文章目錄

• • MOSFET的基本結構
  • MOSFET的I/V特性

模擬集成電路的設計與數(shù)字集成電路的設計不同，數(shù)字集成電路傾向于使用現(xiàn)有集成電路的器件、模型來實現(xiàn)一些高級的功能，而模擬集成電路一方面要將半導體器件看作一個黑箱，實現(xiàn)封裝設計，另一方面還要深入理解器件的微觀原理，知曉半導體材料的參雜、電導電容特性等基本概念，實現(xiàn)單元設計。有關于器件物理的知識可以參考臺灣施敏編著的《半導體器件物理》以及國內(nèi)劉恩科等編著的《半導體物理》，在此不做詳述。

模擬集成電路的應用主要體現(xiàn)在目前數(shù)字集成電路設計無法實現(xiàn)的一些方面，如數(shù)模轉換、電源處理、信號放大等方面。現(xiàn)代模擬集成電路的設計中，以對MOSFET的參數(shù)、結構設計為主，并會輔以晶體管、電容、電感等基本元器件。以下簡單介紹MOS器件的物理基礎，主要參考了美國畢查德拉扎維編著的《模擬CMOS集成電路設計》

MOSFET的基本結構

以NMOS為例介紹MOSFET的基本結構，如下圖所示，器件以p型硅為襯底，并擴散形成兩個重參雜n+的區(qū)域，分別為源端（Source）和漏端（Drawn），應當注意的是，對于單個器件，源端和漏端是人為定義的，兩者是對稱可交換的。對于NMOS器件，源端一般接在電路的最低電位（接地），但對與PMOS源端一般接在最高電位（Vdd）。源漏之間的存在導電溝道，其理論長度為$L_{drawn}$,但是由于在形成過程中國的非理想因素的影響，導電溝道的長度會有一定程度的減小，也即$L_{eff}$,兩者之間的距離差為由于電子（空穴）熱運動引起的遷移長度$L_D$。在溝道上方先生長一層絕緣的二氧化硅，然后再生長已成多晶硅作為柵極，與源漏方向垂直的珊的尺寸叫柵寬W。可以知道，柵極與器件的其他部分是絕緣的，但是柵極卻在MOS導電方面起著極其重要的作用：通過在柵極施加電壓影響溝道的空穴（電子）的遷移進而影響器件的導電性能。由此可見，在一定程度上來講，MOSFET是壓控器件，這在后面也會提到。應當注意的是，MOSFET是一個四端器件，但是通常情況下為了避免二級效應帶來的影響，會將器件的源端和漏端相連，作為一個三端器件使用。

MOSFET的I/V特性

上圖顯示了在（$V_{GS}?V_{TH}$）一定時漏源之間的電流隨著漏源之間的電壓變化的趨勢，從圖中可以看出，MOSFET的I／V特性曲線被劃分到兩個區(qū)域，即左上方的逐漸增加區(qū)域(三極管區(qū))以及右下方的穩(wěn)定區(qū)域（飽和區(qū)），其分別可以用兩個公式來描述：

• $V_{DS}＜（V_{GS}?V_{TH}）$時：

$$I_D＝\frac{{\mu }_n{C}_{ox}W}{L}［(V_{GS}?V_{TH}){Ｖ}_{DS}?1/2V_{DS}^2］$$

• $V_{DS}>=（V_{GS}?V_{TH}）$時：

$$I_D=\frac{{\mu }_n{C}_{ox}W}{L}［(V_{GS}?V_{TH}{)}^2］$$
上述${\mu }_n$為電子遷移率，$C_{OX}$為柵氧化層的電容，W為柵寬，L為柵長，$V_{GS}$為柵源之間的電壓，$V_{DS}$為漏源之間的電壓，$V_{TH}$為MOS結構的閾值電壓

$$V_{TH0}=\frac{{\Phi }_{MS}+2{\Phi }_F+Q_{dep}}{C_{ox}}$$
$${\Phi }_F=\frac{kT}{q}ln?(\frac{N_{sub}}{n_i})$$
$$Q_{dep}=\sqrt{(4q{\epsilon }_{si}|{\Phi }_F|N_{sub})}$$
$$C_{ox}=\frac{({\epsilon }_0{\epsilon }_{Si{O}_2})}{t_{ox}}$$

${\Phi }_{MS}$為多晶硅柵和硅襯底功函數(shù)之間的壓差，$N_{sub}$是襯底的參雜濃度，$Q_{dep}$是耗盡區(qū)電荷，$t_{ox}$為氧化層厚度，ε表示對應的介電常數(shù)，

進一步的，當$V_{DS}＜<（V_{GS}?V_{TH}）$時：
$$I_D＝{\mu }_n{C}_{ox}\frac{W}{L}（V_{GS}?V_{TH}）V_{DS}$$

此時可以將MOSFET看作是一個電阻，并稱MOSFET工作在深三極管區(qū)
$$R_{on}=\frac{1}{{\mu }_n{C}_{ox}\frac{W}{L}（V_{GS}?V_{TH})}$$
注：對于PMOS器件，只需將上述公式中的${\mu }_n$ 改為$u_p$并添加負號即可。

考慮到由于器件工作在飽和區(qū)時，$I_D$保持不變，因此定義一個電導來描述它
$$g_m=\frac{?I_D}{?V_{GS}}{|}_{V_{DS},const}={\mu }_n{C}_{ox}\frac{W}{L}(V_{GS}?V_{TH})$$
該電導被稱之為跨導，他表征了柵源電壓轉換為漏電流的能力。
在下一篇文章里將會介紹MOSFET的二級效應以及其小信號等效，戳這可以聯(lián)系我。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的模拟集成电路设计基础知识(一)：MOS管结构及其I/V特性的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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