文章目錄
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- MOSFET的基本結構
- MOSFET的I/V特性
模拟內建電路的設計與數字內建電路的設計不同，數字內建電路傾向于使用現有內建電路的器件、模型來實作一些進階的功能，而模拟內建電路一方面要将半導體器件看作一個黑箱，實作封裝設計，另一方面還要深入了解器件的微觀原理，知曉半導體材料的參雜、電導電容特性等基本概念，實作單元設計。有關于器件實體的知識可以參考台灣施敏編著的《半導體器件實體》以及國内劉恩科等編著的《半導體實體》，在此不做詳述。
模拟內建電路的應用主要展現在目前數字內建電路設計無法實作的一些方面，如數模轉換、電源處理、信号放大等方面。現代模拟內建電路的設計中，以對MOSFET的參數、結構設計為主，并會輔以半導體、電容、電感等基本元器件。以下簡單介紹MOS器件的實體基礎，主要參考了美國畢查德拉紮維編著的《模拟CMOS內建電路設計》
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型矽為襯底，并擴散形成兩個重參雜n+的區域，分别為源端（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 d r a w n L_{drawn} Ldrawn,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 e f f L_{eff} Leff,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 L_D LD。在溝道上方先生長一層絕緣的二氧化矽，然後再生長已成多晶矽作為栅極，與源漏方向垂直的珊的尺寸叫栅寬W。可以知道，栅極與器件的其他部分是絕緣的，但是栅極卻在MOS導電方面起着極其重要的作用：通過在栅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，這在後面也會提到。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，會将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 G S − V T H V_{GS}-V_{TH} VGS−VTH）一定時漏源之間的電流随着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域，即左上方的逐漸增加區域(三極管區)以及右下方的穩定區域（飽和區），其分别可以用兩個公式來描述：
- V D S ＜ （ V G S − V T H ） V_{DS}＜（V_{GS}-V_{TH}） VDS＜（VGS−VTH）時：
I D ＝ μ n C o x W L ［ ( V G S − V T H ) Ｖ D S − 1 / 2 V D S 2 ］ I_D＝\frac {μ_n C_{ox} W} {L}［(V_{GS}-V_{TH}) Ｖ_{DS}-1/2 V_{DS}^2］ ID＝LμnCoxW［(VGS−VTH)ＶDS−1/2VDS2］
- V D S > = （ V G S − V T H ） V_{DS}>=（V_{GS}-V_{TH}） VDS>=（VGS−VTH）時：
I D = μ n C o x W L ［ ( V G S − V T H ) 2 ］ I_D=\frac {μ_n C_{ox} W} {L}［(V_{GS}-V_{TH}) ^2］ ID=LμnCoxW［(VGS−VTH)2］
上述 μ n μ_n μn為電子遷移率， C O X C_{OX} COX為栅氧化層的電容，W為栅寬，L為栅長， V G S V_{GS} VGS為栅源之間的電壓， V D S V_{DS} VDS為漏源之間的電壓， V T H V_{TH} VTH為MOS結構的門檻值電壓
V T H 0 = Φ M S + 2 Φ F + Q d e p C o x V_{TH0}= \frac {Φ_{MS}+2Φ_F+Q_{dep}}{C_{ox} } VTH0=CoxΦMS+2ΦF+Qdep
Φ F = k T q l n ( N s u b n i ) Φ_F=\frac {kT}q ln(\frac{N_{sub}}{n_i}) ΦF=qkTln(niNsub)
Q d e p = ( 4 q ε s i ∣ Φ F ∣ N s u b ) Q_{dep}=\sqrt {(4qε_{si}|Φ_F |N_{sub})} Qdep=(4qεsi∣ΦF∣Nsub)
C o x = ( ε 0 ε S i O 2 ) t o x C_{ox}=\frac {(ε_0 ε_{SiO_2 })}{t_{ox}} Cox=tox(ε0εSiO2)
Φ M S Φ_{MS} ΦMS為多晶矽栅和矽襯底功函數之間的壓差， N s u b N_{sub} Nsub是襯底的參雜濃度， Q d e p Q_{dep} Qdep是耗盡區電荷， t o x t_{ox} tox為氧化層厚度，ε表示對應的介電常數，
進一步的，當 V D S ＜ < （ V G S − V T H ） V_{DS} ＜<（V_{GS}-V_{TH}） VDS＜<（VGS−VTH）時：
I D ＝ μ n C o x W L （ V G S − V T H ） V D S I_D＝μ_n C_{ox} \frac {W} {L}（V_{GS}-V_{TH} ）V_{DS} ID＝μnCoxLW（VGS−VTH）VDS
此時可以将MOSFET看作是一個電阻，并稱MOSFET工作在深三極管區
R o n = 1 μ n C o x W L （ V G S − V T H ) R_{on}=\frac {1}{μ_n C_{ox} \frac {W} {L}（V_{GS}-V_{TH} )} Ron=μnCoxLW（VGS−VTH)1
注：對于PMOS器件，隻需将上述公式中的 μ n μ_n μn 改為 u p u_p up并添加負号即可。
考慮到由于器件工作在飽和區時， I D I_D ID保持不變，是以定義一個電導來描述它
g m = ∂ I D ∂ V G S ∣ V D S , c o n s t = μ n C o x W L ( V G S − V T H ) g_m=\frac {∂I_D}{∂V_{GS}}|_{V_{DS},const}=μ_n C_{ox} \frac {W} {L}(V_{GS}-V_{TH}) gm=∂VGS∂ID∣VDS,const=μnCoxLW(VGS−VTH)
該電導被稱之為跨導，他表征了栅源電壓轉換為漏電流的能力。
在下一篇文章裡将會介紹MOSFET的二級效應以及其小信号等效，戳這可以聯系我。