第二章-CMOS器件基础

第二章MOS器件物理基础在现代在现代ICIC工业中，必须充分掌握半导体器件的知工业中，必须充分掌握半导体器件的知识，这一点对于模拟电路的设计比数字电路更为重识，这一点对于模拟电路的设计比数字电路更为重要。要。模拟电路设计中，我们不能把晶体管等效为一个模拟电路设计中，我们不能把晶体管等效为一个简单的开关，晶体管的许多二级效应直接影响其性简单的开关，晶体管的许多二级效应直接影响其性能。能。ICIC技术的发展，使得器件尺寸按比例缩小，这些技术的发展，使得器件尺寸按比例缩小，这些效应变得更加重要。效应变得更加重要。设计者往往必须确定哪种效应在给定的电路中可以设计者往往必须确定哪种效应在给定的电路中可以被忽略，因此，深入了解器件的工作情况是非常有被忽略，因此，深入了解器件的工作情况是非常有价值的。价值的。主要内容主要内容★基本概念简化模型结构符号★I/V特性阈值电压I-V关系式跨导★二级效应体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性★器件模型版图、电容、小信号模型等一、基本概念一、基本概念G(Gate)栅极D(Drain)漏极S(Source)源极MOSFETMOSFET开关开关N型MOSFET问题：导通时VG的值(阈值电压)？源漏之间的电阻？源漏电阻与各端电压的关系？…※三个端口：栅、源、漏。※器件是对称的，源漏可以互换。※作为开关工作时，栅电压为高电压，则源漏相连；栅电压为低，源漏断开。NMOSNMOS管的简化结构管的简化结构NMOSNMOS制作在制作在PP型衬底上，型衬底上，两个重掺杂两个重掺杂NN区形成源区和区形成源区和漏区，重掺杂多晶硅区漏区，重掺杂多晶硅区（（polypoly）作为栅极，一层薄）作为栅极，一层薄SiO2SiO2绝缘层作为栅极与衬底绝缘层作为栅极与衬底的隔离。的隔离。NMOSNMOS管有效作用发生在管有效作用发生在栅氧下的衬底表面的导电沟栅氧下的衬底表面的导电沟道（道（channelchannel）上。）上。衬底Ldrawn：沟道总长度Leff：沟道有效长度，Leff＝Ldrawn－2LDMOSFETMOSFET的结构的结构LD：横向扩散长度（bulk、body）tox:氧化层厚度源极：提供载流子漏极：收集载流子MOS技术的发展主要的推动力就是在保证电性能的前提下，一代一代的缩小L和toxNN阱及阱及PMOSPMOS★MOSFET：Metal-OxideSemiconductorField-EffectTransistor，金属氧化物半导体场效应管★CMOS:互补MOS★n型MOSFET：载流子为电子；p型MOSFET：载流子为空穴阱：局部衬底MOSMOS管正常工作的基本条件管正常工作的基本条件MOS管正常工作的基本条件是:所有衬源（B、S）、衬漏（B、D）pn结必须反偏寄生二极管同一衬底上的同一衬底上的NMOSNMOS和和PMOSPMOS器件器件寄生二极管*N-SUB必须接最高电位VDD！*P-SUB必须接最低电位VSS！*阱中MOSFET衬底常接源极SMOS管所有pn结必须反偏:MOSMOS管符号管符号GG(a)(b)(c)四端器件，一般在模拟电路设计中采用。需要明确衬底电位！省去了衬底，默认为衬底与源极相连。用圆圈表示PMOS管。只区分管子类型。常用于数字电路二、二、I/VI/V特性特性阈值电压阈值电压VVTHNTHN：：表面反型层的电子浓度等于表面反型层的电子浓度等于PP型衬底的型衬底的多子浓度时栅极电压。多子浓度时栅极电压。VVTHNTHN与材料、掺杂浓度、栅氧化层电容等诸多因素有关。与材料、掺杂浓度、栅氧化层电容等诸多因素有关。器件制作时，可以通过杂质注入，改变氧化层表面附近器件制作时，可以通过杂质注入，改变氧化层表面附近的衬底掺杂浓度来控制阈值电压大小。的衬底掺杂浓度来控制阈值电压大小。MOSFETMOSFET的转移特性的转移特性NMOSNMOS管的输出特性管的输出特性首先来看VGS对电流的影响：★栅极电压超过阈值电压VTHN后开始出现电流；★VGS越大，栅极电流也越大；★体现了栅极对漏极电流有明显的控制作用；NMOSNMOS管的输出特性管的输出特性漏极电压VDS对ID的控制作用分为两段：线性区和饱和区★线性区和恒流区以预夹断点的连线为分界线，预夹断电压为：VDS=VGS-VTHN★在预夹断点之前，VDSVGS-VTHN，工作在线性区，ID随VDS增大而增大★在预夹断点之后，VDSVGS-VTHN，工作在恒流区，ID变化很小MOSMOS管的电流方程管的电流方程NMOSPMOSMOSMOS管的电流方程管的电流方程1.迁移率μn:电子迁移率μp:空穴迁移率若μn≈1300cm2/s·Vμp≈500cm2/s·V则：μn/μp=2.6一般情况下，μn/μp=2~4，空穴迁移率小于电子迁移率。因此，PMOS器件具有较低的电流驱动能力，工作速度比NMOS要慢。MOSMOS管的电流方程管的电流方程2.Cox单位面积栅电容Cox=ɛ0ɛsio2/toxɛ0：真空介电常数，8.854x10-12F/mƐsio2：栅氧化层（SiO2）的相对介电常数3.9tox：栅氧化层厚度可以计算：当tox=50A（1A=0.1nm）时，Cox=(8.854x10-12x3.9x10-6)/5x10-3=6.9fF/μm2(1fF=10-15F）(学会如何计算，注意单位统一）MOSMOS管的电流方程管的电流方程3.W/L,沟道宽度和沟道长度之比电流与器件宽长比成正比。器件的最小沟道长度Lmin标志着工艺水平，W表示器件的大小，W越大，管子电流越大，导电能力越强，等效电阻越小。MOSMOS管的电流方程管的电流方程4.VTHN，VTHP为开启电压，假设VDD=5V增强型NMOS管VTHN≈（0.14~0.18）VDD≈（0.7~0.9）V增强型PMOS管VTHP≈-0.16VDD≈-0.8V通过工艺控制可以将阈值电压降低，从而使器件适合于低电源工作。MOSMOS管的电流方程管的电流方程5.λn，λp，沟道长度调制系数，即VDS对沟道长度的影响对于NMOS管，λn≈1/VA≈0.01/Vλp≈1/VA≈0.02/VVA是厄尔利电压电流计算举例电流计算举例对于典型的0.5μm工艺线，忽略沟道长度，主要参数如下图所示：假设一NMOS管，W=3μm，L=2μm，在恒流区。若VGS=2V，则ID=0.5K’（W/L)(VGS-VTHN)2=0.5*73*(3/2)*(2-0.7)2=93μA若VGS=5V，则ID=0.5*73*(3/2)*(5-0.7)2=1mAMOSFETMOSFET的的I/VI/V特性总结特性总结TriodeRegionVDSVGS-VT沟道电阻随VDS增加而增加导致曲线弯曲曲线开始斜率正比于VGS-VTVDSVGS-VTH用作恒流源条件：工作在饱和区且VGS＝const！MOSMOS管饱和的判断条件管饱和的判断条件NMOS饱和条件：VgsVTHN；Vds≥Vgs-VTHNPMOS饱和条件:VgsVTHP；Vds≤Vgs＋|VTHP|gdgd判断MOS管是否工作在饱和区时，不必考虑Vsd的绝对电压。MOSFETMOSFET的跨导的跨导ggmm跨导：漏电流的变化量除以栅源电压的变化量，代表器件的灵敏度，对于一个大的gm，VGS的微小变化会引起ID的很大变化。IDnCox2WL(VGSVTH)2MOSMOS管的输出电阻管的输出电阻线性区的输出电阻线性区的输出电阻根据线性区电流方程（假定根据线性区电流方程（假定VVDSDS《《22（（VVGSGS--VVTHTH))))：：于是：于是：可知，深线性区的输出电阻是可知，深线性区的输出电阻是VVGSGS的函数，的函数，VVGSGS越大，越大，RonRon越越小，因此可称为亚控电阻，或者可变电阻区。小，因此可称为亚控电阻，或者可变电阻区。假设：假设：μμnCoxnCox=50=50μμA/VA/V22,W/L=10,Vth=0.7V,,W/L=10,Vth=0.7V,可计算得出可计算得出Ron=465Ron=465ΩΩMOSMOS管的输出电阻管的输出电阻恒流区的输出电阻恒流区的输出电阻根据恒流区电流方程，有：根据恒流区电流方程，有：若若VA=200VVA=200V，工作点电流，工作点电流IIDQDQ=1mA=1mA，则，则工作点越低，工作点越低，IIDQDQ越小，输出电阻越大越小，输出电阻越大MOSMOS模拟开关模拟开关MOS管D、S可互换，电流可以双向流动。•可通过栅源电源（Vgs）方便控制MOS管的导通与关断。关断后Id≈0三、二级效应三、二级效应★前面VTH、I/V、gm等推导都是基于最简单假设※忽略了VDS对L的影响等二级效应★二级效应是AIC设计必须要考虑的因素※会对电路一些性能指标带来不可忽视的影响如输出电阻RO、体效应引起的体跨导gmb★包括※体效应、沟长调制效应、亚阈值导电性、热载流子效应、速度饱和、垂直电场引起的迁移率退化、温度特性等在集成电路设计中，在同一硅片衬底上做许多管子，为在集成电路设计中，在同一硅片衬底上做许多管子，为保证它们正常工作，一般保证它们正常工作，一般NN管衬底要全部接最低点位，管衬底要全部接最低点位，PP管衬底接最高点位，因此，有些管子源极与衬底之间存在管衬底接最高点位，因此，有些管子源极与衬底之间存在电位差。电位差。为了保证沟道与衬底之间的隔离，为了保证沟道与衬底之间的隔离，PNPN结必须反偏，图中结必须反偏，图中T2T2管的管的VbsVbs00当当VbsVbs00时，导致阈值电压时，导致阈值电压VthVth增大，沟道变窄，沟道电增大，沟道变窄，沟道电阻变大，阻变大，IDID减小，称此效应为体效应，或者背栅效应，减小，称此效应为体效应，或者背栅效应，衬底调制效应。衬底调制效应。二级效应二级效应11：体效应：体效应0THVTHV体效应举例体效应举例无体效应源极跟随器有体效应正常情况下，我们不希望出现体效应，阈值电压的变化会使得模拟电路设计复杂化。MOSMOS管体效应的管体效应的PspicePspice仿真结果仿真结果Vb=0.5vVb=0vVb=-0.5vIdVg体效应的应用：•利用衬底作为MOS管第3个输入端•利用VT减小用于低压电源电路设计2010/11/434MOS器件物理基础当沟道夹断后，当当沟道夹断后，当VVDSDS增大时，沟道长度逐渐减小，增大时，沟道长度逐渐减小，即有效沟道长度即有效沟道长度LL’’是是VVDSDS的函数。的函数。定义定义LL’’=L=L--ΔΔLL，，ΔΔL/L=L/L=λλVVDSDSλλ为为沟道长度调制系数。沟道长度调制系数。二级效应二级效应22：沟道长度调制效应：沟道长度调制效应MOSMOS管沟道调制效应的管沟道调制效应的PspicePspice仿真结果仿真结果VGS-VT=0.15V,W=100µ∂ID/∂VDS∝λ/L∝1/L2Ｌ=2µＬ=6µＬ=4µ2010/11/436MOS器件物理基础当当VGSVGSVVTHTH时和略小于时和略小于VVTHTH，，““弱弱””反型层依然存在，反型层依然存在，与与VGSVGS呈现指数关系。当呈现指数关系。当VVDSDS大于大于200mV200mV时，时，这里这里ζζ11，，VVTT＝＝kT/qkT/q二级效应二级效应33：亚阈值导电性：亚阈值导电性MOS管亚阈值电流ID一般为几十~几百nA,常用于低功耗放大器、带隙基准设计。2010/11/437MOS器件物理基础栅氧击穿栅氧击穿过高的过高的GSGS电压会引起栅击穿。电压会引起栅击穿。““穿通穿通””效应效应过高的过高的DSDS电压，漏极周围的耗尽层变宽，会到电压，漏极周围的耗尽层变宽，会到达源区周围，产生很大的漏电流。达源区周围，产生很大的漏电流。其他二级效应：电压限制其他二级效应：电压限制四、器件模型四、器件模型MOSMOS器件版图器件版图MOS器件鸟瞰图和俯视图★MOS器件的版图由电路中所要求的电特性和