数字集成电路_2.MOS管的原理

待我称王封你为后i 2022-11-09 12:50 553阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  理想与现实的差异
 *  阈值电压：
 *  MOS管分类：
 *  MOS管电流
 *  MOS管特性曲线
 *  小结：
 *  沟长调制效应
 *  速度饱和现象

# 理想与现实的差异 #

1.  理想情况  
    理想情况下，导通时电阻无穷小，截止时电阻无穷大；开关速度无限小；
2.  实际情况  
    寄生效应存在，导通时有电阻，切换时有延时，截止时有漏电流等；

# 阈值电压： #

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

# MOS管分类： #

增强型NMOS管：阈值电压大于0的NMOS管称为增强型NMOS管；  
耗尽型NMOS管：阈值电压小于0的NMOS管称为耗尽型NMOS管；  
增强型PMOS管：阈值电压小于0的PMOS管称为增强型PMOS管；  
耗尽型PMOS管：阈值电压大于0的PMOS管称为耗尽型PMOS管；

# MOS管电流 #

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
![在这里插入图片描述][20210315145552157.png]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

# MOS管特性曲线 #

NMOS管特性曲线  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
PMOS管特性曲线  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

# 小结： #

1.  MOS管的导通电流与W/L成正比；
2.  MOS管的导通电流与载流子迁移率成正比；
3.  MOS管的电流方程因偏置条件不同有不同的工作区，随偏置电压的变化是非线性的；
4.  电流随VGS \- VT 的增大而增大。 VGS \-VT 被称为过驱动电压（overdrive voltage）；
5.  饱和电流与过驱动电压成平方关系，线性区电流与VDS成平方关系（VDS较小时可近似为线性关系）
6.  为了保持MOS管的性能不变，减小晶体管的面积可以等比例的减小W和L（scaling down）,要尽量减小L；
7.  特征尺寸：工艺所能加工的最小线宽通常对应MOS管的沟道长度L；

# 沟长调制效应 #

随着VDS增加，电流逐渐增大；（下图红色标注的公式部分）  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]

# 速度饱和现象 #

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]

饱和电流公式  
VDSAT 发生速度饱和的临界VDS电压（饱和电压）  
V=VSAT, VDS = VDSAT由连续性要求：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 10]  
![在这里插入图片描述][20210315162004702.png]  
结论： 短沟道器件速度饱和的VDSAT 小于沟道夹断的VDSAT；

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 11]

饱和电流  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 12]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 13]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 14]  
饱和速度简化模型  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 15]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 16]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 17]

考虑饱和电流现象后的特性曲线；  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 18]

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221023/ea2c8af45a04466ca48b86df073ba6c7.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20221023/5aef576d21ff4b70937718f70704a6d5.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20221023/6d8c7225a0554a50a949a6eb220c7a24.png
[20210315145552157.png]: /images/20221023/6e9bcf02ea6246a2b180c2fd6456957e.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: /images/20221023/fcf28e75175345bc86d73cb66e49d93f.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]: /images/20221023/3a8afe26de264c3da4aacaca5b8a6c34.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]: /images/20221023/bf51510816a245f0abbbf3c9935d640a.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]: /images/20221023/a9e779285d8b40eca01565683d7ac0f8.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]: /images/20221023/353a6d59c4434bd08aebf8a6f21f0a13.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]: /images/20221023/f59f0a91c75847dfa79200d5c64a746a.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]: /images/20221023/7701cc68955443898e8f008c6925541b.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 10]: /images/20221023/75add70d80084d68aabfc2b016632738.png
[20210315162004702.png]: /images/20221023/d57142f8743748c0bb604cc09171977b.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 11]: /images/20221023/13105a0dfd834044824573a5d1ca4759.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 12]: /images/20221023/d4dbfa0c981148c2abb9208346e7a494.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 13]: /images/20221023/a1b0f2231b1749f486a0ac3bab4b6dc8.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 14]: /images/20221023/52184e8165ec4005a0ea3ab5518d2912.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 15]: /images/20221023/a39ac5353d3b4a42ad9c169b295b664e.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 16]: /images/20221023/25ce48fdcfb84c929813a9a239fc3da1.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 17]: /images/20221023/96e1eeb591b2417489c234a22d538544.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NzEzOTY0OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 18]: /images/20221023/56de89eacb114441bd4dac1451698680.png