第二章MOS器件物理基礎2.1基本概念襯底Ldrawn：溝道總長度Leff：溝道有效長度，Leff＝Ldrawn－2LDLD：橫向擴散長度（bulk、body）N阱CMOS技術MOSFET是一個四端器件MOS符號MOS管正常工作的基本條件寄生二極管2.2MOS的I/V特性同一襯底上的NMOS和PMOS器件寄生二極管*N-SUB必須接最高電位VDD！*P-SUB必須接最低電位VSS！*阱中MOSFET襯底常接源極SNMOS器件的閾值電壓VTH(a)柵壓控制的MOSFET(b)耗盡區的形成(c)反型的開始(d)反型層的形成閾值電壓（VTH

）定義

NFET的VTH通常定義為界面的電子濃度等于P型襯底的多子濃度時的柵壓。

ΦMS是多晶硅柵和硅襯底的功函數之差；

q是電子電荷，Nsub是襯底摻雜濃度，Qdep是耗盡區電荷，Cox是單位面積的柵氧化層電容；

εsi表示硅介電常數。“本征”閾值電壓通過以上公式求得的閾值電壓，通常成為“本征”閾值電壓.在器件制造工藝中，通常通過向溝道區注入雜質來調整VTHQd：溝道電荷密度Cox：單位面積柵電容溝道單位長度電荷(C/m)WCox：MOSFET單位長度的總電容Qd(x)：沿溝道點x處的電荷密度V(x)：溝道x點處的電勢I/V特性的推導（1）電荷移動速度(m/s)V(x)|x=0=0,V(x)|x=L=VDSI/V特性的推導（2）對于半導體：且三極管區的MOSFET（0<VDS<VGS－VTH）等效為一個壓控電阻I/V特性的推導（3）三極管區(線性區)每條曲線在VDS＝VGS－VTH時取最大值，且大小為：VDS＝VGS－VTH時溝道剛好被夾斷飽和區的MOSFET（VDS≥

VGS－VT）當V(x)接近VGS-VT，Qd(x)接近于0，即反型層將在X≤L處終止，溝道被夾斷。NMOS管的電流公式截至區，VGS<VTH線性區,VGS>VTHVDS<VGS-VTH飽和區,VGS>VTHVDS>VGS-VTHMOSFET的I/V特性TriodeRegionVDS>VGS-VT溝道電阻隨VDS增加而增加導致曲線彎曲曲線斜率開始正比于VGS-VTVDS<VGS-VT用作恒流源條件：工作在飽和區且VGS＝const！MOSFET的跨導gm2.3二級效應體效應溝道長度調制亞閾值導電性電壓限制MOS管的開啟電壓VT及體效應ΦMS：多晶硅柵與硅襯底功函數之差Qdep：耗盡區的電荷,是襯源電壓VBS的函數Cox：單位面積柵氧化層電容MOS管的開啟電壓VT及體效應無體效應源極跟隨器

有體效應襯底跨導gmbMOSFET的溝道調制效應LL’MOS管溝道調制效應的spice仿真結果?ID/?VDS∝λ/L∝1/L2Ｌ=2μＬ=6μＬ=4μ亞閾值導電特性(ζ>1,是一個非理想因子)MOS管亞閾值導電特性的spice仿真結果VgSlogID仿真條件：VT＝0.6ＶW/L＝100μ/2μMOS管亞閾值電流ID一般為幾十~幾百nA。電壓限制柵氧擊穿過高的GS電壓。“穿通”效應過高的DS電壓，漏極周圍的耗盡層變寬，會到達源區周圍，產生很大的漏電流。MOS器件版圖2.4MOS器件模型MOS器件電容減小MOS器件電容的版圖結構對于圖a:CDB=CSB=WECj+2(W+E)Cjsw對于圖b:CDB=(W/2)ECj+2((W/2)+E)CjswCSB=2((W/2)ECj+2((W/2)+E)Cjsw)=WECj+2(W+2E)Cjsw柵源、柵漏電容隨VGS的變化曲線C3=C4=COVWCov：每單位寬度的交疊電容MOS管關斷時:CGD=CGS=CovW,CGB=C1//C2C1=WLCoxMOS管深線性區時:CGD=CGS=C1/2+CovW,CGB=0,溝道屏蔽MOS管飽和時:CGS=2C1/3+CovW,和CGD=CovW,CGB=0,溝道屏蔽柵極電阻MOS低頻小信號模型完整的MOS小信號模型MOSSPICE模型在電路模擬（simulation）中，SPICE要求每個器件都有一個精確的模型。種類1st

代：MOS1，MOS2，MOS3；2nd代：BSIM，HSPICElevel＝28，BSIM23rd代：BSIM3，MOSmodel9，EKV(Enz-Krummenacher-Vittoz)目前工藝廠家最常提供的MOSSPICE模型為BSIM3v3（UCBerkeley）仿真器：HSPICE；SPECTRE；PSPICE用簡單的模型設計（design），用復雜的模型驗證（verification）；模型用于：大信號靜態(dcvariables)小信號靜態(gains,resistances)小信號動態(frequencyresp