MOS器件物理基礎(chǔ)02課件1

模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)：時(shí)

間：2009年12月10日Email:Tel:62283724模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)：Email:第2章MOS器件物理基礎(chǔ)2.1基本概念2.2

I/V特性2.3二級(jí)效應(yīng)2.4

MOS器件模型第2章MOS器件物理基礎(chǔ)2.1基本概念MOS器件物理基礎(chǔ)3工作區(qū)飽和區(qū)三級(jí)管區(qū)二級(jí)效應(yīng)體效應(yīng)溝道長(zhǎng)度調(diào)制亞閾值導(dǎo)電性引入了簡(jiǎn)化假設(shè)更接近實(shí)際情況MOS器件物理基礎(chǔ)3工作區(qū)飽和區(qū)三級(jí)管區(qū)二級(jí)效應(yīng)體效應(yīng)溝道長(zhǎng)3NMOS管的電流公式截止區(qū)，Vgs<VTH線性區(qū),Vgs>VTHVDS<Vgs-VTH飽和區(qū),Vgs>VTHVDS>Vgs-VTHNMOS管的電流公式截止區(qū)，Vgs<VTH線性區(qū),Vgs>MOS管的開啟電壓VTH及體效應(yīng)

前提：假設(shè)晶體管的襯底和源是接地的。假如NFET的襯底電壓減小到低于源電壓時(shí)Vb<0，會(huì)影響器件的工作性能。MOS管的開啟電壓VTH及體效應(yīng)前提：假設(shè)晶體管的襯底和源MOS管的開啟電壓VTH及體效應(yīng)若Vs=Vd=0,且柵壓Vg略小于Vt使得柵下形成耗盡層，但沒有反型層。由于Vb<0,會(huì)使耗盡層變得更寬MOS管的開啟電壓VTH及體效應(yīng)若Vs=Vd=0,且柵壓VgMOS管的開啟電壓VTH及體效應(yīng)ΦMS：多晶硅柵與硅襯底功函數(shù)之差Qdep耗盡區(qū)的電荷,是襯源電壓VBS的函數(shù)Cox：?jiǎn)挝幻娣e柵氧化層電容體效應(yīng)：閾值電壓是耗盡層電荷總數(shù)的函數(shù)，隨著Vb下降，Qd增加，閾值電壓也增加MOS管的開啟電壓VTH及體效應(yīng)ΦMS：多晶硅柵與硅襯底功函MOS管的開啟電壓VT及體效應(yīng)體效應(yīng)系數(shù)，VBS＝0時(shí)，＝0一般在0.3V0.5-0.4V0.5MOS管的開啟電壓VT及體效應(yīng)體效應(yīng)系數(shù)，VBS＝0時(shí)，＝例2.3

P21Vgs=1.2VVds=2VVTH0=0.6Vγ=0.4V0.52ФF=0.7VVX

（襯底電勢(shì)）從負(fù)無(wú)窮小到0變化，畫出漏電流曲線分析：(1)截止：VTH>Vgs(2)VTH<Vgs例2.3P21Vgs=1.2V分析：MOS管的開啟電壓VTH及體效應(yīng)無(wú)體效應(yīng)源極跟隨器

有體效應(yīng)為了保證I恒定，Vin-Vout會(huì)增大（意味著輸出范圍的減?。?源和襯底之間的電壓會(huì)增大，導(dǎo)致閾值電壓上升一般希望通過調(diào)整摻雜濃度和柵電容避免體效應(yīng)。漏電流恒等于I1VGS=Vin-Vout恒定假設(shè)襯底接地，體效應(yīng)顯著，源與襯底之間的電壓增大時(shí)，閾值電壓增大，仍會(huì)產(chǎn)生體效應(yīng)MOS管的開啟電壓VTH及體效應(yīng)無(wú)體效應(yīng)源極跟隨器有考慮體效應(yīng)襯底跨導(dǎo)gmb考慮體效應(yīng)襯底跨導(dǎo)gmbMOS管體效應(yīng)的Pspice仿真結(jié)果Vb=0.5vVb=0vVb=-0.5vIdVg體效應(yīng)的應(yīng)用：利用襯底作為MOS管的第3個(gè)輸入端利用VTH減小用于低壓電源電路設(shè)計(jì)MOS管體效應(yīng)的Pspice仿真結(jié)果Vb=0.5vVb=0v溝道夾斷（VGS－VDS≥

VTH）當(dāng)V(x)接近VGS-VTH，Qd(x)接近于0，即反型層將在X≤L處終止，溝道被夾斷。當(dāng)溝道夾斷（VGS－VDS≥VTH）當(dāng)V(x)接近VGS-溝道長(zhǎng)度調(diào)制當(dāng)柵和漏之間的電壓差過大時(shí)，實(shí)際的反型溝道長(zhǎng)度逐漸減小。減小幅度和Vds相關(guān)，實(shí)際溝道長(zhǎng)度是Vds的函數(shù)溝道長(zhǎng)度調(diào)制當(dāng)柵和漏之間的電壓差過大時(shí)，實(shí)際的反型溝道長(zhǎng)度逐MOSFET的溝道調(diào)制效應(yīng)LL’溝道調(diào)制函數(shù)，表示Vds增加引起的溝道長(zhǎng)度的相對(duì)變化量，溝道越長(zhǎng)，其值越小飽和區(qū)MOSFET的溝道調(diào)制效應(yīng)LL’溝道調(diào)制函數(shù)，表示Vds增加MOS管溝道調(diào)制效應(yīng)的Pspice仿真結(jié)果VGS-VT=0.15V,W=100μ?ID/?VDS∝λ/L∝1/L2Ｌ=2μＬ=6μＬ=4μ溝道調(diào)制影響到D和S之間電流源的性能。若柵-源過驅(qū)動(dòng)電壓給定，L越長(zhǎng)，電流源越理想MOS管溝道調(diào)制效應(yīng)的Pspice仿真結(jié)果VGS-VT=0.MOS管跨導(dǎo)gm不同表示法比較跨導(dǎo)gm123上式中:MOS管跨導(dǎo)gm不同表示法比較跨導(dǎo)gm123上式中:亞閾值導(dǎo)電特性(ζ>1,是一個(gè)非理想因子)前面一直假設(shè)當(dāng)Vgs小于閾值電壓時(shí)，器件會(huì)突然關(guān)斷。但實(shí)際上此時(shí)仍存在一個(gè)弱反型層，因而會(huì)有漏電流的存在。該電流與Vgs相關(guān)（指數(shù)關(guān)系），此效應(yīng)稱為“亞閾值導(dǎo)電”影響：會(huì)導(dǎo)致較大的功能損耗，比如內(nèi)存亞閾值導(dǎo)電特性(ζ>1,是一個(gè)非理想因子)前面一直假設(shè)當(dāng)Vg亞閾值導(dǎo)電特性(ζ>1,是一個(gè)非理想因子)Vgs低于閾值電壓時(shí)，漏電流不會(huì)突然消失，而是逐漸減小，該范圍大致為80mV亞閾值導(dǎo)電特性(ζ>1,是一個(gè)非理想因子)Vgs低于閾值電壓MOS管亞閾值導(dǎo)電特性的Pspice仿真結(jié)果VgSlogID仿真條件：VT＝0.6ＶW/L＝100μ/2μMOS管亞閾值電流ID一般為幾十~幾百nA,常用于低功耗放大器、帶隙基準(zhǔn)設(shè)計(jì)。gm=ID/(ξVT)MOS管亞閾值導(dǎo)電特性的Pspice仿真結(jié)果VgSlogID20電壓限制擊穿效應(yīng)：如果MOSFETs端電壓超過某一特定值，會(huì)發(fā)生各種擊穿效應(yīng)，不可恢復(fù)。穿通效應(yīng)：在短溝道器件中，源漏電壓過大會(huì)使耗盡層變寬，耗盡層會(huì)延伸到源區(qū)周圍，產(chǎn)生大的漏電流電壓限制擊穿效應(yīng)：如果MOSFETs端電壓超過某一特定值，會(huì)21第2章MOS器件物理基礎(chǔ)2.1基本概念2.2

I/V特性2.3二級(jí)效應(yīng)2.4

MOS器件模型第2章MOS器件物理基礎(chǔ)2.1基本概念MOS器件版圖MOS器件版圖23MOS低頻小信號(hào)模型大信號(hào)模型：用于信號(hào)會(huì)顯著影響偏置工作點(diǎn)的時(shí)候，尤其是非線性效應(yīng)的情況。小信號(hào)模型：工作點(diǎn)附近的大信號(hào)模型的近似，當(dāng)信號(hào)對(duì)偏置的影響小的時(shí)候。小信號(hào)模型的建立：可以在偏置點(diǎn)上產(chǎn)生一個(gè)小的增量，并計(jì)算其所引起的其他偏置參數(shù)的增量來(lái)建立。MOS低頻小信號(hào)模型大信號(hào)模型：用于信號(hào)會(huì)顯著影響偏置工作MOS低頻小信號(hào)模型大部分模擬電路均工作在飽和區(qū),所以考慮建立飽和區(qū)的小信號(hào)模型基本的小信號(hào)模型：由于漏電流是柵源電壓的函數(shù)，所以可以用壓控電流源來(lái)近似，其大小為gmVGSMOS低頻小信號(hào)模型大部分模擬電路均工作在飽和區(qū),所以考慮MOS低頻小信號(hào)模型溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)模型：由于溝道調(diào)制，漏電流會(huì)隨著漏-源變化而變化，也可以用壓控電流源來(lái)表示。該壓控電流值與其兩端電壓成正比，所以可以等效為一個(gè)線性阻抗。連接源漏之間的電阻的大?。篗OS低頻小信號(hào)模型溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)模型：連接源漏之間的電例：求下列電路的低頻小信號(hào)輸出電阻(γ＝0)所以例：求下列電路的低頻小信號(hào)輸出電阻(γ＝0)所以MOS低頻小信號(hào)模型體效應(yīng)模型：由于體效應(yīng)存在，它影響閾值電壓，因此也會(huì)影響柵-源的過驅(qū)動(dòng)電壓。在所有其他端保持恒定電壓的情況下，漏電流是襯底電壓的函數(shù)。所以襯底相當(dāng)于另一個(gè)柵。可用連接于漏源之間的電流源來(lái)模擬這一關(guān)系，電流大小gmbVBSMOS低頻小信號(hào)模型體效應(yīng)模型：例：求下列電路的低頻小信號(hào)輸出電阻(γ＝0)例：求下列電路的低頻小信號(hào)輸出電阻(γ＝0)例：求下列電路的低頻小信號(hào)輸出電阻(γ＝0)例：求下列電路的低頻小信號(hào)輸出電阻(γ＝0)小信號(hào)電阻總結(jié)（γ＝0）對(duì)于圖（A）：對(duì)于圖（B）：對(duì)于圖（C）：小信號(hào)電阻總結(jié)（γ＝0）對(duì)于圖（A）：對(duì)于圖（B）：對(duì)于圖（MOS器件電容在考慮CMOS交流特性時(shí)，需要考慮器件電容柵和溝道之間的電容襯底和溝道之間的電容多晶硅與源和漏交疊部分產(chǎn)生的電容源漏與襯底之間的電容（分成下極板電容和側(cè)極板電容兩部分）MOS器件電容在考慮CMOS交流特性時(shí)，需要考慮器件電容32

Ch.1#33MOS電容器的結(jié)構(gòu)。MOS電容器的結(jié)構(gòu)。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)CjswCSB=2((W/2)ECj+2((W/2)+E)Cjsw=WECj+2(W+2E)Cjsw減小MOS器件電容的版圖結(jié)構(gòu)對(duì)于圖a:CDB=CSB=W

Ch.1#35柵源、柵漏電容隨VGS的變化曲線C3=C4=COVWCov：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,C2被溝道屏蔽MOS管飽和時(shí):CGS=2C1/3+CovW

,CGD=CovW,CGB=0,C2被溝道屏蔽柵源、柵漏電容隨VGS的變化曲線C3=C4=COVW

Ch.1#36柵極電阻柵極電阻

Ch.1#37完整的MOS小信號(hào)模型完整的MOS小信號(hào)模型NMOS器件的電容--電壓特性積累區(qū)強(qiáng)反型NMOS器件的電容--電壓特性積累區(qū)強(qiáng)反型例：若W/L＝50/0.5，|ID|＝500uA，分別求:NMOS、PMOS的跨導(dǎo)及輸出阻抗以及本征增益gmr0

（tox=9e-9λn=0.1,λp=0.2,μn=350cm2/V/s,μp=100cm2/V/s）tox=50?,Cox6.9fF/μm2(1?=10-10

m,1fF=10-15

F)∴tox=90?,Cox6.9*50/90=3.83fF/μm2同理可求得PMOS的參數(shù)如下：gmP

1.96mA/V，r0P

10KΩ，gmPr0P

19.6例：若W/L＝50/0.5，|ID|＝500uA，分別求:40MOS管的常見模型Level1模型：是最早的MOS管模型，也叫Shichman-Hodges模型BSIM模型：Berkeley提出的短溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管模型BerkeleyShort-channelIGFETModelHspice模型：包含多個(gè)MOS管模型，統(tǒng)一編號(hào)為L(zhǎng)evelx參考：hspice_mosmod.pdf40MOS管的常見模型Level1模型：41SPICE集成電路分析程序與MOSFET模型HSpice中常用的幾種MOSFET模型Level=1 Shichman-HodgesLevel=2 基于幾何圖形的分析模型

Grove-FrohmanModel(SPICE2G)Level=3 半經(jīng)驗(yàn)短溝道模型(SPICE2G)Level=49 BSIM3V3BSIM,3rd,Version3Level=50 PhilipsMOS941SPICE集成電路分析程序與MOSFET模型HSpice42MOSFET一級(jí)模型直流特性涉及的模型參數(shù)VTO VTO

襯底零偏置時(shí)源閾值電壓KP 本征跨導(dǎo)參數(shù)GAMMA

體效應(yīng)閾值系數(shù)PHI 2F

強(qiáng)反型使的表面勢(shì)壘高度LAMBDA

溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)UO μo/μn

表面遷移率L 溝道長(zhǎng)度LD 溝道長(zhǎng)度方向上橫向擴(kuò)散長(zhǎng)度W 溝道寬度TOX TOX

柵氧化層厚度TPG 柵材料類型NSUB NSUB

襯底(阱)摻雜濃度NSS NSS

表面態(tài)密度.42MOSFET一級(jí)模型直流特性涉及的模型參數(shù)VTO VTOVTO,KP,GAMMA,PHI,LAMBDA是器件參數(shù).TOX,TPG,NSUB,NSS是工藝參數(shù).若用戶僅給出了工藝參數(shù),SPICE會(huì)計(jì)算出相應(yīng)的器件參數(shù).MOSFET一級(jí)模型直流特性涉及的模型參數(shù)IS:襯底結(jié)飽和電流(省缺值為0)JS 襯底結(jié)飽和電流密度N: 襯底PN結(jié)發(fā)射系數(shù)AS: 源區(qū)面積PS: 源區(qū)周長(zhǎng)AD: 漏區(qū)面積PD: 漏區(qū)周長(zhǎng)JSSW:襯底PN結(jié)側(cè)壁單位長(zhǎng)度的電流例如：M13670NCHW=100UL=1UMOS管名稱，漏、柵、源和襯底連接的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)后是器件的模型名。U表示10-6VTO,KP,GAMMA,PHI,LAMBDA是器件43441Schichman-Hodgesmodel2MOS2Grove-Frohmanmodel(SPICE2G)3MOS3empiricalmodel(SPICE2G)4Grove-Frohman:LEVEL2modelderivedfromSPICE2E.38advancedLEVEL2model13BSIMmodel15user-definedmodelbasedonLEVEL328BSIMderivative;Avant!proprietarymodel39BSIM247BSIM3Version2.049BSIM3Version3(Enhanced)50PhilipsMOS953BSIM3Version3(Berkeley)54UCBerkeleyBSIM4Model55EPFL-EKVModelVer2.6,R11441Schichman-Hodgesmodel2MOS2本章基本要求掌握MOSFET電流公式及跨導(dǎo)公式。2.掌握MOSFET小信號(hào)等效電路。3.掌握MOSFET的二級(jí)效應(yīng)。4.掌握MOS管的開關(guān)特性。本章基本要求掌握MOSFET電流公式及跨導(dǎo)公式。思考題1.MOSFET的I/V特性公式及跨導(dǎo)的概念，以及如何使用MOSFET設(shè)計(jì)一個(gè)壓控電阻。2.MOSFET的二級(jí)效應(yīng)有哪些？它們分別是由什么原因造成的？3.器件模型的描述方法思考題1.MOSFET的I/V特性公式及跨導(dǎo)的概念，以及如何思考題2（選）1.MOSFET的小信號(hào)模型與等效電阻的計(jì)算（例題PPT27與PPT29）2.HSPICE模型中各參數(shù)含義（PPT42）思考題2（選）1.MOSFET的小信號(hào)模型與等效電阻的計(jì)算（模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)：時(shí)

間：2009年12月10日Email:Tel:62283724模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)：Email:第2章MOS器件物理基礎(chǔ)2.1基本概念2.2

I/V特性2.3二級(jí)效應(yīng)2.4

MOS器件模型第2章MOS器件物理基礎(chǔ)2.1基本概念MOS器件物理基礎(chǔ)50工作區(qū)飽和區(qū)三級(jí)管區(qū)二級(jí)效應(yīng)體效應(yīng)溝道長(zhǎng)度調(diào)制亞閾值導(dǎo)電性引入了簡(jiǎn)化假設(shè)更接近實(shí)際情況MOS器件物理基礎(chǔ)3工作區(qū)飽和區(qū)三級(jí)管區(qū)二級(jí)效應(yīng)體效應(yīng)溝道長(zhǎng)50NMOS管的電流公式截止區(qū)，Vgs<VTH線性區(qū),Vgs>VTHVDS<Vgs-VTH飽和區(qū),Vgs>VTHVDS>Vgs-VTHNMOS管的電流公式截止區(qū)，Vgs<VTH線性區(qū),Vgs>MOS管的開啟電壓VTH及體效應(yīng)

前提：假設(shè)晶體管的襯底和源是接地的。假如NFET的襯底電壓減小到低于源電壓時(shí)Vb<0，會(huì)影響器件的工作性能。MOS管的開啟電壓VTH及體效應(yīng)前提：假設(shè)晶體管的襯底和源MOS管的開啟電壓VTH及體效應(yīng)若Vs=Vd=0,且柵壓Vg略小于Vt使得柵下形成耗盡層，但沒有反型層。由于Vb<0,會(huì)使耗盡層變得更寬MOS管的開啟電壓VTH及體效應(yīng)若Vs=Vd=0,且柵壓VgMOS管的開啟電壓VTH及體效應(yīng)ΦMS：多晶硅柵與硅襯底功函數(shù)之差Qdep耗盡區(qū)的電荷,是襯源電壓VBS的函數(shù)Cox：?jiǎn)挝幻娣e柵氧化層電容體效應(yīng)：閾值電壓是耗盡層電荷總數(shù)的函數(shù)，隨著Vb下降，Qd增加，閾值電壓也增加MOS管的開啟電壓VTH及體效應(yīng)ΦMS：多晶硅柵與硅襯底功函MOS管的開啟電壓VT及體效應(yīng)體效應(yīng)系數(shù)，VBS＝0時(shí)，＝0一般在0.3V0.5-0.4V0.5MOS管的開啟電壓VT及體效應(yīng)體效應(yīng)系數(shù)，VBS＝0時(shí)，＝例2.3

P21Vgs=1.2VVds=2VVTH0=0.6Vγ=0.4V0.52ФF=0.7VVX

（襯底電勢(shì)）從負(fù)無(wú)窮小到0變化，畫出漏電流曲線分析：(1)截止：VTH>Vgs(2)VTH<Vgs例2.3P21Vgs=1.2V分析：MOS管的開啟電壓VTH及體效應(yīng)無(wú)體效應(yīng)源極跟隨器

有體效應(yīng)為了保證I恒定，Vin-Vout會(huì)增大（意味著輸出范圍的減?。?源和襯底之間的電壓會(huì)增大，導(dǎo)致閾值電壓上升一般希望通過調(diào)整摻雜濃度和柵電容避免體效應(yīng)。漏電流恒等于I1VGS=Vin-Vout恒定假設(shè)襯底接地，體效應(yīng)顯著，源與襯底之間的電壓增大時(shí)，閾值電壓增大，仍會(huì)產(chǎn)生體效應(yīng)MOS管的開啟電壓VTH及體效應(yīng)無(wú)體效應(yīng)源極跟隨器有考慮體效應(yīng)襯底跨導(dǎo)gmb考慮體效應(yīng)襯底跨導(dǎo)gmbMOS管體效應(yīng)的Pspice仿真結(jié)果Vb=0.5vVb=0vVb=-0.5vIdVg體效應(yīng)的應(yīng)用：利用襯底作為MOS管的第3個(gè)輸入端利用VTH減小用于低壓電源電路設(shè)計(jì)MOS管體效應(yīng)的Pspice仿真結(jié)果Vb=0.5vVb=0v溝道夾斷（VGS－VDS≥

VTH）當(dāng)V(x)接近VGS-VTH，Qd(x)接近于0，即反型層將在X≤L處終止，溝道被夾斷。當(dāng)溝道夾斷（VGS－VDS≥VTH）當(dāng)V(x)接近VGS-溝道長(zhǎng)度調(diào)制當(dāng)柵和漏之間的電壓差過大時(shí)，實(shí)際的反型溝道長(zhǎng)度逐漸減小。減小幅度和Vds相關(guān)，實(shí)際溝道長(zhǎng)度是Vds的函數(shù)溝道長(zhǎng)度調(diào)制當(dāng)柵和漏之間的電壓差過大時(shí)，實(shí)際的反型溝道長(zhǎng)度逐MOSFET的溝道調(diào)制效應(yīng)LL’溝道調(diào)制函數(shù)，表示Vds增加引起的溝道長(zhǎng)度的相對(duì)變化量，溝道越長(zhǎng)，其值越小飽和區(qū)MOSFET的溝道調(diào)制效應(yīng)LL’溝道調(diào)制函數(shù)，表示Vds增加MOS管溝道調(diào)制效應(yīng)的Pspice仿真結(jié)果VGS-VT=0.15V,W=100μ?ID/?VDS∝λ/L∝1/L2Ｌ=2μＬ=6μＬ=4μ溝道調(diào)制影響到D和S之間電流源的性能。若柵-源過驅(qū)動(dòng)電壓給定，L越長(zhǎng)，電流源越理想MOS管溝道調(diào)制效應(yīng)的Pspice仿真結(jié)果VGS-VT=0.MOS管跨導(dǎo)gm不同表示法比較跨導(dǎo)gm123上式中:MOS管跨導(dǎo)gm不同表示法比較跨導(dǎo)gm123上式中:亞閾值導(dǎo)電特性(ζ>1,是一個(gè)非理想因子)前面一直假設(shè)當(dāng)Vgs小于閾值電壓時(shí)，器件會(huì)突然關(guān)斷。但實(shí)際上此時(shí)仍存在一個(gè)弱反型層，因而會(huì)有漏電流的存在。該電流與Vgs相關(guān)（指數(shù)關(guān)系），此效應(yīng)稱為“亞閾值導(dǎo)電”影響：會(huì)導(dǎo)致較大的功能損耗，比如內(nèi)存亞閾值導(dǎo)電特性(ζ>1,是一個(gè)非理想因子)前面一直假設(shè)當(dāng)Vg亞閾值導(dǎo)電特性(ζ>1,是一個(gè)非理想因子)Vgs低于閾值電壓時(shí)，漏電流不會(huì)突然消失，而是逐漸減小，該范圍大致為80mV亞閾值導(dǎo)電特性(ζ>1,是一個(gè)非理想因子)Vgs低于閾值電壓MOS管亞閾值導(dǎo)電特性的Pspice仿真結(jié)果VgSlogID仿真條件：VT＝0.6ＶW/L＝100μ/2μMOS管亞閾值電流ID一般為幾十~幾百nA,常用于低功耗放大器、帶隙基準(zhǔn)設(shè)計(jì)。gm=ID/(ξVT)MOS管亞閾值導(dǎo)電特性的Pspice仿真結(jié)果VgSlogID67電壓限制擊穿效應(yīng)：如果MOSFETs端電壓超過某一特定值，會(huì)發(fā)生各種擊穿效應(yīng)，不可恢復(fù)。穿通效應(yīng)：在短溝道器件中，源漏電壓過大會(huì)使耗盡層變寬，耗盡層會(huì)延伸到源區(qū)周圍，產(chǎn)生大的漏電流電壓限制擊穿效應(yīng)：如果MOSFETs端電壓超過某一特定值，會(huì)68第2章MOS器件物理基礎(chǔ)2.1基本概念2.2

I/V特性2.3二級(jí)效應(yīng)2.4

MOS器件模型第2章MOS器件物理基礎(chǔ)2.1基本概念MOS器件版圖MOS器件版圖70MOS低頻小信號(hào)模型大信號(hào)模型：用于信號(hào)會(huì)顯著影響偏置工作點(diǎn)的時(shí)候，尤其是非線性效應(yīng)的情況。小信號(hào)模型：工作點(diǎn)附近的大信號(hào)模型的近似，當(dāng)信號(hào)對(duì)偏置的影響小的時(shí)候。小信號(hào)模型的建立：可以在偏置點(diǎn)上產(chǎn)生一個(gè)小的增量，并計(jì)算其所引起的其他偏置參數(shù)的增量來(lái)建立。MOS低頻小信號(hào)模型大信號(hào)模型：用于信號(hào)會(huì)顯著影響偏置工作MOS低頻小信號(hào)模型大部分模擬電路均工作在飽和區(qū),所以考慮建立飽和區(qū)的小信號(hào)模型基本的小信號(hào)模型：由于漏電流是柵源電壓的函數(shù)，所以可以用壓控電流源來(lái)近似，其大小為gmVGSMOS低頻小信號(hào)模型大部分模擬電路均工作在飽和區(qū),所以考慮MOS低頻小信號(hào)模型溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)模型：由于溝道調(diào)制，漏電流會(huì)隨著漏-源變化而變化，也可以用壓控電流源來(lái)表示。該壓控電流值與其兩端電壓成正比，所以可以等效為一個(gè)線性阻抗。連接源漏之間的電阻的大?。篗OS低頻小信號(hào)模型溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)模型：連接源漏之間的電例：求下列電路的低頻小信號(hào)輸出電阻(γ＝0)所以例：求下列電路的低頻小信號(hào)輸出電阻(γ＝0)所以MOS低頻小信號(hào)模型體效應(yīng)模型：由于體效應(yīng)存在，它影響閾值電壓，因此也會(huì)影響柵-源的過驅(qū)動(dòng)電壓。在所有其他端保持恒定電壓的情況下，漏電流是襯底電壓的函數(shù)。所以襯底相當(dāng)于另一個(gè)柵。可用連接于漏源之間的電流源來(lái)模擬這一關(guān)系，電流大小gmbVBSMOS低頻小信號(hào)模型體效應(yīng)模型：例：求下列電路的低頻小信號(hào)輸出電阻(γ＝0)例：求下列電路的低頻小信號(hào)輸出電阻(γ＝0)例：求下列電路的低頻小信號(hào)輸出電阻(γ＝0)例：求下列電路的低頻小信號(hào)輸出電阻(γ＝0)小信號(hào)電阻總結(jié)（γ＝0）對(duì)于圖（A）：對(duì)于圖（B）：對(duì)于圖（C）：小信號(hào)電阻總結(jié)（γ＝0）對(duì)于圖（A）：對(duì)于圖（B）：對(duì)于圖（MOS器件電容在考慮CMOS交流特性時(shí)，需要考慮器件電容柵和溝道之間的電容襯底和溝道之間的電容多晶硅與源和漏交疊部分產(chǎn)生的電容源漏與襯底之間的電容（分成下極板電容和側(cè)極板電容兩部分）MOS器件電容在考慮CMOS交流特性時(shí)，需要考慮器件電容79

Ch.1#80MOS電容器的結(jié)構(gòu)。MOS電容器的結(jié)構(gòu)。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)CjswCSB=2((W/2)ECj+2((W/2)+E)Cjsw=WECj+2(W+2E)Cjsw減小MOS器件電容的版圖結(jié)構(gòu)對(duì)于圖a:CDB=CSB=W

Ch.1#82柵源、柵漏電容隨VGS的變化曲線C3=C4=COVWCov：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,C2被溝道屏蔽MOS管飽和時(shí):CGS=2C1/3+CovW

,CGD=CovW,CGB=0,C2被溝道屏蔽柵源、柵漏電容隨VGS的變化曲線C3=C4=COVW

Ch.1#83柵極電阻柵極電阻

Ch.1#84完整的MOS小信號(hào)模型完整的MOS小信號(hào)模型NMOS器件的電容--電壓特性積累區(qū)強(qiáng)反型NMOS器件的電容--電壓特性積累區(qū)強(qiáng)反型例：若W/L＝50/0.5，|ID|＝500uA，分別求:NMOS、PMOS的跨導(dǎo)及輸出阻抗以及本征增益gmr0

（tox=9e-9λn=0.1,λp=0.2,μn=350cm2/V/s,μp=100cm2/V/s）tox=50?,Cox6.9fF/μm2(1?=10-10

m,1fF=10-15

F)∴tox=90?,Cox6.9*50/90=3.83fF/μm2同理可求得PMOS的參數(shù)如下：gmP

1.96mA/V，r0P

10KΩ，gmPr0P

19.6例：若W/L＝50/0.5，|ID|＝500uA，分別求:87MOS管的常見模型Level1模型：是最早的MOS管模型，也叫Shichman-Hodges模型BSIM模型：Berkeley提出的短溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管模型BerkeleyShort-channelIGFETModelHspice模型：包含多個(gè)MOS管模型，統(tǒng)一編號(hào)為L(zhǎng)evelx參考：hspice_mosmod.pdf40MOS管的常見模型Level1模型：88SPICE集成電路分析程序與MOSFET模型HSpice中常用的幾種MOSFET模型Level=1 Shichman-HodgesLevel=2 基于幾何圖形的分析模型

Grove-FrohmanModel(SPICE2G)Level=3 半經(jīng)驗(yàn)短溝道模型(SPICE2G)Level=49 BSIM3V3BSIM,3rd,Version3Level=50 PhilipsMOS941SPICE集成電路分析程序與MOSFET模型HSpice89MOSFET一級(jí)模型直流特性涉及的模型參數(shù)VTO VTO

襯底零偏置時(shí)源閾值電壓KP 本征跨導(dǎo)參數(shù)GAMMA

體效應(yīng)閾值系數(shù)PHI 2F

強(qiáng)反型使的表面勢(shì)壘高度LAMBDA

溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)UO μo/μ