第3章-MOS集成电路器件基础

第三章MOS集成电路器件基础第三章MOS集成电路器件基础3.1MOS场效应管(MOSFET)的结构及符号3.2MOS管的电流电压特性3.3MOS电容3.4MOS管的Spice模型参数3.5MOS管小信号等效电路第三章MOS集成电路器件基础3.1MOS场效应管(MOSFET)的结构及符号3.1.1NMOS管的简化结构NMOS管的简化结构如图3-1所示。由图中可见，该器件制作在P型衬底上(P-Substrate,也称bulk或body,为了区别于源极S，衬底以B来表示)，两个重掺杂N区形成源区和漏区，重掺杂多晶硅区(Poly)作为栅极，一层薄SiO2绝缘层作为栅极与衬底的隔离。NMOS管的有效作用就发生在栅氧下的衬底表面——导电沟道(Channel)上。第三章MOS集成电路器件基础由于源漏结的横向扩散，栅源和栅漏有一重叠长度为LD，所以导电沟道有效长度(Leff)将小于版图中所画的导电沟道总长度。我们将用L表示导电沟道有效总长度Leff，图3-1中W表示沟道宽度。在今后的学习中，我们将会发现，宽长比(W/L)和氧化层厚度tox这两个参数对MOS管的性能是多么重要。而MOS技术发展中的主要推动力就是在保证电性能参数不下降的前提下，一代一代地缩小沟道长度L和氧化层厚度tox。第三章MOS集成电路器件基础图3-1NMOS管的简化结构多晶硅GSD氧化层LeffLdrawnN＋N＋P型衬底LDW第三章MOS集成电路器件基础3.1.2N阱及PMOS为了使MOS管的电流只在导电沟道中沿表面流动而不产生垂直于衬底的额外电流，源区、漏区以及沟道和衬底间必须形成反偏的PN结隔离，因此，NMOS管的衬底B必须接到系统的最低电位点(例如“地”)，而PMOS管的衬底B必须要接到系统的最高电位点(例如正电源UDD)。衬底的连接如图3-2(a)、(b)所示。第三章MOS集成电路器件基础图3-2(a)PMOS管；(b)NMOS管N＋P＋P＋BSGDN型衬底(a)BSGDP＋N＋N＋P型衬底(b)UDD第三章MOS集成电路器件基础在互补型CMOS管中，在同一衬底上制作NMOS管和PMOS管，因此必须为PMOS管做一个称之为“阱(Well)”的“局部衬底”，如图3-3所示。第三章MOS集成电路器件基础图3-3互补型CMOS管N阱中的PMOSP＋N＋N＋BSGDP型衬底P＋GP＋DN＋BN阱S第三章MOS集成电路器件基础3.1.3MOS管符号增强型MOS管的4种常用符号如图3-4所示，其中NMOS管的衬底B应接地，PMOS管的衬底B接UDD。第三章MOS集成电路器件基础图3-4MOS管常用符号DBSGNMOSSBDGPMOS(a)DNMOSBGSSPMOSBGD(b)DSNMOSSDGPMOS(c)DNMOSGSSPMOSGD(d)G第三章MOS集成电路器件基础反型层uDS不变，uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚。当反型层将两个N区相接时，管子导通。N沟道增强型管SiO2绝缘层第三章MOS集成电路器件基础N沟道耗尽型管加正离子uGS=0时就存在导电沟道。第三章MOS集成电路器件基础3.2MOS管的电流电压特性3.2.1MOS管的转移特性图3-5给出增强型NMOS管和PMOS管工作在恒流区的转移特性，其中UTHN(UTHP)为开启电压，或称阈值电压(ThresholdVoltage)。在半导体物理学中，NMOS的UTHN定义为界面反型层的电子浓度等于P型衬底的多子浓度时的栅极电压。第三章MOS集成电路器件基础UTHN与材料、掺杂浓度、栅氧化层电容等诸多因素有关。在器件制造过程中，还可以通过向沟道区注入杂质，从而改变氧化层表面附近的衬底掺杂浓度来控制阈值电压的大小。工作在恒流区的MOS管漏极电流与栅压成平方律关系。第三章MOS集成电路器件基础图3-5MOS管的转移特性－uGSiD－iDPMOSuGSUTHPUTHNNMOSO第三章MOS集成电路器件基础图3-6增强型NMOS的输出特性线性区饱和区(恒流区)IDUGS＝5VUGS＝2.5VUGS＝1.5VUDSO第三章MOS集成电路器件基础3.2.2MOS管的输出特性•栅极电压超过阈值电压UTHN后，开始出现电流且栅压uGS越大，漏极电流也越大的现象，体现了栅压对漏极电流有明显的控制作用。•漏极电压UDS对漏极电流ID的控制作用基本上分两段，即线性区(Linear)和饱和区(Saturation)。•为了不和双极型晶体管的饱和区混淆，我们将MOS管的饱和区称为恒流区，以表述UDS增大而电流ID基本恒定的特性。第三章MOS集成电路器件基础线性区和恒流区是以预夹断点的连线为分界线的(图3-6中虚线所示)。在栅压UGS一定的情况下，随着UDS从小变大，沟道将发生如图3-7所示的变化。从图中可见，若UDS=UGS-UTH(3-1)则沟道在漏区边界上被夹断，因此该点电压称为预夹断电压。第三章MOS集成电路器件基础在此点之前，即UDSUGS-UTH(3-2)管子工作在线性区，此时UDS增大，ID有明显的增大。而在预夹断点之后，即UDSUGS-UTH(3-3)管子工作在恒流区，此时UDS增大，大部分电压降在夹断区，对沟道电场影响不大，因此电流增大很小。第三章MOS集成电路器件基础图3-7ＵDS对沟道的影响电流源区(N＋)漏区(N＋)反型层UDS＜UGS－UTH(线性区)UDS＝UGS－UTH(预夹断)UDS＞UGS－UTH(恒流区)电流电流源区(N＋)源区(N＋)漏区(N＋)漏区(N＋)第三章MOS集成电路器件基础3.2.3MOS管的电流方程NMOS管在截止区、线性区、恒流区的电流方程如式(3-4)所示：)1(2])(2[2022DSnTHNGSoxnDSDSTHNGSoxnDNUUULWCUUUULWCIUGSUTHN(截止区)UDSUGS-UTHN(线性区)UDSUGS-UTHN(恒流区)第三章MOS集成电路器件基础PMOS在截止区、线性区、恒流区的电流方程如式(3-5)所示：)1(2])(2[2022DSpTHPGSoxpDSDSTHPGSoxPDPUUULWCUUUULWCI|UGS||UTHP|(截止区)|UDS||UGS|-|UTHP|(线性区)|UDS||UGS|-|UTHP|(恒流区)第三章MOS集成电路器件基础式中参数含义如下：(1)μn——电子迁移率(单位电场作用下电子的迁移速度)；μp——空穴迁移率(单位电场作用下空穴的迁移速度)。若μn≈1300cm2/s·V(3-6)μp≈500cm2/s·V(3-7)则6.25001300pn(3-8)第三章MOS集成电路器件基础(2)Cox——单位面积栅电容，且oxSiOoxtsC20(3-9)(3)W/L——沟道宽度和沟道长度之比。由式(3-4)、(3-5)可知，电流与宽长比(W/L)成正比。第三章MOS集成电路器件基础(4)UTHN、UTHP——开启电压(阈值电压)。假设UDD=5V，则增强型NMOS管：UTHN≈(0.14～0.18)UDD≈0.7～0.9V增强型PMOS管：UTHP≈-0.16|UDD|≈-0.8V耗尽型MOS管：UTH≈-0.8UDD≈-4V第三章MOS集成电路器件基础UTH的温度系数大约为：CmVdTdUCmVdTdUTHTH/2/4重掺杂轻掺杂第三章MOS集成电路器件基础(5)λn、λp——沟道调制系数，即UDS对沟道长度的影响。对NMOSVUVUApAn/02.01/01.01对PMOS式中，UA为厄尔利电压(EarlyVoltage)，其意义如图3-8所示。第三章MOS集成电路器件基础图3-8沟道调制系数λ=1/UAUA(厄尔利电压)OiDUGSuDS第三章MOS集成电路器件基础对于典型的0.5μm工艺的MOS管，忽略沟道调制效应，其主要参数如表3-1所示。表3-10.5μm工艺MOS管的典型参数第三章MOS集成电路器件基础假定有一NMOS管，W=3μm,L=2μm,在恒流区则有:AVVmmVAUULWKIVUTHGSDGS93)7.02(23/7321)(22222若UGS=5V,则mAVVmmVAID0.1)7.05(23/732122第三章MOS集成电路器件基础3.2.4MOS管的输出电阻1.线性区的输出电阻根据线性区的电流方程(式(3-4b))，当UDS很小(UDS2(UGS-UTH))时，可近似有DSHTGSoxnDSDSHTGSoxnDUUULWCUUUULWCI)(])(2[22(3-10)第三章MOS集成电路器件基础那么，输出电阻RON为)(1THGSoxnDDSONUULWCIUR(3-11)第三章MOS集成电路器件基础2.恒流区的输出电阻根据恒流区的电流方程(式(3-4c))，有DQADQnTHGSoxnnDDSONIUIUULWCIUR1)(212(3-12)若UA=200V,工作点电流ID=1mA，则kmVVIURDQAON2001200工作点越低，IDQ越小，输出电阻越大。第三章MOS集成电路器件基础3.2.5MOS管的跨导gm恒流区的电流方程在忽略沟道调宽影响时为平方律方程，即22THGSoxnDUULWCI(3-13)那么UGS对ID的控制能力参数gm为THGSDDoxnTHGSoxnGSDmUUIILWCUULWCUIg22)((3-14a)(3-14b)(3-14c)第三章MOS集成电路器件基础可见，在W/L不变的情况下，gm与(UGS-UTH)成线性关系，与ID的平方根成正比；在ID不变的情况下，gm与(UGS-UTH)成反比。其变化曲线分别如图3-9(a)、(b)、(c)所示。第三章MOS集成电路器件基础图3-9gm随电压(UGS-UTH)和漏电流ID的变化关系曲线gmOUGS－UTHgmOID(W/L)不变(W/L)不变(a)(b)gmOID不变(c)UGS－UTH第三章MOS集成电路器件基础3.2.6体效应与背栅跨导gmb前面所有结论是在衬底与源极等电位的前提下得出来的，但在集成电路中，在同一硅片衬底上要做许多管子，为保证它们正常工作，一般N管的衬底要接到全电路的最低电位点,P管的衬底接到最高电位点UDD。第三章MOS集成电路器件基础图3-10UBS的MOS管（V2）V2V1G2G1S2B1S1UDDB2第三章MOS集成电路器件基础当UBS0时，沟道与衬底间的耗尽层加厚，导致阈值电压UTH增大，沟道变窄，沟道电阻变大，iD减小，人们将此称为“体效应”、“背栅效应”或“衬底调制效应”。考虑体效应后的阈值电压UTH为BSTHOTHUUU2(3-15)式中：UTHO——UBS=0时的阈值电压；γ——体效应系数，γ的典型值在0.3V1/2～0.4V1/2之间。第三章MOS集成电路器件基础引入背栅跨导gmb来表示UBS对漏极电流的影响，其定义为BSDmbUIg(3-16a)通常用跨导比η来表达背栅跨导gmb与栅跨导gm的关系：2.0~1.0mmbgg(3-16b)式中的gm为栅跨导(gm=ID/UGS)。第三章MOS集成电路器件基础3.2.7场效应管亚阈区特性实验和理论证明，MOS管在弱反型层向强反型层过渡的区域已经存在电流，不过该电流很小，因此通常人们认为只有当栅压UGS超过阈值电压UTH后才出现电流。UGSUTH，即弱反型层向强反型层过渡的区域称为“亚阈区”。在亚阈区，MOS管的电流电压关系不符合“平方律”关系，而符合指数关系，这一点与双极型管的电流电压特性相似。同样，通过实验与理论可以证明亚阈区的电流电压关系为