MOSFET在模擬電路中常用的各種定義與效應(yīng)
1.? S和D的定義:NMOS電壓更高的為D
2.? V-TH的定義:溝道少子濃度等于襯底多子濃度,這種定義不適于Vth的測(cè)量。
3.? V-TH的調(diào)節(jié):實(shí)際中理論計(jì)算式不適用,通過(guò)溝道摻雜來(lái)調(diào)節(jié)閾值,耗盡型MOSFET只用于舊的技術(shù)(在VG=0時(shí)就有溝道為耗盡型)。
//ni是Si本征載流子濃度;Qdep是耗盡區(qū)電荷;
//Nsub是襯底摻雜濃度;tox是柵氧厚度
//Cox是柵氧單位面積電容,對(duì)tox≈20e-10,有Cox≈17.25fF/um2,按此比例可估算

4.? N阱:常說(shuō)的n阱是指CMOS中PMOS和NMOS要做在同一襯底,即NMOS的p型襯底上,但PMOS需要的是N襯底,因此每個(gè)PMOS都放在一個(gè)N摻雜區(qū)域里,這個(gè)區(qū)域稱為N阱。
5.? 襯底電壓設(shè)置:MOS經(jīng)典工作狀態(tài)中,兩個(gè)PN結(jié)都反偏,因此NMOS襯底電壓Vbulk要比VS和VD都低,大多數(shù)電路中都連接到地,PMOS則連接到電源。
6.? 襯底電壓連接:襯底(NMOS)或n阱(PMOS)上放一塊重?fù)诫s區(qū),連接端子B(bulk)
7.? 夾斷:對(duì)于G和S,VGS>VTH才開(kāi)啟溝道,對(duì)于G和D同理,S和D是對(duì)稱的,也需要VGD>VTH才開(kāi)啟溝道,因此VG-VD<VTH時(shí)(VD足夠大時(shí)),D測(cè)溝道隨VD增大而愈發(fā)閉合,溝道長(zhǎng)度由L減小為L(zhǎng)′,溝道長(zhǎng)度調(diào)制見(jiàn)14.
8.? ID的大小:
(1)式為Sah方程,描述線性區(qū);
(2)式為深線性區(qū)方程,溝道等效電阻Ron
(3)式描述線性區(qū)和飽和區(qū)邊界,也是夾斷的觸發(fā)點(diǎn),夾斷觸發(fā)后,電流不再隨VD增大
(4)式描述飽和區(qū),L′是夾斷后的溝道長(zhǎng)度,若認(rèn)為L(zhǎng)′=L,則ID與VGS為平方律特性
//L指的是有效溝道長(zhǎng)度;W是溝道寬度;

9.? VD,SAT: ≈VGS-VTH,VDS< VD,SAT時(shí)落入線性區(qū),發(fā)生非理想效應(yīng), VD,SAT↑,電壓余度↓
10. NMOS和PMOS遷移率:空穴遷移率比電子低,因此相同尺寸下PMOS能驅(qū)動(dòng)的電流小
11. 單個(gè)MOS作電源:每個(gè)電流源只有一個(gè)端點(diǎn)是“浮動(dòng)”的(拉扎維P16),因?yàn)镹MOS要把電流注入到地,PMOS要從VDD獲取電流,分別寫死了一個(gè)端點(diǎn)的電位,設(shè)計(jì)一個(gè)在電路的兩個(gè)任意節(jié)點(diǎn)間流動(dòng)的電流源是很難的。
12. 跨導(dǎo)gm:通常定義在飽和區(qū)(式6),三極管區(qū)跨導(dǎo)下降(式5);將MOSFET視為壓控電流源,則跨導(dǎo)表明了控制的靈敏度;gm隨工作狀態(tài)變化,在小信號(hào)模型中可認(rèn)為其恒定。

式(6)中,保持 ID不變,增大W是不能持續(xù)增大gm的,因?yàn)椋╒GS-VTH)會(huì)減小,最終讓晶體管進(jìn)入亞閾值區(qū),跨導(dǎo)變成式(7.2)。

?溝道從弱反型到強(qiáng)反型的臨界點(diǎn),式(6)和式(7.2)在ID相等時(shí)gm應(yīng)相等,因此:

13. 體效應(yīng):VSB改變耗盡層厚度,調(diào)節(jié)了VTH的大小,對(duì)NMOS,VSB>0則VTH增大,VSB<0則VTH減小,因?yàn)镹MOS使用同一襯底,體效應(yīng)難以利用,且VTH變化使設(shè)計(jì)復(fù)雜化,通常希望消除體效應(yīng),調(diào)節(jié)Nsub和Cox來(lái)使γ為一個(gè)適合的值,典型值0.3~0.4(V1/2)。

14.?溝道長(zhǎng)度調(diào)制:夾斷導(dǎo)致VDS↑,L↓;定義縮短后的溝道長(zhǎng)度(做線性近似),可以把式(4)寫成下式,就不用L′這種表示了;溝道越長(zhǎng),λ越小,效應(yīng)越弱,ro越大;溝長(zhǎng)調(diào)制是器件缺陷,不是調(diào)節(jié)ID的手段,ID由過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓調(diào)節(jié)。

ro即VDS隨ID的變化率,在飽和區(qū)內(nèi):

厄利電壓本來(lái)是描述三極管基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)的,在MOSFET中沿用了這種說(shuō)法。厄利電壓,是單位溝長(zhǎng)的厄利電壓,由工藝決定,
因此式(9)可寫為:

15. 亞閾值導(dǎo)電性:VGS<VTH時(shí)(弱反型區(qū)),ID并不立刻下降至零,而是以有限的速度(指數(shù))下降,會(huì)產(chǎn)生較大功耗并使模擬信號(hào)丟失。是一個(gè)非理想因子

16. 擊穿和穿通:高VGS發(fā)生柵氧擊穿,短溝道器件中,高VDS使D的耗盡區(qū)擴(kuò)展至S側(cè),D和S耗盡區(qū)連接發(fā)生穿通
17. MOS電容:除了D和S之間,任意兩個(gè)端子間都有一個(gè)電容。CGB由氧化層電容C1和襯底與溝道間的耗盡層電容C2構(gòu)成,器件關(guān)斷時(shí)(截止區(qū))CGB、CGS、CGD為式(11、12)
//Cov為G和S、D間每單位寬度的覆蓋電容,單位F/um;W為溝道寬度

溝道開(kāi)啟時(shí)(飽和區(qū)和三極管區(qū)),溝道屏蔽了G和B,因此CGB可以忽略,C1被劃分到CGD和CGS,在飽和區(qū)為式(13),三極管區(qū)為式(14)。

CDB和CSB是D、S與Substrate的結(jié)電容,大小與器件幾何結(jié)構(gòu)相關(guān),因此有必要?jiǎng)澐譃榻Y(jié)底部(下極板)電容Cj(F/m2)和結(jié)周邊引起的(側(cè)壁)電容Cjsw(F/m)。
18.? 小信號(hào)模型:該模型足以在電路設(shè)計(jì)初期模擬大多數(shù)MOS器件

gm:MOSFET是壓控電流源
ro:溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng),相當(dāng)于并聯(lián)在D和S間的一個(gè)電阻,使電流“從溝道外流走”。

gmb:體效應(yīng),η典型值約為0.25,其作用表現(xiàn)為與gm并聯(lián)的一個(gè)跨導(dǎo),等效跨導(dǎo)↑。

各端子都有一個(gè)由材料(和接觸孔)的電阻率決定的歐姆電阻,可由版圖調(diào)節(jié)
19.? “折疊”結(jié)構(gòu):兩個(gè)MOS并聯(lián)作一個(gè)MOS的結(jié)構(gòu),拉扎維多次提及

折疊后可改善CSB和CDB:

????折疊后柵電阻由R變成R/2與R/2的并聯(lián),即R/4。
20.? 長(zhǎng)溝道和短溝道:長(zhǎng)溝道最短是幾個(gè)微米,對(duì)于短溝道,常用的分析式不適用,需要的SPICE模型也比一級(jí)模型復(fù)雜得多。
21.? MOS作電容(兩端器件),VGS>VTH,交流小信號(hào)駝?shì)d在VGS上:
低頻時(shí)(10Hz,劉飛):反型層電荷可以跟上信號(hào)的變化,由反型層電荷實(shí)現(xiàn)電容,耗盡層厚度幾乎不變,忽略耗盡層電容,總?cè)葜禐镃ox。
高頻時(shí):反型層電容跟不上信號(hào)變化不起作用,由耗盡層厚度變化產(chǎn)生電容,總電容為Cmin,由于溝道的屏蔽作用,耗盡層在強(qiáng)反型層不繼續(xù)變厚,因此耗盡層電容不再增加,總電容不再減小。
22.? 本征增益:Av=-gm*ro,稱為本征增益,這等于以電流源負(fù)載的共源單級(jí)放大電路的小信號(hào)放大倍數(shù),短溝道器件大約在5~10。
//一些隨意的整理。歡迎補(bǔ)充、指正。