【正文】 +SGDp 型 襯 底Vd s 0 o r Vd s= 0P+Bn+NMOS 魏廷存 /2021年 25 CMOS的動作原理（線性區(qū) : linear region） ? 線性區(qū) : Vgs Vth and Vds (VgsVth) 在正電壓作用下， SiO2下面出現(xiàn)反型層（自由電子），即形成導電溝道，電流 Ids 0。 Ids受 Vgs 和 Vds 的控制 。隨著 Vgs 增加， 溝道深度變深 ， Ids增加。同時 CMOS管子表現(xiàn)出 電阻的性質 （ Ids隨 Vds 線性增加 ）。 n+SGDp 型 襯 底Vd s ( Vg s Vt h)P+Bn+Vg s Vt h（ Vgd Vth） 魏廷存 /2021年 26 CMOS的動作原理（飽和區(qū) : Saturation region） ? 飽和區(qū) : Vgs Vth and Vds (VgsVth) （ Vgd Vth） 當 Vds (VgsVth)時， 在靠近漏極端處，柵和氧化層 — 硅界面之間的電勢差不足以支持形成反型層，導致導電溝道在靠近漏極一端被夾斷 (夾斷臨界條件 : Vgd =Vth)，并隨著 Vds增加逐漸縮小。但在漏極正電壓作用下， 電子漂移機能 使電流繼續(xù)流通。但電流幾乎不再隨 Vds增加而增大，基本保持恒定（加在導電溝道兩端的電壓基本固定在VgsVth） 。 電流只受 Vgs控制（ Vgs增大，導電溝道變深）。 n+SGDp 型 襯 底Vd s ( Vg s Vt h)P +Bn+Vg s Vt h魏廷存 /2021年 27 電壓 電流特性（ NMOS） Vd s= 0 VVd s= 0 . 5 VVd s= 1 VVd s= 1 . 5 VVd s= 2 ~ 5 V1 52 01 05001234 5ID(mA)0 . 8 u m N M O S :W = 5 0 u m L = 0 . 8 u m V b s = 0 VV d d = 5 VDBGSVds( V )I D(mA)5V4 . 5 V4V3 . 5 V3V2V1 . 5 VV gs = 1 V線性領域飽和領域201510501 2 3 4 5 6Vgs (V) Vth 魏廷存 /2021年 28 二級效應 ? 體效應系數(shù) (Body effect) (當 VSB≠0) ? NMOS: Vth0 : 當 VSB=0時的閾值電壓 r : Bodyeffect constant（典型值 =） 2ФF : 典型值 = ? PMOS: r : Bodyeffect constant（典型值 =） 2ФF : 典型值 = 體效應 : 隨著 VSB或 VBS的增加 ,閾值電壓 Vth增大。 這是由于 VSB或 VBS的增加導致 耗盡層變得更寬 。 )22(0 FFSBthth VrVV ?????? VSB0 )22(0 FFBSthth VrVV ?????? VBS0 魏廷存 /2021年 29 產生體效應的物理原因 p+n+n+V B 0SP 型 襯 底 VG VD= 0 VG VDSV B 0+_由 于 襯 底 接 負 偏 壓 而 使耗 盡 區(qū) 加 寬 ， 電 荷 增 多V B = 0 時 的 耗 盡 區(qū) 電 荷 VB越來越 “ 負 ” 時， 更多的空穴將被吸引到襯底電極 ，而在 p型襯底的表面留下更多的負電荷（負離子）， 使耗盡層變寬 。 由于耗盡層電荷的增加，導致形成反型層的閾值電壓升高。 魏廷存 /2021年 30 二級效應 ? 溝道長度調制效應 在飽和區(qū)，隨著 Vds的增加， 導電溝道的實際長度逐漸減小 ， Ids相應增大，這一效應稱為 溝道長度調制效應。管子的 L尺寸愈大，溝道長度調制效應愈小。 )V1()VV)(LW(2CI ds2thgsOXnD ?????λ= (?L/L)/Vds ∝ 1/L， ?L： 導電溝道縮小量 λ—溝道長度調制系數(shù) 魏廷存 /2021年 31 溝道長度調制效應 IDVD SL = L1L = 2 L1隨著柵長 L的增加，溝道長度調制效應減輕（ ID~VDS曲線的斜率變?。?，但漏極電流相應減小，為了保持同樣的漏極電流必需相應增大柵寬 W（即保持管子的寬長比 W/L不變）。 左圖中給出了 CMOS工藝條件下 λ 隨 L的變化曲線?？梢钥闯?，當 L大于 （ =2Lmin）時 λ 趨于平緩變化。因此，在模擬 CMOS電路中，通常不使用工藝允許的最小柵長 Lmin，以減小 λ值 ， 提高放大器的增益。通常取 L=(4~8)Lmin。 魏廷存 /2021年 32 大信號特性（數(shù)學模型，非截止區(qū)） ? 深度線性區(qū) ? 線性區(qū) ? 飽和區(qū) 飽和區(qū)線性區(qū)深線性區(qū)VD S= VG S Vt hVG S= c o n s t a n tdsthgsOXnd V)VV(LWCI ??? )]VV(2V[ thgsds ???)VV(LWC1IVRthgsOXnDdson ????GS D S DV gs]2VV)VV[(LWCI 2dsdsthgsOXnd ????)V1()VV)(LW(2CI ds2thgsOXnD ?????Vds (V) Id (mA) 線性電阻： 魏廷存 /2021年 33 大信號特性說明 ? μp： 空穴的遷移率 ， μn： 電子的遷移率 ， μp=(1/2~1/4)μn ， NMOS比 PMOS具有較大的電流驅動能力（相同尺寸情況下） 。 ? (VgsVth)稱為 過驅動電壓或有效電壓 （ 超過閾值電壓 Vth部分的 Vgs電壓 ） 。 Veff≡VgsVth ? CMOS管子在數(shù)字電路中工作在截止區(qū)或線性區(qū)（靜態(tài)時），而在模擬電路中通常工作在飽和區(qū) 。 ? 模擬電路中，工作在線性區(qū)的 CMOS管子使用場合 : ? 模擬電子開關（傳輸門） ? 上拉電阻，下拉電阻 ? 有源電阻（相位補償?shù)扔茫? 魏廷存 /2021年 34 工作在線性區(qū)的 CMOS管子使用場合 5 u / 1 0 uV D DP A D內 部 電 路P M O SV D DV D D模擬電子開關（傳輸門） 1 . 5 u / 1 0 uV D DP A D內 部 電 路V D DN M O S上拉電阻 下拉電阻 魏廷存 /2021年 35 CMOS模擬開關（傳輸門） V i n V o u tCV D DV D DV i nR o n , P M O S| VT H P|R o n , N M O SR o n , C M O SV D D VT