实际的二极管——二次效应
0.1
ID (A)
0
–0.1 –25.0
–15.0 VD (V)
–5.0
0
5.0
雪崩击穿
器件. 6
2018年11月10日8时19分
二极管SPICE模型
• 二极管的稳态特性用一个非线性的电流源I

nT
1

电阻Rs用来模拟结两边中性区的串联电阻
| VGS | > | VDD – | VT | |
器件. 11
| VGS | < | VDD – |VT| |
2018年11月10日8时19分
MOS晶体管的类型和符号
D G S G S NMOS Depletion D G S PMOS Enhancement S NMOS with Bulk Contact
人工分析模型
• 模型中用一个固定电压源来替代导通的二极管，而不导通的二极管 则用开路来表示
ID = IS(eV D/T – 1) VD – – ID + + – VDon
+ VD
(a) Ideal diode model
(b) First-order diode model
器件. 4
2018年11月10日8时19分
本章重点
1. 2. 定性地了解MOS器件 用于手工分析的简单器件模型
3.
用于SPICE模拟的细节器件模型
器件. 1
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3.2 二极管
• 数字集成电路中最常见的寄生元件 – 反偏的寄生电容，影响速度 – 反偏的漏电流，增加功耗 – 也用于PAD的ESD保护
A
B
B
Al p n
器件. 9
2018年11月10日8时19分
NMOS晶体管的开关模型
| VGS |
Gate
Source (of carriers)
Drain (of carriers)
Open (off) (Gate = ‘0’)
Closed (on) (Gate = ‘1’)
Ron
| VGS | < | VT |
速度饱和
• • • 短沟器件的主要差别是速度饱和效应 速度饱和效应：当沿沟道的电场达到某一临界值时，载流子的速度 将由于散射效应(即载流子间的碰撞)而趋于饱和 在沟道长度为0.25μm的NMOS器件中大约只需要2V左右的漏源电压 就可以达到饱和点
c (V/m)
器件. 18 2018年11月10日8时19分
2018年11月10日8时19分
饱和区
• 假设VGS > VT ，VGS - VDS VT VGS
S n+
G
VDS > VGS-VT D ID
- V -V + GS T
n+
Pinch-off B
•
器件. 16
k'n W VGS VT 2 ID 2 L 漏电流与控制电压VGS之间存在平方关系
| VGS | > | VT |
器件. 10
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PMOS晶体管的开关模型
| VGS | Source (of carriers)
Gate
Drain (of carriers)
Open (off) (Gate = ‘1’)
Closed (on) (Gate = ‘0’) Ron
VGS
S
n+
G
VDS
D
- V(x) +
ID
n+ x
B
2 2 VDS VDS W ID k VGS VT VDS kn VGS VT VDS L 2 2 ' n
•
器件. 15
它的一个主要特点是它在源区和漏区之间表现为一条连续的导电沟道
动态或瞬态特性：耗尽区电容
• 空间电荷区的作用像一个具有半导体材料介电常数εsi的绝缘体，n区 和p区就像是电容器的极板 耗尽区电容具有高度的 非线性，且随反向偏置 的增加而减小：一个5V 的反向偏置使电容降低 两倍以上
•
器件. 5
大信号耗尽区电容
Ceq K eq C j 0
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二极管的动态特性由非线性电容CD来模拟
CD
1 VD
C j0
0
m
T I S VD e T
RS + VD -
T
ID
CD
器件. 7
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SPICE 参数
器件. 8
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3.3 MOS晶体管
Polysilicon Aluminum
2018年11月10日8时19分
沟道长度调制
• 增加VDS将使漏结的耗尽区加大，从而缩短了有效沟道的长度
I D I D 1 VDS
– λ是沟道长度调制系数，与沟长成反比
•
对于短沟道晶体管，沟道的调制效应更显著
– 建议：需要高阻抗的电流源时，采用长沟道晶体管
器件. 17
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A
SiO2
A p n B
Al
图3.1 突变pn结二极管及其电路符号
器件. 2 2018年11月10日8时19分
静态特性：理想二极管
• 在一个正确工作的MOS数字IC中，所有的二极管都是反相偏置的， 并且它们应当在所有情况下都保持在这一状态
I D I S eVD
器件. 3

T
1

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VT VT 0
器件. 13

2F VSB

2F

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0.9 0.85 0.8
VT(V)
0.75 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5 0.45 0.4 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0
VBS(V)
例题3.5 PMOS晶体管的阈值电压
VTp0＝－0.4V，γ＝－0.4V，VSB ＝－2.5V，2φF＝0.6V，求VTp
VT － 2.5V 0.4 0.4 2.5 0.6 0.6 － 0.79V
它是零偏置情况下阈值的两倍
器件. 14 2018年11月10日8时19分


电阻工作区
• 假设VGS > VT ，并在漏区和源区之间加上一个小电压VDS
2018年11月10日8时19分
D
NMOS Enhancement
D G
B
器件. 12
阈值电压
• 强反型发生时VGS的值称为阈值电压VT
VGS +
G
S
-
D
n+
n+
n channel
p substrate B
depletion region
•体偏置对阈值的影响
–γ称为体效应(衬偏效应)系数，它表明VSB改变所产生的影响