ChMOS場(chǎng)效應(yīng)管的特性學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1ChMOS場(chǎng)效應(yīng)管的特性場(chǎng)效應(yīng)管的特性第1頁(yè)/共81頁(yè)器件制作在器件制作在P型襯底上型襯底上兩個(gè)重?fù)诫s兩個(gè)重?fù)诫sN區(qū)形成源區(qū)和漏區(qū)區(qū)形成源區(qū)和漏區(qū)重?fù)诫s多晶硅區(qū)重?fù)诫s多晶硅區(qū)(Poly)作為柵極作為柵極一層薄一層薄SiO2絕緣層作為柵極與襯絕緣層作為柵極與襯底的隔離底的隔離NMOS管的有效作用就發(fā)生在柵氧管的有效作用就發(fā)生在柵氧下 的 襯 底 表 面下 的 襯 底 表 面 導(dǎo) 電 溝 道導(dǎo) 電 溝 道(Channel)上。上。NMOS管的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)管的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)第2頁(yè)/共81頁(yè)第3頁(yè)/共81頁(yè)WnW影響MOSFET的速度，決定電路驅(qū)動(dòng)能力和功耗第4頁(yè)/共81頁(yè)第5頁(yè)/共81頁(yè)dsdsVLE

2、LL 2MOS的伏安特性的伏安特性電荷在溝道中的渡越時(shí)間為載流子速度，Eds= Vds/L為漏到源方向電場(chǎng)強(qiáng)度，Vds為漏到源電壓。 為載流子遷移率： n = 650 cm2/(V.s) 電子遷移率(nMOS) p = 240 cm2/(V.s) 空穴遷移率(pMOS)第6頁(yè)/共81頁(yè)dsTgsgedsdsTgsoxoxdsdsTgsoxoxdsgeoxoxdsgedsVVVVVVVVLWtVVVVLWtVVLtWLVLCVQI21with 21 )21( 222 = .0 柵極-溝道間氧化層介電常數(shù), = 4.5, 0 .10-11 C.V-1.m-1dsdsVLELL 2此式常用于人工估算

3、電路性能。第7頁(yè)/共81頁(yè)dsdsToxoxdsoxoxgsVdsgsdsVVVtaVLWtaaVaVVIds)21( with ),(2121constant第8頁(yè)/共81頁(yè)MOS的伏安特性的伏安特性方程分析方程分析n 當(dāng)Vgs固定時(shí)，Ids(Vds)由線性項(xiàng)和平方項(xiàng)組成：LWtbVVLWtbVbVbVVIoxoxTgsoxoxdsdsVdsgsdsgs2 )(with ),(21221constant第9頁(yè)/共81頁(yè)當(dāng)Vgs-VT=Vds時(shí)，滿足:Ids達(dá)到最大值Idsmax，其值為Vgs-VT=Vds，意味著近漏端的柵極有效控制電壓Vge=Vgs-VT-Vds=Vgs-Vds-VT =

4、Vgd-VT =0感應(yīng)電荷為0，溝道夾斷，電流不會(huì)再增大，因而，這個(gè)Idsmax就是飽和電流。0dsdsdVdI2Tgsoxoxdsmax21VVLWtIMOS的伏安特性的伏安特性漏極飽和電流漏極飽和電流第10頁(yè)/共81頁(yè)IdsVds0線性區(qū)飽和區(qū)擊穿區(qū)221constantdsdsVdsVbVbIgs22TgsdsVVaI第11頁(yè)/共81頁(yè)第12頁(yè)/共81頁(yè) 1) 積累層積累層 對(duì)對(duì)P型襯底材料上的型襯底材料上的N型型MOS器件，器件， 當(dāng)當(dāng)Vgs0時(shí)，時(shí)， 柵極上的負(fù)電荷吸引襯底中的空穴趨向硅的表面，柵極上的負(fù)電荷吸引襯底中的空穴趨向硅的表面， 形成積累層。形成積累層。 這時(shí)，這時(shí)， MO

5、S器件的結(jié)構(gòu)就像平行平板電容器，器件的結(jié)構(gòu)就像平行平板電容器， 柵極和高濃度空穴積累層分別是平板電容器的兩個(gè)極板。柵極和高濃度空穴積累層分別是平板電容器的兩個(gè)極板。第13頁(yè)/共81頁(yè) 由于積累層本身是和襯底相連的，由于積累層本身是和襯底相連的， 所以柵電容可近似為所以柵電容可近似為oxoxoxoxotWLtWLC第14頁(yè)/共81頁(yè)第15頁(yè)/共81頁(yè) 這樣這樣, 在耗盡狀態(tài)下，在耗盡狀態(tài)下， 柵極對(duì)襯底的總電容相當(dāng)于柵氧化層電柵極對(duì)襯底的總電容相當(dāng)于柵氧化層電容容C0和耗盡層電容和耗盡層電容dep的串聯(lián)，的串聯(lián)， 即即depdepdepGBCCCCCCC000111第16頁(yè)/共81頁(yè)ASiSiq

6、N1 1221pSiAASiXqNdxdxqNASipNqX2Si硅的相對(duì)介電常數(shù)，硅的相對(duì)介電常數(shù)， 其值是其值是12。第17頁(yè)/共81頁(yè)ASiASiApAqNWLNqWLNWLXqNQ22q 221221ASiASidepqNWLqNWLdvdQC第18頁(yè)/共81頁(yè)odepodepCCCCC第19頁(yè)/共81頁(yè) 當(dāng)Vgs增加，達(dá)到VT值，Si表面電位的下降，能級(jí)下降已達(dá)到P型襯底的費(fèi)米能級(jí)與本征半導(dǎo)體能級(jí)差的二倍。它不僅抵消了空穴，成為本征半導(dǎo)體，而且在形成的反型層中，電子濃度已達(dá)到原先的空穴濃度這樣的反型層就是強(qiáng)反型層。顯然，耗盡層厚度不再增加，Cdep也不再減小。這樣， 就達(dá)到最小值Cm

7、in。 最小的Cdep是由最大的耗盡層厚度Xpmax計(jì)算出來(lái)的。odepodepCCCCC4) 強(qiáng)反型層強(qiáng)反型層第20頁(yè)/共81頁(yè)第21頁(yè)/共81頁(yè)第22頁(yè)/共81頁(yè)第23頁(yè)/共81頁(yè)襯底柵極CGBCGSCGD柵氧化層CDB漏極溝道CSB源極(a)CGDCDBCSBCGSCGB襯底(b)耗盡層GDS MOS器件電容 (a) 寄生電容示意圖； (b) 寄生電容電路符號(hào)示意圖第24頁(yè)/共81頁(yè)圖6.3 MOS晶體管等效電路圖第25頁(yè)/共81頁(yè)g，d獻(xiàn)，它們的分配取決于MOS管的工作狀態(tài)。第26頁(yè)/共81頁(yè)dsdsTgsoxdsVVVVLWtI21第27頁(yè)/共81頁(yè)2ds21TgsoxVVLWtI2

8、ds21TgsoxVVLLWtI第28頁(yè)/共81頁(yè)第29頁(yè)/共81頁(yè)深亞微米CMOS IC工藝的寄生電容(數(shù)據(jù))Cap.N+Act.P+Act.PolyM1M2M3UnitsArea (sub.)5269378325108fF/um2Area (poly)541811fF/um2Area (M1)46 17fF/um2Area (M2)49fF/um2Area (N+act.)3599fF/um2Area (P+act.)3415fF/um2Fringe (sub.)249261fF/um第30頁(yè)/共81頁(yè)深亞微米CMOS IC工藝的寄生電容(圖示)PolyPolyElectrodeMetal

9、1Metal2PolyP+P+P+N+N+Metal3N_wellSUB88013832213109514503452648159864463614308363214086734123517383929625762Cross view of parasitic capacitor of TSMC_0.35um CMOS technology第31頁(yè)/共81頁(yè)第32頁(yè)/共81頁(yè)VT的組成的組成=概念上講, VT就是將柵極下面的Si表面從P型Si變?yōu)镹型Si所必要的電壓。 它由兩個(gè)分量組成, 即: VT= Us+ Vox=Us : Si表面電位; =Vox: SiO2層上的 壓降。圖 第33頁(yè)/共

10、81頁(yè)iabpSnNqkTqUln22圖 第34頁(yè)/共81頁(yè)aiaSioxaNqnNkTCqNV2ox/ln40XMOS-toxXmEoxE0ExmE(X)第35頁(yè)/共81頁(yè)aiaSioxaiaoxsTNqnNkTCqNnNqkTVUV2/ln4ln2VT的理想計(jì)算公式的理想計(jì)算公式第36頁(yè)/共81頁(yè)第37頁(yè)/共81頁(yè)oxsitoxFoxmmmsoxdbpTCUQCQCQqCQqV)(2iabpnNkTqln22212/ln4aiaSioxoxaoxdNqnNkTtqNCQoxFCQqmsoxmmCQoxsitCUQ)(第38頁(yè)/共81頁(yè)圖 第39頁(yè)/共81頁(yè)oxdCQVq2bpTOmadWL

11、XqNQ 第40頁(yè)/共81頁(yè)dsxbsbp2VkVqdsbsbp212VVqbsbp2Vqdsbsbp2VVq第41頁(yè)/共81頁(yè)體效應(yīng)體效應(yīng): 襯底不接地對(duì)VT0的影響(續(xù))定義: VT的基本部分變?yōu)? 體效應(yīng)還影響到界面勢(shì)阱項(xiàng) dsbsbpCB2VkVqVx21gb212CBSiaoxdsmbpbsToToqVNCVkqVVVoxCBitoxsitCVQCUQ)()(第42頁(yè)/共81頁(yè)6.5 MOSFET的溫度特性的溫度特性MOSFET的溫度特性主要來(lái)源于溝道中載流子的遷移率 和閾值電壓VT隨溫度的變化。載流子的遷移率隨溫度變化的基本特征是： T 由于所以， T gm閾值電壓VT的絕對(duì)值同樣

12、是隨溫度的升高而減小：T VTVT(T) (2 4) mV/CVT的變化與襯底的雜質(zhì)濃度Ni和氧化層的厚 度tox有關(guān)： (Ni , tox) VT(T) Tgsoxm VVLWtg第43頁(yè)/共81頁(yè)第44頁(yè)/共81頁(yè)2dsdsTgsoxds21 VVVVLWtI2Tgsoxds2 VVLWtI第45頁(yè)/共81頁(yè)第46頁(yè)/共81頁(yè)圖 第47頁(yè)/共81頁(yè)第48頁(yè)/共81頁(yè)第49頁(yè)/共81頁(yè)constantgsdsmds VVIgTgsoxm VVLWtg)(Tgs2gm0VVLCg第50頁(yè)/共81頁(yè)oxgdgsg tLWCCCL第51頁(yè)/共81頁(yè)MOSFET的動(dòng)態(tài)特性和尺寸縮小的影響的動(dòng)態(tài)特性和

13、尺寸縮小的影響第52頁(yè)/共81頁(yè)oxgdgsgox) , ,( tLWCCCtWLMOSFET的動(dòng)態(tài)特性和尺寸縮小的影響的動(dòng)態(tài)特性和尺寸縮小的影響第53頁(yè)/共81頁(yè)第54頁(yè)/共81頁(yè)P(yáng)arameter 參參數(shù)數(shù) 變變化化因因子子 備備注注 Voltage 電電壓壓 1/ Circuit density 電電路路密密度度 2 L W Device current 器器件件電電流流 1/ Power 功功率率 1/ 2 Ids Vds Capacitance 電電容容 1/ Delay 溝溝道道延延遲遲 1/ Line resistance 連連線線電電阻阻 Line capacitance 連連線線電電容容 1/ Line response time 連連線線響響應(yīng)應(yīng)時(shí)時(shí)間間 1 RL CL Figure of merit 0 優(yōu)優(yōu)值值 2 1/L2 第55頁(yè)/共81頁(yè)第56頁(yè)/共81頁(yè)第57頁(yè)/共81頁(yè)圖 第58頁(yè)/共81頁(yè)FPSaSioxFPFBTUqNCVV2212第59頁(yè)/共81頁(yè)圖 第60頁(yè)/共81頁(yè)第61頁(yè)/共81頁(yè)圖 第62頁(yè)/共81頁(yè)第63頁(yè)/共81頁(yè)第64頁(yè)/共81頁(yè) MTTTT121