西安交通大学：《VLSI设计基础》课程教学课件（讲稿）第3章 MOS晶体管模型与CMOS模拟电路基础（MOS晶体管模型、CMOS模拟电路基本模块、单级CMOS放大器）

主要内容 MOS晶体管模型 □MOS器件结构 阈值电压 MOS晶体管大信号特性 MOS器件寄生电容 □MOS晶体管小信号模型 CMOS模拟电路基本模块 单级CMOS放大器 运算放大器 西安交通大浮微电子学系 2

2008-3-19 微电子学系 2 主要内容 „ MOS晶体管模型 ‰ MOS器件结构 ‰ 阈值电压 ‰ MOS晶体管大信号特性 ‰ MOS器件寄生电容 ‰ MOS晶体管小信号模型 „ CMOS模拟电路基本模块 „ 单级CMOS放大器 „ 运算放大器

3.1.1MOSFET晶体管结构DG多晶硅氧化层so010NN+LeffLdrawnLDP型衬底西安交通大泽微电子学系1

2008-3-19 微电子学系 3 3.1.1 MOSFET晶体管结构

NMOS and PMOS with n-welln型衬底(a)GSDP型衬底(b)图3.2（a）简单PMOS器件（b）n阱中的PMOS西安交通大学微电子学系

2008-3-19 微电子学系 4 图3.2 （a）简单PMOS器件 （b）n阱中的PMOS NMOS and PMOS with n-well

MOS SymbolsNMOSPMOSNMOSPMOSNMOSPMOSDSDDDSo09090Go-OBGO-OBGoOS0oSosODosD(c)(a)(b)MOS符号西安交通大学微电子学系5

2008-3-19 微电子学系 5 MOS符号 MOS Symbols

增强型NMOSGateelectrode/GSTInducedn-typeODSG10)channel+?p-typesubstrateDepletionregionBTheenhancement-typeNMoswithapositivevoltage applied to thegate.Ann channelisinducedatthe top of the substrate beneath the gate.西安交通大浮微电子学系

2008-3-19 微电子学系 6 增强型NMOS

3.1.2闯值电压(MOS Channel Formation)+0.1 V+0.1 V+0.1VVGV188888ntP型衬底P型衬底负电荷(a)(b)+0.1 V+0.1 VVGCderntnt吉电子P型衬底P型衬底(c)(d)(a)由栅压控制的MOSFET：(b)耗尽区的形成：(c)反型的开始：(d)反型层的形成（由源区提供电子）ΦMs栅与衬底的功函数差的电压值，QsQBVTH =DMs +20, +Φ.是费米势，Q.耗尽区电荷，Qss是界CoxC面处的等效正电荷。西安交通大学微电子学系7

2008-3-19 微电子学系 7 3.1.2 阈值电压(MOS Channel Formation) (a)由栅压控制的MOSFET ；(b)耗尽区的形成；(c)反型的开始；(d)反 型层的形成（由源区提供电子） 2 B ss TH MS F ox ox Q Q V C C =Φ + Φ + − ΦMS栅与衬底的功函数差的电压值， ΦF是费米势，QB耗尽区电荷，QSS是界 面处的等效正电荷

PFET反型层的形成-0.1 VVG1空穴n型衬底0.1 V西安交通大泽微电子学系

2008-3-19 微电子学系 8 PFET反型层的形成

3.1.3NMOS的大信号特性(I/VCharacteristics)-substrateaVa.p-substrate(b)(a)源和漏等电压时的沟道电荷；(b)源和漏不等电压时的沟道电荷西安交通大学微电子学系

2008-3-19 微电子学系 9 3.1.3 NMOS的大信号特性(I/V Characteristics) (a)源和漏等电压时的沟道电荷; (b)源和漏不等电压时的沟道电荷

加偏置电压后的NMOS器件沟道+VGsVosCos厂DNN+N+V(y) →+耗尽区Mytl y+dyP-衬底VsB西安交通大学微电子学系10

2008-3-19 微电子学系 10 加偏置电压后的 NMOS器件

Derivation of I/V CharacteristicsA1s后1秒内载流子的运动图像(b)(a)I = Od. V(Q.为y方向的单位长度电荷密度)Qd = WCox(VGS - VTH)Qa(y) = WCox(VGs - V(y) - VTH)西安交通大学微电子学系11

2008-3-19 微电子学系 11 Derivation of I/V Characteristics Qd = WCox(VGS − VTH ) Q y WC V V y V d ox GS TH () ( () ) = −− I = Qd ⋅ v 1秒内载流子的运动图像 (Qd为y方向的单位长度电荷密度) v W