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類比電路基礎私人筆記——MOSFET篇

作者：由 寶藏男孩 發表于 遊戲時間：2020-11-05

V_{th}

也叫

V_{t}

，threshold voltage，臨界電壓，閾值電壓（這個字念 ［yù］ ，不是閥［fá］）

V_{GS}-V_{t}\equiv V_{OV}

，

V_{OV}

，effective voltage， overdrive voltage，過驅電壓，有效電荷電壓，過驅動電壓

當

V_{DS}\ll2(V_{GS}-V_{th})

時，我們說器件工作在

深三極體區

當

V_{DS}

逐漸增大，器件進入

三極體區

，又稱為

線性區

：

I_{D,tri}=\mu_{n}C_{OX}\cfrac{W}{L}(V_{OV}V_{DS}-\cfrac{1}{2}V_{DS}^2)

I_{D,tri}=K_{N}^{

當

V_{DS}\geq V_{OV}

時（或

V_{_{GD}} \leq V_{_{tn}}

），電流飽和，進入

飽和區

：

I_{D,sat}=\cfrac{1}{2}k_n^{

此時，

V_{DSsat}=V_{OV}=V_{GS}-V_{t}

對於PMOS而言：

I_{D}=-\mu_{p}C_{OX}\frac{W}{L}[(V_{GS}-V_{TH})V_{DS}-\frac{1}{2}V_{DS}^2]

由於空穴的遷移率約為電子的

\frac{1}{2}

，所以

PMOS器件具有較低的“電流驅動”能力

。

跨導

g_{m}

，transconductance，漏電流（D， drain）的變化量除以柵（G， gate）源（S， source）電壓的變化量，IV曲線斜率（slope）

g_{m}=\cfrac{\partial I_{D}}{\partial V_{GS}}\Bigl\lvert_{V_{DS,const}} =\mu_{n}C_{OX}\cfrac{W}{L}(V_{GS}-V_{t})=k_{n}V_{OV}=\cfrac{2I_{D}}{V_{GS}-V_{t}}=\sqrt{2\mu_{n}C_{OX}\cfrac{W}{L}I_{D}}

等效跨導，假設

I_{D}=f(V_{GS})

，可以得出

\begin{align} G_{m}&=\frac{\partial I_{D}}{\partial V_{in}} \\&=\frac{\partial f}{\partial V_{GS}}\frac{\partial V_{GS}}{\partial V_{in}} \end{align}

接下來考慮非理想情況……

由於在製造過程中，源/漏的橫向擴散，源漏之間實際的距離小於L。為了避免混淆，我們定義：

L_{eff}\equiv L_{drawn}-2L_{D}

式中

L_{eff}

成為

有效柵長

（effective length），

L_{drawn}

是

總長度

（total length），而

L_{D}

是

橫向擴散長度

（amount of side diffusion）。

**

L_{eff}

和

氧化層厚度

t_{ox}

對MOS電路的效能起著非常重要的作用

考慮

通道調變效應（channel-length modulation）

，又稱

溝道長度調製

： 當

V_{GD}

增大時，實際的溝道長度逐漸減小。 ***

\lambda

是通道調變效應的引數

#FormatImgID_27#

Suppose：

\cfrac{\Delta L}{L}=\lambda V_{DS}

Thus：

I_{D}=\cfrac{1}{2}k_n^{

\begin{align} g_{m}&=\mu_{n}C_{OX}\frac{W}{L}(V_{GS}-V_{TH})(1+\lambda V_{DS})\\ &=\sqrt{2\mu_{n}C_{OX}\frac{W}{L}I_{D}(1+\lambda V_{DS})}\\ \end{align}

輸出電阻不再是無窮大，而是有限電阻 finite resistance

r_{0}

\begin{align}r_{0}&\equiv [\frac{\partial i_{D}}{\partial v_{DS}}]_{v_{GS, constant}}^{-1} \\ &=\frac{\left| V_{A} \right|}{I_{D}}=\frac{1}{\lambda I_{D}} \end{align}

實際上，襯底的電位對器件特性有很大的影響。也就是說，

MOSFET是一個四端器件。

在體效應中， ***

#FormatImgID_33# 是體效應的引數

V_{TH}=V_{TH0}+\gamma(\sqrt{\left| 2\Phi_{F}+V_{SB} \right|}-\sqrt{\left| 2\Phi_{F} \right|})

現代CMOS工藝中，

PMOS器件做在n阱中

。

每個PFETs(PMOS)可以處於各自獨立的n阱中，而所有NFETs則共享用一個襯底

。PFETs的這種靈活性在一些類比電路中被應用。

一些應該知道的知識：

在一個PN接面中，P區和N區是透過耗盡區相互隔離的，這個區域是電子和空穴的耗盡區域，是不導電的絕緣體，就像氧化物絕緣層一樣。

柵氧化層的厚度是

t_{ox}

，耗盡層的厚度是

t_{si}

，二者分別產生電容

C_{ox}

和

C_{D}

，單位是

F/cm^2

。一般情況下

C_{D}

是

C_{ox}

的三分之一，二者的比率是n-1。

標簽： 器件  PMOS  電壓  voltage  length 

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