2元器件及模型

南京理工大学紫金学院NANJING UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY ZIJIN COLLEGE第二章 元器件及其模型第二章 元器件及其模型教学内容 教学内容‰2.1 ‰2.3 ‰2.4 ‰2.5PN结与二极管 ★★ CMOS器件 ★★★★★ 电阻 ★★ 电容 ★★2.1 PN结与二极管要点‰杂质半导体形成 ‰PN结特性（正、反偏） ‰PN结电容 ‰二极管应用2.1 PN结与二极管一 一 前言 前言本征半导体 本征半导体杂质半导体 杂质半导体N 型半导体 N 型半导体P 型半导体 P 型半导体2.1 PN结与二极管本征半导体：没有掺杂的半导体一 一 前言 前言本征载流子：本征半导体中的载流子 载流子浓度：电 子 浓 度 n, 空 穴 浓 度 p 本征载流子浓度： n=p=ni np=ni2 ni与禁带宽度和温度有关了解：ni ( Si ) = 1.45 × 1010 / cm32.1 PN结与二极管一 一 前言 前言制造半导体器件的材料不是本征半导体 ，而是人为的掺入杂质的半导体，目的是为 了提高半导体的导电能力。

真的能？1、掺入5价元素（磷、砷、锑）掺什么？如何提高？2、掺入3价元素（硼、铝、铟）2.1 PN结与二极管1 N型半导体 电子为多数载流子—多子 空穴为少数载流子—少子 磷原子：施主原子。

浓度：ND一 一 前言 前言自由电子n型半导体注意：n型半导体：电子 n ≈ ND 空穴 p ≈ ni2/ND2.1 PN结与二极管2 p型半导体 空穴为多数载流子—多子 电子为少数载流子—少子 硼原子：受主原子。

浓度：NA一 一 前言 前言●p型半导体注意：p型半导体：空穴 p ≈ NA 电子 n ≈ ni2/NA2.1 PN结与二极管一 一 前言 前言n型半导体p型半导体2.1 PN结与二极管2.1.1 2.1.1 PN结形成 PN结形成PN空穴 电子浓度差：扩散。

自建电场：漂移 最终，多子扩散和少子漂移达到动态平衡。

2.1.2 2.1.2 PN结特性 PN结特性 1 正向偏置（P区接电源正极，N区接电源负极）2.1 PN结与二极管外电场内电场外电场使空间电荷区变窄，扩散运动加剧，漂 移运动减弱，当外加电场达到一定值时，形成较大 的正向电流。

2.1 PN结与二极管2.1.2 2.1.2 PN结特性 PN结特性2 反向偏置（P区接电源负极，N区接电源正极）外电场内电场外电场使空间电荷区变宽，扩散运动变弱， 漂移运动加强，从而形成反向电流，也称为漂移 电流。

2.1 PN结与二极管3 伏安特性i /mA2.1.2 2.1.2 PN结特性 PN结特性正向特性-U (BR) IS反向特性 OUthu /V⎛ I = IS ⎜ e ⎝qV kT⎞ − 1⎟ ⎠反向击穿讨论 室温时，q/kT≈26mV。

正偏时， I ≈ I S eqV kT反偏时， I ≈ I S2.1 PN结与二极管2.1.2 2.1.2 PN结特性 PN结特性PN结具有势垒电容和扩散电容，该电容效应限 制了PN结的高频应用。

1 1 势垒电容 势垒电容 条件：PN结处于反偏时（耗尽区变宽）PN2.1 PN结与二极管2.1.2 2.1.2 PN结特性 PN结特性PN结具有势垒电容和扩散电容，该电容效应限 制了PN结的高频应用。

2 2 扩散电容 扩散电容 条件：PN结处于正偏时 （耗尽区变窄，扩散加剧）2.1 PN结与二极管1 二极管应用2.1.3 2.1.3 二极管 二极管‰ 基本作用：构成二极管，起到整流、检波、稳 压、钳位等作用。

‰ PN结隔离：利用二极管结的反向特性实现不同 器件间的电隔离，避免器件之间互相导通。

‰ PN结电容：利用二极管结制作集成电路中所需 电容器，其电容容量很小。

‰ 保护电路2.1 PN结与二极管2 二极管电流、关系电压2.1.3 2.1.3 二极管 二极管PN结的伏安特性：⎛ qV ⎞ kT I = I S ⎜ e − 1⎟ ⎝ ⎠qV ⎛ NkT ⎞ 实际二极管的伏安特性为： I = I S ⎜ e − 1⎟ ⎝ ⎠N为发射系数2.1 PN结与二极管3 二极管模型模型参数 IS RS N TT CJO VJ M EG XT1 FC BV IBV KF AF 名称 饱和电流 寄生串联电阻 发射系数 渡越时间 零偏压PN结电容 结自建电势 电容剃度因子 禁带宽度 IS的温度指数 正偏耗尽层电容系数 反向击穿电压 反向击穿电流 闪烁躁声系数 闪烁躁声指数 单位 A Ω s F V eV 1N4943参数 2.21×10-10 0.03188 1.7 2.164×10-7 2.879×10-11 0.75 0.43 1.11 3 0.5 100 0.0001 0 12.1.3 2.1.3 二极管 二极管RSID+ UDCD −CTqV ⎛ NkT ⎞ I = I S ⎜ e − 1⎟ ⎝ ⎠⎛ V ⎞ CT = CT 0 ⎜ 1 − ⎟ ⎝ VD ⎠−MV Aq τ JD CD = kT2.3 CMOS器件要点‰CMOS器件结构★★ ★★★★★ ★★★★★ ★★★★★‰CMOS器件工作原理‰CMOS器件大信号特性 ‰CMOS器件小信号模型2.3 CMOS器件2.3.1 2.3.1 物理结构 物理结构栅极g、源极s、漏极d、衬底极bG D S2.3 CMOS器件2.3.1 2.3.1 物理结构 物理结构栅极g、源极s、漏极d、衬底极bNMOSPMOSN阱工艺CMOS器件2.3 CMOS器件2.3.1 2.3.1 物理结构 物理结构MOS管结构特点：1、MOS器件是4端器件，且源、漏在几何上等效。

2、MOS器件所有PN结必须反偏。

3、N阱工艺中，NMOS共享一个衬底端，且衬底一般 接低电平（VSS），PMOS有各自的衬底端，且衬底一 般接高电平(VDD)。

4、MOS管源极常和衬底极连在一起。

5、器件尺寸很小，W、L为微米量级。

2.3 CMOS器件2.3.2 2.3.2 器件符号 器件符号符号中若有箭头，箭头所在电极为MOS管源极； 箭头方向表示MOS管中漏极电流方向。

2.3 CMOS器件以N沟道增强型MOS管为例2.3.3 2.3.3 工作原理 工作原理根据MOS管外部偏置电压的不同，MOS管的工 作状态可以分为3个工作区，分别是： 截止区 截止区 线性区 线性区 饱和区 饱和区2.3 CMOS器件以N沟道增强型MOS管为例VDS VGS2.3.3 2.3.3 工作原理 工作原理 截止区 截止区VDSVGS结果：形成耗尽层，沟道电阻很高，ID≈0。

MOS管工作在截止区（cutoff region）。

2.3 CMOS器件以N沟道增强型MOS管为例VDS VGS2.3.3 2.3.3 工作原理 工作原理 线性区 线性区VDSVGS注意：形成导电沟道的VGS称为阈值电压（threshold voltage）或开启电压，即：VTH。

结果：形成反型层，沟道电阻很小，ID≠0，MOS管导通。

注意：栅极和衬底电压越大形成的导电沟道越厚。

2.3 CMOS器件以N沟道增强型MOS管为例VDS VGS2.3.3 2.3.3 工作原理 工作原理 线性区 线性区VDSVGS电流与偏置电压定性关系： 1、 VGS越大，导电沟道电阻越小， ID越大。

2、 ID基本与VGS和VDS成比例，称管子工作在线性区。

2.3 CMOS器件以N沟道增强型MOS管为例2.3.3 2.3.3 工作原理 工作原理 线性区 线性区VDS VGS注意： 1、硅表面由源极到漏极电位逐渐增大，栅极和硅表面的电 压逐渐减小，沟道呈梯形，漏极电流近似不变。

2、当UDS增大到一定值，导电沟道在靠近漏极出发生预夹 断，此后漏极电流与偏置电压不成比例关系。

3、工作在线性区的条件： VGS>VTH且VDS<（VGS –VTH）2.3 CMOS器件以N沟道增强型MOS管为例2.3.3 2.3.3 工作原理 工作原理 饱和区 饱和区VDS VGS注意： 1、VDS继续增大，夹断点向源极靠近。

2、夹断区为高阻区，故增加的VDS全部落在夹断区，漏极电 流基本保持不变，称管子工作在饱和区。

3、工作在饱和区的条件： VGS>VTH且VDS>（VGS –VTH）2.3 CMOS器件MOS管中的电量2.3.4 2.3.4 大信号模型 大信号模型1、电流量：iG≈0，MOS管只讨论iD和iS，且iD=iS 2、电压量： VGS和VDS 。

3、大信号中讨论MOS管电压和电流的关系 。

2.3 CMOS器件1、截止区2.3.4 2.3.4 大信号模型 大信号模型VDS VGSVGS<VTH2、线性区ID=0VGS>VTH 且 VDS< (VGS-VTH )1 2⎤ ⎛ W ⎞⎡ ID = Cox μ ⎜ ⎟ ⎢(VGS −VTH )VDS − VDS ⎥ n L 2 ⎦ ⎝ ⎠⎣Cox单位面积栅电容；μn电子迁移率2.3 CMOS器件2、线性区1 2⎤ ⎛ W ⎞⎡ ID = Cox μ ⎜ ⎟ ⎢(VGS −VTH )VDS − VDS ⎥ n L 2 ⎦ ⎝ ⎠⎣2.3.4 2.3.4 大信号模型 大信号模型VGS>VTH 且 VDS< (VGS-VTH )讨论1、 VGS-VTH称为“过驱电压”或“有效电压”（ effective voltage），记为Veff，即Veff = VGS-VTH2、 Veff与VDS决定了管子的工作状态。

3、 如果VDS<<2Veff，称管子工作在深度线性区。

⎛W ⎞ ID ≈ Cox μ ⎜ ⎟(VGS −VTH )VDS n L ⎝ ⎠2.3 CMOS器件2、线性区1 2⎤ ⎛ W ⎞⎡ ID = Cox μ ⎜ ⎟ ⎢(VGS −VTH )VDS − VDS ⎥ n L 2 ⎦ ⎝ ⎠⎣2.3.4 2.3.4 大信号模型 大信号模型VGS>VTH 且 VDS< (VGS-VTH )讨论4、 当Veff = VGS-VTH时，ID达到最大值1 2 ⎛W ⎞ IDmax = Cox μ ⎜ ⎟(VGS −VTH ) n L 2 ⎝ ⎠2.3 CMOS器件3、饱和区2.3.4 2.3.4 大信号模型 大信号模型VGS>VTH 且 VDS> (VGS-VTH )1 2 ⎛W ⎞ ID = Cox μ ⎜ ⎟(VGS −VTH ) n L 2 ⎝ ⎠2.3 CMOS器件PMOS管 1、截止区 2、线性区2.3.4 2.3.4 大信号模型 大信号模型VGS<VTPID=0VGS<VTP 且 VDS> (VGS-VTP )1 2⎤ ⎛ W ⎞⎡ ID = −Cox μ ⎜ ⎟ ⎢(VGS −VTP )VDS − VDS ⎥ p L 2 ⎦ ⎝ ⎠⎣3、饱和区VGS<VTP 且 VDS< (VGS-VTP )1 2 ⎛W ⎞ ID = − Cox μ ⎜ ⎟(VGS −VTP ) p L 2 ⎝ ⎠2.3 CMOS器件1、体效应（body effect）2.3.5 2.3.5 二级效应 二级效应VTH = VTH 0 + γ ⎡ VSB + 2ΦF − 2ΦF ⎤ ⎣ ⎦2、沟道长度调制效应（channel-length modulation）有效沟道长度随VDS的增大而减小，漏极电流 随VDS的增大而略微增大。