MOS场效应管模型分类：

基于阈值电压模型Threshold Voltage-based，如：BSIM3+BSIM4

基于电荷模型Charge-based，如：BSIM6+EKV

BSIM6模型：仿真工具中CMOS工艺标准模型

 

MOS场效应管模型

数字电路中，用简单开关模型，电阻-电容（RC）模型； 

模拟电路中，用不同偏置条件，不同频率模型；

而亚微米电子元器件，得考虑沟道长度调制，速度饱，短沟道效应；

仿真软件中，BSIM模型；

BSIM全称：Berkeley Short-channel IGFET Model

IC设计中，第一步手算，BSIM模型参数数百，因此采用简化模型，如：平方率模型；

 

但平方率模型局限性：

1.不能包含很多短沟道效应；

2.适用MOS场效应管偏置在强反型区；

 

在电路中，相同偏置电流下可得更高增益，相同增益下减小功耗，MOS场效应管需偏置在弱反型区及中反型区，需强反型区+中间反型区+弱反型区连续准确，包含各种短沟道效应，也方便手算模型。

 

NMOS场效应管模型

如下图所示

 

MOS场效应管是四端器件

源端S+漏端D+栅端G+衬底B

 

CMOS标准工艺，MOS场效应管共用一个P型衬底，防止PN结正偏，P型衬底接GND。

衬底电压：Vs+VD+VG

源极与漏极完全对称，增加栅极电压，电子元器件表面出现反型层，NMOS管电子组成非常薄反型层，因此用简单一维模型分析，如上图源极为原点，源极引向漏极画出x轴； 

 

 

如上图所示，x反型层面电荷密度记为Qinv’（x），沟道电压（相对于衬底）=Vch（x）

栅极+反型层+中间栅氧化层，是一个平行板电容器；

 

定义重要概念

夹断电压Vp   pinch-off voltage

阈值电压Vt0  threshold voltage

 

如上图所示：源极+漏极保持等电位，沟道电势相同； 

VG固定，沟道电压增加到Vp，反型层电荷密度减为0； 

沟道电压固定=0 V

VG减到Vt0，反型层电荷密度=0 

阈值电压Vt0定义在整个沟道等电位，电位=0

是一个定值，与之形成对比

传统模型，阈值电压VTH是Vsb的函数

夹断电压Vp定义不只在源极漏极等电位才有效，在沟道中某一点电压Vch（x）>Vp处沟道就被夹断;

夹断电压与栅极电压关系：

 

非线性：反型层下方势垒电容Cdep非线性造成的

简化模型：用一条斜率为1/n的直线来近似；

Vp = （VG-Vt0）/n

n = 1.5

PS：Vp与VG-Vt0的非线性关系会导致大信号偏置电路无法工作；

N > 1又 N <1 联立不等式无解

 

 

Qinv’与Vch关系，如上图所示：

Vch = Vp 沟道被夹断  电荷密度=0；

Vch = 0  Qinv’ = Cox’*（VG – Vt0）

 

PS：如上图关系与之前平行班电容器公式偏差

因：之前公式是在忽略势垒电容Cdep效应，或n = 1时推出；