS设备有三个端口(实际上有四个)S（源）D（漏）G(栅)，其中S和D可以交换(对称)
  • 当V_G是高电平，S与D相连。
  • 当V_G是低电平，S和D断开。

2.1.2 MOSEFT结构

• EFT（ field effect transistor）=晶体管的场效应

• NMOS：

  • 可以看到我在栅极（G）我从另一个版本中听说过金属铝。书中的这一层是多晶硅（无定形硅，可导电）。解释是很久以前使用的金属和近用的多晶硅。

  • 所谓n型区，就是参杂硅，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:沟通的有效长度

    • Leff = Ldrawn- 2 LD

  • 对上图(介绍NMOS这个)衬底引脚问题，实际链接是通过一个p

• 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将型区改为为p型区。书中的描述是:所有参杂类型都被逆转。
  • 但实际上，因为NMOS和PMOS需要在同一个芯片上做同一个芯片（CMOS同时用它们两个)，所以一定要有局部衬底，如下图b所示，学名陷阱

2.1.3 MOS符号

• - a）是四只脚画出来的状态 - b）常用，省略衬底（B）的表示方法 - c）用开关代表数字电路N/P MOS

2.2 MOS的I/V特性

• 参考课程
• 笔记如下：
  • 基于此，我试着复述拉书中的相应部分，最后给出公式推导

    • 定义：Ug=栅极电压，Uds=源漏极电压

2.2.1 阈值电压

• - 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此时加电压PN结会扩散到绝缘层下部(和左右)PN连在一起)，但没有到达Ug(th)=Ug(某个阈值)，只有耗尽层，没有沟(反型层)。 - cd图中描述了反型层的形成(随着Ug增大）

• 关于I/V特征可以得到上图的曲线，对应笔记中的第二章，

  • 也就是因为我们是对的Uds增加电压，一开始，沟等于电阻，但因为Uds当达到一定值时，导致左右电压差异（Ugth=Ug-Uds）就会发生预夹断现象

  • 当Uds当它继续扩大时，它被切断得更多。此时，恒流区-增加Uds抵消了沟增加的电阻值

  • 于是有了这张关系图的开头，他说明恒流区的电流大小于Ug有关(由其决定)

2.3 二级效应

• 参考笔记

• 体效应（背栅效应）：

  • 书中的描述是：当V_B<当时英道衬底电极会有更多的空穴，同时会留下大量的负电荷-耗尽层变宽。
  • 参考笔记中的描述如下：MOS管是三极管，但在实际的芯片物理结构中，这种三极管是在衬底上做的，衬底是电路的载体，是接地的。在芯片中，由于金属非常薄，金属本身的电阻不容忽视，而不是金属的衬底电阻率更大，这些都应该被视为理想的导体。这导致了零电位源极S可能大于0.这导致我们之前公式中所有关于S的部分继续减少V_S，最直接的影响就是V_TH变大了。
  • 所以我的理解是，身体效应导致耗尽层变宽，需要更大V_G。

• 沟通长度调制：

  • 随着V_DS随着沟渠的增加，沟渠被切断，实际上是**有载流子的部分变小了。**和负载电阻一样，这个电阻也需要分流(即I_D会增大），这意味着输出电流会减少！减少放大器的放大倍数！

    • 因此，公式必须改写：

• 亚阈值导电性：

  • 当V_GS<=V_TH当时还有一些I_D,它并非是无限小的，当V_DS>200mV有公式：

    • 2.4 MOS器件模型

      2.4.1 MOS器件版图

      2.4.2 MOS器件电容

      • MOS的四个端子中任意两个存在电容

      • 电容值可由晶体管的偏置情况决定：

        • 1、栅和沟道之间的氧化电容：C1=WLC_ox

        • 2、衬底和沟道之间的耗尽层电容：C2=

        • 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C_ov表示

        • 4、源/漏区与衬底之间的电容（图b），分为C_j和C_jsw,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，式中V_{R是反向电压，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g_m（手写笔记最后一个公式）：跨导，表达的是该NMOS管在 V_DS 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：

      2.4.4 MOS SPICE模型

      • spice建模，参数：

      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。