第一章-CMOS电路中的器件及其模型解析

DepartmentofMicroelectronics,PKU，XiaoyanLiu第一章CMOS电路中的器件及其模型第一节MOSFET基础第二节MOSFET的SPICE模型DepartmentofMicroelectronics,PKU，XiaoyanLiu第一节MOSFET基础MOSFET的基本结构MOSFET的基本原理MOSFET的稳态特性MOSFET的动态特性MOSFET的二级效应DepartmentofMicroelectronics,PKU，XiaoyanLiu第一节MOSFET基础MOSFETMetal-Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistor金属－氧化物－半导体场效应晶体管四端器件：栅Gate源Source漏Drain衬底BodyDepartmentofMicroelectronics,PKU，XiaoyanLiuSDG多晶硅有源区金属WLSiO2SiO2n+n+SDLp-SitoxxjGMOS晶体管的结构版图剖面图B关键参数：沟道长度L沟道宽度W栅氧化层厚度Tox衬底掺杂浓度Nsub源漏pn结结深xjDepartmentofMicroelectronics,PKU，XiaoyanLiu实际沟道长度L=LG–2LDP-SiLDL(drawn)LDLn+n+n+n+杂质的横向扩散实际沟道宽度Da场氧化产生的鸟嘴DepartmentofMicroelectronics,PKU，XiaoyanLiu沟道宽度=4wW=W1+W2+W3W=4WSSSSDDDDepartmentofMicroelectronics,PKU，XiaoyanLiuMOS晶体管的电势分布DepartmentofMicroelectronics,PKU，XiaoyanLiuMOS晶体管的分类DepartmentofMicroelectronics,PKU，XiaoyanLiuI－V特性•简单电流方程•四端器件的完整电流方程•亚阈值区电流方程•MOS晶体管的主要直流参数DepartmentofMicroelectronics,PKU，XiaoyanLiuMOSFET的工作过程及I－V特性亚阈线性饱和IDSVtVG－VtVGDepartmentofMicroelectronics,PKU，XiaoyanLiuMOSFET的输入、输出特性曲线DepartmentofMicroelectronics,PKU，XiaoyanLiuMOS管的电流电压NMOS管的I~V特性推导NMOS管的电流——电压关系式：设：VgsVtn，且Vgs保持不变，则：沟道中产生感应电荷，根据电流的定义有：其中：电子平均传输时间栅下感应总电子电荷数QcIdsL沟道长度电子运动速度DepartmentofMicroelectronics,PKU，XiaoyanLiun=n*Edsn为电子迁移率（cm²/v*sec）Eds=Vds/L沟道水平方向场强代入：n=（n*Vds）/L代入：关键是求Qc，需要分区讨论：dsnVL2（1）线性区：Vgs-VtnVds设：Vds沿沟道区线性分布则：沟道平均电压等于Vds/2由电磁场理论可知：Qc=eoeoxEgWL其中：tox为栅氧厚度eo为真空介电常数eox为二氧化硅的介电常数W为栅的宽度L为栅的长度toxVdsVtnVgsEg2/)(令：Cox=(eoeox)/tox单位面积栅电容K=Coxn工艺因子βn=K(W/L)导电因子则：Ids=βn[(Vgs-Vtn)-Vds/2]Vds——线性区的电压-电流方程当工艺一定时，K一定，βn与（W/L）有关。电子的平均传输时间∝L²。222ooxooxnoxoxnVdsVgsVtnWLQcWVdsIdsVgsVtnVdsLVdstLteeee（2）饱和区：Vgs-VtnVdsVgs-Vtn不变，Vds增加的电压主要降在△L上，由于△LL，电子移动速度主要由反型区的漂移运动决定。所以，将以Vgs-Vtn取代线性区电流公式中的Vds得到饱和区的电流—电压表达式：LSDVdsVds-(Vgs-Vtn)Vgs-Vtn22VtnVgsnIdsPMOS管I~V特性电流-电压表达式：线性区：Isd=βp|Vds|(|Vgs|-|Vtp|-|Vds|/2)饱和区：Isd=(βp/2)(|Vgs|-|Vtp|)²-VgsGN-Si衬底SDIsd=-IdsIdsVddPP-VdsDepartmentofMicroelectronics,PKU，XiaoyanLiu|Ids|输出特性曲线|Vds|0线性区饱和区|Vg5||Vg4||Vg3||Vg2||Vg1|Vgs-t0DepartmentofMicroelectronics,PKU，XiaoyanLiuMOSFET主要直流参数•阈值电压•导电因子•体效应系数•跨导•导通电阻（沟道电导的倒数）•亚阈值斜率DepartmentofMicroelectronics,PKU，XiaoyanLiu定义：使源端半导体表面达到强反型的栅压。MOSFET稳态特性阈值电压VT=VFB+VB+Vox源端强反型时的VGS平带电压降在MOS结构上的自建势oxoxFBCQVMS降在半导体上的压降，强反型时为－2φf降在栅氧化层上的压降QBM/CoxDepartmentofMicroelectronics,PKU，XiaoyanLiu阈值电压Vt：Vt是晶体管的一个重要参数。计算表明，Vt的公式为：其中：：费米能级q：电子电量：平带电压：衬底掺杂浓度：Si的介电常数：栅氧化层厚度：衬底与源极间所加的偏置电压SBFBsiOXOXFBFTVqNTVV222eeFFBVBNsieSBVOXT直流导通电阻漏源电压Vds与漏源电流Ids的比值称为直流导通电阻Ron，即：1、非饱和区的直流导通电阻当Vds趋于零时，dsdsonIVR2122dstgsdsdstgsdsonVVVVVVVVR线tgsVonVVRds1|0线2、饱和区的直流导通电阻临界饱和点：Vds=Vgs-Vt，•即在临界饱和点的直流导通电阻为线性区Vds=0时的直流导通电阻的两倍：22tgsdsonVVVR饱21|tgsVVVonVVRtgsds饱0|2|dstgsdsVonVVVonRR线饱*栅源直流输入电阻：对于结构完整的热生长SiO2，厚度在1500左右时，电阻可达以上。这样高的输入阻抗，使MOS电路具有很可贵的特性：（1）当一个MOS管驱动后面的MOS电路时，由于后面不取电流，所以静态负载能力很强。（2）由于输入阻抗很高，使栅极漏电流很小。在室温下，Vds为零时，栅极漏电流一般只有左右。这样可以将信息在输入端的栅电容上暂存一定时间，这就为MOS动态电路创造了条件。1210oAA1410DepartmentofMicroelectronics,PKU，XiaoyanLiu（1）短沟效应和窄沟效应（2）载流子迁移率受垂直电场的影响（3）漏感应势垒降低（DIBL）效应（4）载流子速度饱和效应（5）沟道长度调制效应（6）热载流子效应（7）亚阈区电流MOSFET的二级效应DepartmentofMicroelectronics,PKU，XiaoyanLiuMOSFET动态特性MOS晶体管的电容MOS晶体管的小信号模型DepartmentofMicroelectronics,PKU，XiaoyanLiuMOS晶体管的电容本征电容寄生电容DepartmentofMicroelectronics,PKU，XiaoyanLiuMOS晶体管的本征电容-----++++++++++++----p-SiVVVSGBDVQGQQcBn+n+DepartmentofMicroelectronics,PKU，XiaoyanLiu本征电容模型Meyer模型电荷守恒模型dtdVVCi)(dtdQi3个集总电容：,,GBGTGBGDGTGDGSGTGSVQCVQCVQC)(BTCTGTQQQ导通后CTGTQQMeyer模型DepartmentofMicroelectronics,PKU，XiaoyanLiu本征电容的简单分区模型工作区CGBCGSCGD截止区WLCox00线性区01/2WLCox1/2WLCox饱和区02/3WLCox0DepartmentofMicroelectronics,PKU，XiaoyanLiutVVQtVVQtVVQtVVQdtdQiBBxDDxSSxGGxx,,yxxyyxxyCCyxVQC电荷守恒模型DepartmentofMicroelectronics,PKU，XiaoyanLiuMOSFET中的寄生电容MOS晶体管的寄生电容栅-源、栅-漏覆盖电容n+n+CGS'C'GDLD00','''GDGDGSGSoxDGDGSWCCWCCCWLCCCGBovCGBovLLF0'GBoxFFGBLCCLLC栅-衬底覆盖电容DepartmentofMicroelectronics,PKU，XiaoyanLiu源漏结电容DepartmentofMicroelectronics,PKU，XiaoyanLiuCj=Cjo[1–Vj/Vb]-m突变结m=1/2线性缓变节m=1/3DepartmentofMicroelectronics,PKU，XiaoyanLiuDepartmentofMicroelectronics,PKU，XiaoyanLiuCj=Cjo[1–Vj/Vb]-mMOS晶体管的低频小信号模型特点：小信号－－非线性部分可用线性响应替代可以把MOSFET的偏置分为工作点和小信号两部分由于是线性响应，小信号之间是相互独立的小信号电流定义参数跨导输出电导背栅跨导DepartmentofMicroelectronics,PKU，XiaoyanLiuMOS晶体管的小信号模型•跨导线性区饱和区•输出电导线性区饱和区•背栅跨导线性区饱和区)(TGSGSDmVVVIgDSGSDmVVIg)(DSTGSDSDdVVVVIg2)(TGSdVVKgBSTDSBSDmbVVVVIgBSTTGSmbVVVVg)(参数DepartmentofMicroelectronics,PKU，XiaoyanLiuMOS晶体管的低频小信号模型MOS晶体管的高频小信号模型饱和时DepartmentofMicroelectronics,PKU，XiaoyanLiu数字电路中MOSFET的电容简化模型VinCinVoutCoutDBoutoxinCCWLCCVoutCwVinCDB2CDB1CGD12M2M1M4M3Vout2CG4CG3wiring(interconnect)capacitanceintrinsicMOStransistorcapacitancesVout2VinextrinsicMOStransistor(fanout)capacitancesVoutCLndrainpdrain数字电路中的电容DepartmentofMicroelectronics,PKU，XiaoyanLiu半导体器件模型半导体器件模型简介Themodelisalwaysdistinctfromthephysicaldevice.模型总是近似的（但分为不同的层次）适于电路模拟的器件模型Compactmodel简练模型DepartmentofMicroelectronics,PKU，XiaoyanLiu简练模型的要求：准确反映