模拟集成电路设计-MOS器件物理基础（模集系列持续更新）

学习目的

欠缺的学习路径：

1. 固体物理，半导体器件物理，器件模型，电路设计。
2. 所有的半导体器件都看成一个黑盒子，只关注端电压电流。
   最佳的学习路径：两手抓，因为有些二阶效应会影响到电路本身.
   本章节学习MOS器件的建模，研究MOS晶体管的结构然后推导它的I/V特性。会讲一些二阶效应，比如体效应、沟道长度调制效应和亚阈值传导等二级效应。会讨论下MOS的寄生电容问题，然后推导MOS的小信号模型及SPICE模型。

先验知识：掺杂、迁移率、pn结

基本概念

MOSFET开关

先讨论简化的模型

G、S、D分别表示简化模型中MOS管的三个端口，G是栅极（Gate），S是源极（Source），D是漏级（Drain）。在不施加任何电压的情况下MOS管是对称的，所以谁是源极谁是漏极就是看外部所加的电压。图示是一个n型的mos管，当我们给G极加高电平时，晶体管的漏级和源极就接到了一起，当我们给G极加低电平时，晶体管的漏极和源极就是断开的。

上面那段描述不是很精确，比如说多大的电压算高电平？（skip-1）器件导通（断开）时电阻多大？（skip-2）源漏电阻和各端电压有关系吗？（skip-3）有关系的话关系是怎么样的？我能不能用线性电阻来替代源漏之间的通路？器件的速度怎么样？【question-1】

看，我们提出了这么多疑问，接下来就慢慢的解答！

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MOSFET 结构

上图是NMOS的器件结构图，可以理解成用显微镜看到的结构。至于怎么做出来的NMOS，可以看这篇文章【question-2】。看到上面这张图，我们来学习一下MOS的一个大致结构。p型衬底我们一般称为bulk或者body，在衬底上掺入杂质形成两个重掺杂的n区（将来就是源极和漏极）。整个结构上面那个凸起，也就是重掺杂的多晶硅区（poly）是栅极，用一层$Si{O}_2$（栅氧层）将栅极和衬底隔离开来。整个器件起作用就起在栅氧层下面的衬底部分。

接下来我们看几个认为规定的物理量：

1. 栅长L和栅宽W：可以看到栅极长得像一个立方体，俯视图就是一个长方形，沿着源漏方向的栅极长度我们称为栅长$L$，与之垂直的方向的栅的长度我们称之为栅宽$W$（在集成电路工艺中往往$W$>$L$，但是在数学中我们常常把矩形的短边称为宽）。
2. 有效栅长LeffL_{eff}