25-第六章-等效电路-影响阈值电压的因素
阈值电压公式推导及理解
阈值电压公式推导及理解阈值电压是指在耦合或集成电路中，信号必须达到的最低电压或电流水平，以确保正确的信号传输和处理。
阈值电压通常用于比较器、放大器和逻辑门等电路中，其中电压或电流的变化需要达到一些特定的阈值才能引发特定的操作。
在本文中，我们将推导阈值电压的公式，并对其进行解释和理解。
阈值电压的公式推导如下：首先，我们考虑一个简单的比较器电路。
假设这个电路由两个输入引脚组成：一个是非反相输入（+）和一个是反相输入（-）。
当非反相输入的电压高于反相输入时，输出为高电平；当非反相输入低于反相输入时，输出为低电平。
接下来，我们假设比较器电路的增益为A，非反相输入的电压为Vin，反相输入的电压为Vref，输出的电压为Vout。
由于比较器是一个差分放大器，我们可以将输出电压Vout表示为：Vout = A(Vin - Vref)根据上述定义，当Vin-Vref的值超过阈值电压时，输出将改变状态。
我们将阈值电压表示为Vth。
因此，当Vin - Vref = Vth时，输出状态将改变。
将上述等式代入我们的公式中，可以得到：Vout = A(Vth)这个等式表明，输出电压的值取决于阈值电压和放大器的增益。
这也解释了为什么阈值电压对于电路的正确操作至关重要。
在实际的电路中，我们通常会设置一个接近指定阈值电压的电压参考源来确定阈值电压。
这样可以确保电路在预期的范围内工作。
理解阈值电压的概念对于电路设计和分析非常重要。
通过确保信号的电压或电流超过阈值电压，我们可以避免误差和干扰，提高电路的性能和可靠性。
此外，阈值电压还可以根据特定应用的要求进行调整和优化。
总结起来，阈值电压公式的推导和理解是电路设计和分析中的重要概念。
该公式描述了比较器电路中输出电压取决于阈值电压和放大器增益的关系。
理解阈值电压的概念有助于优化电路的性能和可靠性。
在实际应用中，我们可以根据具体的需求来调整和设置阈值电压，以确保电路的正确操作。
阈值电压公式推导及理解
阈值电压公式推导及理解阈值电压是指在某些电子元器件中，当输入信号的电压大于或等于该电压时，输出信号才会被激活。
阈值电压公式是一个重要的公式，可以帮助我们计算阈值电压的大小。
本文将介绍阈值电压公式的推导过程以及其理解。
首先，我们需要了解一个概念，即阈值电平。
阈值电平是指输入信号的电压达到某一水平时，输出信号会发生变化。
在阈值电平以下，输出信号保持不变。
在阈值电平以上，输出信号会发生变化。
接下来，我们来推导阈值电压公式。
假设我们有一个二极管，其正向电压为Vf，反向电压为Vr。
当二极管处于正向偏置状态时，其电路模型可以表示为一个电阻和一个电压源串联。
我们可以用欧姆定律和基尔霍夫电流定律来推导阈值电压公式：首先，根据欧姆定律，我们可以得到：I = (V - Vf) / R其中，I是电流，R是电阻，V是输入电压。
然后，由基尔霍夫电流定律得到：I = (V - Vr) / R其中，Vr是反向电压。
将这两个公式联立，可得：V - Vf = V - Vr即：Vf = Vr这就是阈值电压公式。
换句话说，当输入电压等于反向电压时，二极管开始导通，输出信号才会被激活。
理解阈值电压公式的关键是理解阈值电平的概念。
阈值电平是指输入信号的电压达到某一水平时，输出信号会发生变化。
阈值电压公式告诉我们，在什么情况下输入信号的电压可以达到阈值电平，从而激活输出信号。
总之，阈值电压公式是一个重要的公式，可以帮助我们计算阈值电压的大小。
理解阈值电压公式的推导过程和阈值电平的概念对于电子工程师来说是非常重要的。
电子科大微固学院专业课集成电路原理与设计课件第六章——考研专业全
王向展
2024年10月17日12时22分
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集成电路原理与设计 2、威尔逊电流镜 – Wilson Current Mirror
通过电流负反馈提高输出电阻，是一种改进型电流镜。
Iout I DS 2 VGS 2 VGS1 I DS1
参考电流Ir恒定
VDS1 (VGS 3 VGS 2 )
VGS3Iout并趋于原稳定值，即Iout 受Vout影响减弱，输出电阻提高。
图6.7威尔逊电流镜
王向展
2024年10月17日12时22分
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集成电路原理与设计
Rout
ro3
ro
2
1
ro3
gm
3
(13 ) gm1
1 gm2 ro2
rds1
gm
3
ro
集成电路原理与设计
第六章 MOS模拟集成电路
§ 6.1 MOS模拟集成电路基础 6.1.1 MOS模拟集成电路中的元件
§ 6.2 MOS模拟IC子电路 6.2.1 电流源与电流沉 6.2.2 电流镜和电流放大器 6.2.3 基准源 6.2.4 MOS差分放大器 6.2.5 反相放大器 6.2.6 输出级
VDD
R2 R1 R2
VREF对VDD的灵敏度：
VREF
S
VREF
VREF
VREF VDD
1
VDD
VDD VDD
VDD VREF
（a）电阻分压器
（b）有源器件分压器
图6.9 简单分压器
王向展
2024年10月17日12时22分
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集成电路原理与设计
2、pn结基准电压源 （1）简单的pn结基准源
阈值电压
φp
= − kT q
ln
Na ni
= −(60mV ) log 1×1016 1×1010
= −360mV
而（沟道）反型就是硅表面处的电子浓度在外加栅压的作用下达到了 p 型材料空穴的浓度， 那么表面沟道位置的电位就应为：
φn
=
kT q
ln
Na ni
= (60mV ) log 1×1016 1×1010
利用前面关于电场和介电常数的乘积在界面处保持不变的原理，
Eox
=
Es
εs ε ox
=
qN a xd ε ox
Vox
=
Eoxtox
=
qN a ε ox
tox
2ε s (−2φ p ) qN a
=
tox ε ox
qN a
2ε s (−2φ p ) qN a
= tox ε ox
2ε sqN a (−2φ p ) =
1．硅内部中性区电势
φ φ = 0 以本征载流子浓度所对应电势 ni 为参考电位，即 ni
。那么 p 型硅内准中性
φ 区电势 p
=
− kT q
ln
Na ni
，是小于 0 的。
2．空间电荷区电势中电势
dϕ 根据 dx
= − E ，对此区电场 E0 ( x) =
− qN a εs
( x − xd 0 ) 从 x 到 xd0 积分，
xd 0 − qN a dx
x
εs
2
0 − E0 (x) =
− qN a εs
xd 0
x
x
=
− qN a εs
(xd 0
−
x)
电路分析基础2电路的等效变换课件.pptx
u R1 R2
Rk
Rn
_
1. 电路特点: (a)各电阻两端分别接在一起，两端为同一电压(KVL)； (b) 总电流等于流过各并联电阻的电流之和 (KCL)。
i = i1+ i2+ …+ ik+ … +in
2. 等效电阻Req
i
i
+
i1 i2
ik
in 等效 +
u R1 R2
Rk
Rn
u
Req
_
_
左图: i = i1+ i2+ …+ ik+ in =u/R1 +u/R2 + …+u/Rn=u(1/R1+1/R2+…+1/Rn)
is is1 is2 isn isk
理想电流源的串联
电流值不相同的理想电流源不允许串联！
只有电流值相同的理想电流源才能串联。
1A
1A
1A
理想电压源与其他电路的并联，对外都等效于该电压源。
I
+
+
US X
U
-
-
I
+
+
US
U
-
-
左图: U=US ，与I无关
右图: U=US ，与I无关
如何求I ？
1k
1k 1k
I
E
1k 3k
1/3k 1/3k
I
1/3k
E
3k
1k
R=1/3+(1/3+1)//(1/3+3) k 1k
I
3k
3k
E 3k 3k
R=3//(1//3+3//3)k
《集成电路设计原理》试卷及答案
电科《集成电路原理》期末考试试卷一、填空题1.（1分） 年，第一次观测到了具有放大作用的晶体管。
2．（2分）摩尔定律是指 。
3.集成电路按工作原理来分可分为 、 、 。
4.（4分）光刻的工艺过程有底膜处理、涂胶、前烘、 、 、 、 和去胶。
5.（4分）MOSFET可以分为 、 、 、 四种基本类型。
6.（3分）影响MOSFET 阈值电压的因素有： 、 以及 。
7.（2分）在CMOS 反相器中，V in ，V out 分别作为PMOS 和NMOS 的 和 ； 作为PMOS 的源极和体端， 作为NMOS 的源极和体端。
8．（2分）CMOS 逻辑电路的功耗可以分为 和 。
9.（3分）下图的传输门阵列中5DD V V =,各管的阈值电压1T V V =，电路中各节点的初始电压为0，如果不考虑衬偏效应，则各输出节点的输出电压Y 1= V ，Y 2= V ，Y 3= V 。
DD 13210.（6分）写出下列电路输出信号的逻辑表达式：Y 1= ；Y 2= ；Y 3= 。
AB Y 1AB23二、画图题：（共12分）=+的电路图，要求使用的1．（6分）画出由静态CMOS电路实现逻辑关系Y ABD CDMOS管最少。
2.（6分）用动态电路级联实现逻辑功能Y ABC=,画出其相应的电路图。
三、简答题：（每小题5分，共20分）1.简单说明n阱CMOS的制作工艺流程，n阱的作用是什么？2.场区氧化的作用是什么，采用LOCOS工艺有什么缺点，更好的隔离方法是什么？3.简述静态CMOS 电路的优点。
4.简述动态电路的优点和存在的问题。
四、分析设计题：（共38分1.（12分）考虑标准0.13m μ CMOS 工艺下NMOS 管，宽长比为W/L=0.26/0.13m m μμ，栅氧厚度为2.6ox t nm =，室温下电子迁移率2220/n cm V s μ=，阈值电压T V =0.3V,计算 1.0GS V =V 、0.3DS V =V 和0.9V 时D I 的大小。
晶体管的阈值电压
晶体管的阈值电压晶体管是现代电子技术中最重要的器件之一，它具有放大、开关、振荡等多种功能。
而晶体管的阈值电压是晶体管工作的一个重要参数，它决定了晶体管是否能够正常工作。
本文将详细介绍晶体管的阈值电压。
一、晶体管的基本原理1.1 晶体管的结构晶体管由三个区域组成：发射区（Emitter）、基区（Base）和集电区（Collector）。
其中基区是控制电流的部分，发射区和集电区则是负责传输电流的部分。
1.2 晶体管的工作原理当向基极施加一个正向偏置电压时，会使得基极与发射极之间形成一个正向偏置结，这时发射极就会向基极注入少量载流子。
这些载流子在基区中扩散，并在集电极处被收集。
因此，在基极与发射极之间形成了一条导通路径，从而使得集电极上出现了一个较大的输出电流。
二、阈值电压的概念2.1 阈值电压的定义阈值电压指的是当晶体管处于截止状态时，需要施加在基极与发射极之间的电压大小。
只有当这个电压大于阈值电压时，晶体管才能够进入放大状态。
2.2 阈值电压的计算方法阈值电压可以通过测量晶体管的I-V特性曲线来计算。
在这个曲线中，当晶体管处于截止状态时，基极与发射极之间的电流非常小，可以忽略不计。
因此，在这种情况下，可以通过测量基极与发射极之间施加的电压来得到阈值电压。
三、影响阈值电压的因素3.1 材料和工艺晶体管中使用的材料和工艺对其阈值电压有很大影响。
例如，在使用硅材料制造晶体管时，其阈值电压通常会比使用砷化镓等其他材料制造晶体管时要高。
3.2 温度温度也是影响晶体管阈值电压的一个重要因素。
随着温度升高，载流子浓度会增加，从而使得晶体管更容易进入放大状态。
因此，在高温环境下，晶体管的阈值电压通常会降低。
四、晶体管阈值电压的应用4.1 作为开关使用在晶体管作为开关时，其阈值电压是非常重要的。
只有当施加在基极与发射极之间的电压大于阈值电压时，晶体管才能够进入导通状态，从而实现开关操作。
4.2 作为放大器使用在晶体管作为放大器时，其阈值电压也是一个重要参数。
MOS阈值电压VT
MOS阈值电压VT晶体管阈值电压晶体管阈值电压（Threshold voltage）：场效应晶体管（FET）的阈值电压就是指耗尽型FET的夹断电压与增强型FET的开启电压。
（1）对于JFET：耗尽型JFET的沟道掺杂浓度越高, 原始沟道越宽，则夹断电压就越高；温度升高时，由于本征载流子浓度的提高和栅结内建电势的减小, 则夹断电压降低。
对于长沟道JFET，一般只有耗尽型的器件；SIT（静电感应晶体管）也可以看成为一种短沟道JFET，该器件就是增强型的器件。
（2）对于MOSFET：*增强型MOSFET的阈值电压VT是指刚刚产生出沟道(表面强反型层)时的外加栅电压。
①对于理想的增强型MOSFET（即系统中不含有任何电荷状态，在栅电压Vgs = 0时，半导体表面的能带为平带状态），阈值电压可给出为VT = ( SiO2层上的电压V i ) + 2ψb = －[2εεo q Na ( 2ψb )] / Ci + 2ψb ,式中V i ≈ (耗尽层电荷Qb) / Ci，Qb =－( 2εεo q Na [ 2ψb ] )，Ci是单位面积的SiO2电容，ψb是半导体的Fermi势（等于本征Fermi能级Ei与Ef之差）。
②对于实际的增强型MOSFET，由于金属-半导体功函数差φms 和Si-SiO2系统中电荷的影响, 在Vgs = 0时半导体表面能带即已经发生了弯曲，从而需要另外再加上一定的电压——“平带电压”才能使表面附近的能带与体内拉平。
因为金属-半导体的功函数差可以用Fermi势来表示:φms = (栅金属的Fermi势ψG )－(半导体的Fermi势ψB ) ,ψb = ( kT/q ) ln(Na/ni) ，对多晶硅栅电极(通常是高掺杂)，ψg≈±0.56 V [+用于p型, －用于n 型栅]。
而且SiO2/Si 系统内部和界面的电荷的影响可用有效界面电荷Qf表示。
从而可给出平带电压为Vfb = φms－Qf /Ci 。
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Physics of Semiconductor Devices
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3. 饱和区的漏极电阻
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gds ＝0 对于实际MOSFET，饱和区输出特性曲线总有一定的倾斜， 使输出电导不等于零，即输出电阻不为无穷大。
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4. 串联电阻对电导gd和跨导gm的影响
① 对跨导的影响
由于MOSFET源区的体电阻、欧姆接触及电极引线等附加电阻 的存在，使源区和地之间有一个外接串联电阻RS：
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一 等效电路小信号参数
定义：
MOSFET的小信号特性是指在一定工作点上，输出端电流的 微小变化与输入端电压的微小变化之间有定量关系。这是一种 线性变化关系，可以用线性方程组描述小信号特性，其中不随 信号电流和信号电压变化的常数即小信号参数。
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2、模型参数
（1）电流参数：衬底－漏二极管电流IBD和衬底－源结二极管 电流IBS ；
（2）势垒电容：衬底－漏CBD和衬底－源结势垒电容CBS； （3）栅沟电容：栅－源覆盖电容C’GS 、栅－漏覆盖电容C’GD 、
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MOS瞬态电路模型（SPICE模型）
1、电路模型
电路模型是由栅源电容CGS、栅漏电容CGD栅衬电容CGB 、栅－源 覆盖电容C’GS 、栅－漏覆盖电容C’GD、MOS管中衬－源和衬－ 漏两个寄生PN结电容CBS和CBD 、源极半导体材料串联电阻rS 、 漏极半导体材料串联电阻rd ，沟道电流IDS 、衬－源和衬－漏两 个寄生PN结二极管电流IBS和IBD 、衬－源和衬－漏两个寄生PN 结电压UBS和UBD等构成。覆盖电容是指栅区与源、漏区相应覆 盖区域之间的电容。
1. 线性导纳
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在线性区的电阻称为开态电阻或导通电阻，可表示为：
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在UDS较小时， gdl与UDS无关。随着UDS的增大，但还未到 饱和区， gdl将会减小。此时有：
不可忽略
栅－衬底覆盖电容C’GB
3、工作区域
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（1）截止区：沟道尚未形成；栅－沟电容CGC等于栅－衬底的 电容CGB ；
（2）线性区：沟道已经形成；栅－沟电容CGC分解为栅－源电 容CGS和栅－漏电容CGD ；CGC ＝ CGS + CGD
（3）饱和区：沟道载流子电荷不随电极电压改变而改变。栅－ 漏电容为零： CGD ＝ 0 ；在临界饱和时，沟道开始夹断： VDS ＝ VGS – VT 。
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2. 跨导
线性区：
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饱和区： 饱和区的跨导与线性区的导纳相等
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Physics of Semiconductor Deonductor Devices
串联电阻（起负反馈作用）不能忽略时：
如果RSgm很大：
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② 对输出电导的影响
若漏区的外接串联电阻为RD ，在线性工作区受RS 及RD 影响的 有效输出电导：
说明：
1、RS 和RD会使跨导和输出电导变小； 2、在设计和制造OSFET时应尽量减少漏极和栅极串联电阻。
§6.6、6.8、6.9
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MOS场效应晶体管
Outline
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1、等效电路 2、频率响应 3、MOSFET的类型 4、影响阈值电压的其他因素 （1）掺杂浓度 （2）氧化层厚度 （3）衬底偏置
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i out gm V gs
CG ZLCox
总的栅电容
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输入电容Cin
输出电容
MOSFET的小信号等效电路
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MOSFET中的电容包括MOS电容，以及MOSFET的极间电容 CGS、 CGD 、 CGB 、 CBD 、 CBS 等。
理想情况下，对于任何超过夹断条件的漏极电压，漏极电流
为常数（电流与电压无关）。即对于VD>VDsat时的情况，漏极 电阻为无限大。饱和区漏极电阻定义为：
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饱和区电导gds
在理想情况，若不考虑沟道长度调制效应， IDS与UDS 无关。 饱和工作区的gds应为零，即输出电阻为无穷大。
二 频率特性
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截止频率f0定义为MOSFET的输入电流和输出电流相等时的频 率，即器件输出短路时，器件不能够放大输入信号时的频率。
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~
i in 2f (Cgs Cgd ) V gs 2f (ZLCox ) V gs
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