拉扎維模擬集成電路精講ppt第一講mos器件特性分析

1、第二章第二章 MOSMOS器件物理基礎(chǔ)器件物理基礎(chǔ)2.1 2.1 基本概念基本概念襯底Ldrawn：溝道總長(zhǎng)度Leff：溝道有效長(zhǎng)度， Leff Ldrawn2 LDLD：橫向擴(kuò)散長(zhǎng)度（bulk、body）N阱 CMOS技術(shù) MOSFET是一個(gè)四端器件MOS符號(hào)MOS管正常工作的基本條件寄生二極管2.2 MOS2.2 MOS的的I/VI/V特性特性同一襯底上的NMOS和PMOS器件寄生二極管*N-SUB必須接最高電位VDD！*P-SUB必須接最低電位VSS！*阱中MOSFET襯底常接源極SNMOS器件的閾值電壓VTH(a)柵壓控制的MOSFET (b)耗盡區(qū)的形成(c)反型的開(kāi)始 (d)反型層

2、的形成 閾值電壓（ VTH ）定義 NFET的VTH通常定義為界面的電子濃度等于P型襯底的多子濃度時(shí)的柵壓。 MS是多晶硅柵和硅襯底的功函數(shù)之差； q是電子電荷，Nsub是襯底摻雜濃度，Qdep是耗盡區(qū)電荷，Cox是單位面積的柵氧化層電容； si表示硅介電常數(shù)。 “本征”閾值電壓 通過(guò)以上公式求得的閾值電壓，通常成為“本征”閾值電壓. 在器件制造工藝中，通常通過(guò)向溝道區(qū)注入雜質(zhì)來(lái)調(diào)整VTHQd：溝道電荷密度Cox：?jiǎn)挝幻娣e柵電容溝道單位長(zhǎng)度電荷(C/m)WCox：MOSFET單位長(zhǎng)度的總電容Qd(x)：沿溝道點(diǎn)x處的電荷密度V(x)：溝道x點(diǎn)處的電勢(shì)I/V特性的推導(dǎo)（1）電荷移動(dòng)速度(m/s)

3、V(x)|x=0=0, V(x)|x=L=VDSdI = Q .vdoxGSTHQ =W C (V- V )doxGSTHQ (x) = WC (V- V(x) - V)I/V特性的推導(dǎo)（2）對(duì)于半導(dǎo)體：DoxGSTHI= -WC V- V(x) - V= = E Ed dV V( (x x) )E E( (x x) ) = = - -d dx x且DoxGSTHndV(x)I= WCV- V(x) - VdxdVDSVLDoxnGSTHx=0V=0I d(x) =WCV- V(x) - V DSVL2D0noxGSTH01I x= WC (V- V)V(x) -V(x) 22DnoxGSTH

4、DSDSW1I=C(V- V )V-VL2三極管區(qū)的MOSFET（0 VDS VGSVTH）等效為一個(gè)壓控電阻2DnoxGSTHDSDSW1I=C(V- V )V-VL2DnoxGSTHDSWI=C(V- V )VLDSGSTHV 2(V- V )onnoxGSTH1R=WC(V- V )LI/V特性的推導(dǎo)（3）三極管區(qū)(線性區(qū))每條曲線在VDSVGSVTH時(shí)取最大值，且大小為：2DnoxGSTHDSDSW1I=C(V- V )V-VL222noxDGSTHCWI=(V- V )LVDSVGSVTH時(shí)溝道剛好被夾斷飽和區(qū)的MOSFET（VDS VGSVT）IDnCoxWL(VGSVTH)VDS

5、12VDS2IDnCox2WL(VGSVTH)2VDSVGSVTH (Pinchoff)Qd(x)WCox(VGSV(x)VTH)當(dāng)V(x)接近VGS-VT，Qd(x)接近于0，即反型層將在XL處終止，溝道被夾斷。NMOS管的電流公式2noxDGSTHDSDSC WI =2(V -V )V-V2L2noxDGSTHC WI=(V- V )2L0DI截至區(qū)，VGSVTHVDSVTHVDS VGS - VTHMOSFET的I/V特性Triode RegionVDSVGS-VT溝道電阻隨VDS增加而增加導(dǎo)致曲線彎曲曲線斜率開(kāi)始正比于VGS-VTVDS1,是一個(gè)非理想因子)MOS管亞閾值導(dǎo)電特性的sp

6、ice仿真結(jié)果VgSlogID仿真條件：VT0.6W/L100/2MOS管亞閾值電流ID一般為幾十幾百nA。電壓限制 柵氧擊穿 過(guò)高的GS電壓。 “穿通”效應(yīng) 過(guò)高的DS電壓，漏極周圍的耗盡層變寬，會(huì)到達(dá)源區(qū)周圍，產(chǎn)生很大的漏電流。MOS器件版圖2.4 MOS2.4 MOS器件模型器件模型MOS器件電容減小MOS器件電容的版圖結(jié)構(gòu)對(duì)于圖a:CDB=CSB = WECj + 2(W+E)Cjsw對(duì)于圖b: CDB=(W/2)ECj+2(W/2)+E)Cjsw CSB=2(W/2)ECj+2(W/2)+E)Cjsw) = WECj +2(W+2E)Cjsw 柵源、柵漏電容隨VGS的變化曲線C3=C

7、4=COVW Cov：每單位寬度的交疊電容MOS管關(guān)斷時(shí): CGD=CGS=CovW, CGB=C1/C2C1=WLCoxMOS管深線性區(qū)時(shí): CGD=CGS=C1/2+CovW, CGB=0, 溝道屏蔽MOS管飽和時(shí): CGS= 2C1/3+CovW ,和CGD=CovW, CGB=0, 溝道屏蔽柵極電阻MOS 低頻小信號(hào)模型DSonoxDDDSD2GSTHV111r = CWII / VI(V-V ) 2L完整的MOS小信號(hào)模型 MOS SPICE模型 在電路模擬（simulation）中，SPICE要求每個(gè)器件都有一個(gè)精確的模型。 種類 1st 代：MOS1，MOS2，MOS3； 2nd代：BSIM，HSPICE level28，BSIM2 3rd代：BSIM3，MOS model9，EKV(Enz-Krummenacher-Vittoz) 目前工藝廠家最常提供的MOS SPICE模型為BSIM3v3（UC Berkeley） 仿真器： HSPICE；SPECTRE；PSPICE 用簡(jiǎn)單的模型設(shè)計(jì)（design），用復(fù)雜的模型驗(yàn)證（verification）； 模型用于： 大信號(hào)靜態(tài) (dc variables) 小信號(hào)靜態(tài) (gains, resistances) 小信號(hào)動(dòng)態(tài) (frequency response, n