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时间:2020/9/2 阅读:1023 关键词:MOS场效应管
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;