CMOS集成电路设计基础资料

?? ?
U
GS
? U THP
2 (1 ? ? pU DS )
|UDS |<|UGS|-|UTHP| (线性区 )
|UDS |>| UGS |-|UTHP |
(恒流区)
第十三页，共35页。
μn——电子(diànzǐ()单迁位移电率场作用下电子的迁移(qiāny)í。)速μ度n≈1300
cm2/s·V
CMOS 集成电路设计(shèjì)基础
－MOS器件(qìjiàn)
第一页，共35页。
MOS 器件(qìjiàn)
G 多晶硅
D
S
氧化(yǎnghuà)层
W
N＋ P 型衬 底
L eff
L drawn
N＋ LD
NMOS管的简化(jiǎnhuà)结构
第二页，共35页。
制作(zhPì型zu衬ò)底在上 (P-Substrate, 也称bulk 或body, 为了(wèi le)区别于源 S， 衬底以 B来表示()，biǎ两os个hì重)掺杂 N区形成源区和漏区， 重掺
用。 漏极电压 UDS 对漏极电流 ID的控制作用基本上分两段， 即线性 区(Linear)和饱和区 (Saturation)。 为了不和双极型晶体管的饱和区
混淆， 我们将MOS管的饱和区称为恒流区， 以表述UDS 增大而电 流ID基本恒定的特性。
线性区和恒流区是以预夹断点的连线为分界线的
(图虚线所示 )。
?U DS ?I D
?
1
?
n
Cox
??W ?L
??(U ?
GS
?
U TH
)
第十九页，共35页。
恒流区的输出电阻
根据恒流区的电流(diànliú)方程有
RON
?
?U DS
?ID
?
?n
1
? nCox
2
?W
? ?L
??(U
?
GS
?
U TH )2
?
1
?n I DQ
?
UA I DQ
工作(gōngzuò)点IDQ越越低小，， 输出电阻越大。
增大而减小。
U /V TH N sub ＝ 1017 cm －3
N sub ＝ 1106 cm －3
0
1
2
3
4
(a )
U /V TH
L/? m
0
第二十四页，共35页。
2
4
6
W /? m
8 10
(b )
MOS管的特征频率 fT
MOS 管的特征频率为
fT
?
1
2??
其中(, qτ为íz电hō子ng在) 沟道(ɡōu dào)中的渡越有时间，
P MOS － Di
NMOS 管和PMOS 管工作(gōngzuò)在恒流区的转其移中特(U性qTíH，zNh(ōUngTH)P ) 为开启电压， 或称阈值电压 (Threshold V oltage)。 在半导体物理
学中， NMOS 的UTHN 定义为界面反型层的电子浓度等于 P型衬底 的多子浓度时的栅极电压。
?p
?
1 UA
?
0.02 /V
式中， UA为厄尔利电压(Early Voltage)
第十六页，共35页。
对于(duìyú)0典.5 型μm的工艺(gōMngOySì管)的， 忽略沟道(ɡōu dào)调制其效应，
主要参数如下表所示
第十七页，共35页。
假定(jiǎdNìMngO)S有管一， W=3 μm, L=2 μm, 在恒流区则有 :
NMOS 的输出特性
ID
线性区 饱和(bǎohé)区(恒流区)
U GS ＝ 5 V
U GS ＝ 2.5 V
U GS ＝ 1.5 V O
第九页，共35页。
U DS
栅极电压(diànyā)超过阈UT值HN电后压，(开di始àn出yā现) (chūxiàn)电u流GS且越栅大压，
漏极电流(diànliú)也越大的体现现象了，栅压对漏极电流有明显的控制作
第七页，共35页。
UTHN 与材料(cái掺li杂ào()c、hān z栅á)氧浓化度层、电容(diànróng)等诸多因素在有器关。
件制造过程中， 还可以通过向沟道区注入杂质， 从而改变氧化
层表面附近的衬底掺杂浓度来控制阈值电压的大小。 工作在恒
流区的 MOS管漏极电流与栅压成平方律关系。
第八页，共35页。
·体效应(衬底调制效应 )、 沟道调制效应 (λ与UA)和亚阈区均属于二 阶效应， 在MOS管参数中应有所反映。
第二十六页，共35页。
MOS 电 容
用作单片电容器的 MOS 器件(qìjiàn)特性
专门(zhuāMnmOéSn)电使容用的器件(qìjiàn)相当于二端其器中件((aq)ì为jiàn)。 MOS 电容结构， 多晶硅和 N+扩散区构成电容器 CAB 的两极，
UTH 的温度(wēndù)系数大约为：
dUTH ? ? 4mV /? C
dT
dUTH ? ? 2mV /? C
dT
重 掺杂
轻掺杂
第十五页，共35页。
λn、 λp——沟道(ɡōu dào)调制即系U数D，S对沟道(ɡōu dào
度的影响(yǐngxiǎng)。
NMOS PMOS
?n
?
1 UA
?
0.01 /V
?
? ?
?
Cn ox
?2
?? W ?L
??[2(U
?
GS
? U THN )U DS
?
U
2
DS
]
? ? ?
? ?
?
nCox 2
??W
?L
?? ?
U GS
? U THN
2 (1 ? ?nU DS )
UGS <UTHN (截止区)
UDS <UGS-UTHN (线性区)
UDS >UGS- UTHN (恒流区 )
第二十页，共35页。
MOS管的跨导 gm
恒流区的电流方程在忽略沟道调宽影响(yǐngxiǎng)时为平方即律方程，
ID
?
?
nC ox
2
??W
?L
???U
?
GS
? ? UTH 2
那么(UnGàS对meI)D的控制能力参数g(mc为ānshù)
gm ?
?I D
?U GS
?
?
n
Cox
??W ?L
??(U ?
UGS ? 2V
ID
?
K 2
???W ?L
??(U ?
GS
? UTH )2
?
1
2
?73
?
A
/
V
2
????
3? 2?
m
m
????(
2V
?
0.7V )2
? 93?A
若UGS =5 V, 则
ID
?
1 2
?73?
A
/
V
2
????
3? 2?
m m
????(5V
?
0.7V )2
?
1.0mA
第十八页，共35页。
MOS管的输出电阻
GS
? U TH )
?
2?
Cn ox
??W ?L
??I
?
D
? 2ID
U GS ? U TH
第二十一页，共35页。
在W/L 不变的情况下，
gm与(UGS -UTH)成线性
关系， 与ID的平方根成
正比； 在ID不变的情况 下， gm与(UGS -UTH)成 反比。
gm
gm
gm
O
U GS － UTH
O
O ID
一般(yībān)情况人下们，将沟道长度 L>3～4 μm的MOS 管称为“长 沟道”， 将L<3 μm的MOS管称为“短沟道”， 而将L(W)<1 μm 的MOS管的制作工艺称为亚微米工艺。
第二十三页，共35页。
L、 W尺寸(chUǐTcHun的)对影响(yǐngxiǎng)
在长沟道(ɡōu dào)阈器值件电中压，UTH与沟道长度L和沟 道宽度W的关系不大； 而在短沟道器件中， UTH 与L、 W的关系较大。 UTH随着 L的增大而增大， 随着 W的
ＵDS 对沟道的影响
第十一页，共35页。
UDS >UGS -UTH 管子工
作在恒流区， 此时若
UDS增大， 大部分电
压降在夹断区， 对沟
道电场影响不大， 因
此电流增大很小。
MOS管的电流(diànliú)方程
NMOS在截止(jiézh线ǐ)性区区、、 恒流区的电流(diànliú)
?
??0
I DN
第三页，共35页。
衬底的连接(liánjiē)
U DD
G
B
S
D
G
B
S
D
N＋
P＋
P＋
N 型衬底 (a )
P＋
N＋
N＋
P 型衬底 (b)
为了(wèMi OlSe)管使的电流只在导电沟道中沿表面流动(liúdòng)而不产生 于衬底的额外电流， 源区、 漏区以及沟道和衬底间必须形成反 偏的PN 结隔离， 因此， NMOS管的衬底 B必须接到系统的最低 电位点 (例如“地”)， 而PMOS管的衬底B必须要接到系统的最 高电位点 (例如正电源 UDD )。 衬底的连接如图 (a)、 (b)所示。
(线性区)
UDS <UGS-UTH 管子(guǎn z
在线性区， 此时 UDS 增 大， ID有明显的增大。
漏区(N＋ ) 电流(diànliú)
U DS ＝U GS －U TH (预夹断)
UDS=UGS-UTH 则沟
道在漏区边界上被
夹断， 因此该点电
压称为预夹断电压。
源区(N＋ )
电流
漏区 (N＋ ) U DS ＞U GS －U TH (恒流区)
第十二页，共35页。
PMOS在截止(jiéz线hǐ性)区区、、 恒流区的电流(diànliú)
?
|UGS|<|UTHP |
??0
(截止(ji) ézhǐ)区
? ? I DP
?
? ?
?
?
? P Cox
2
? ?
?
W
L
??[2 ?
(U
GS
?
U THP
)U DS
?
U
2
DS
]
?
?
?
Cp ox
?2
??W ?L
μp——空穴(kōnɡ x(u单é)位迁电移场率作用下空穴的迁移速度 )。 μp≈500 cm2/s·V
? n ? 1300 ? 2.6
? p 500
Cox—— 单位面积栅电容
Cox
?
? s0 SiO2
tox
W/L ——沟道宽度和沟道长度之比。
第十四页，共35页。
UTHN 、 UTHP——开启(kāiq(ǐ阈)电值压电压)。 若UDD =5 V， 则 增强型 NMOS管： UTHN≈(0.14 ～0.18) UDD ≈0.7 ～0.9 V 增强型PMOS 管： UTHP ≈-0.16| UDD|≈-0.8 V 耗尽(hàMo OjìSn管)型： UTH≈-0.8UDD≈-4 V
P MOS
D
S
G
G
B
B
S (a )
NMOS D
D
P MOS
S
G
G
NMOS D
P MOS
S
G
B
G
B
S NMOS
D
G
D
(b)
P MOS
S
G
S
(c)
D
S
D
(d)
MOS管常用(chánɡ yònɡ)符号
第六页，共35页。
MOS 管的电流电压(diànyā)特性
iD
NMOS
U THP
－u GS
u GS
O
U THN
1. 线性区的输出电阻
根据线性区的电流(diànliú)当方U程D，S 很小 (UDS<<2(UGS-UTH))时， 近
似有
ID
?
?
n C ox
2
??W ?L
??[2(U
?
GS
? UT H )U DS
?
U
2 DS
]
?
?
Cn ox
??W ?L
??(U ?
GS
?
UTH
)U DS
输出电阻 RON为
RON
?
在栅压 UGS一定的情况下， 随着 UDS从小变大， 沟道将发生如图所 示的变化。
若 UDS=UGS -UTH 则沟道在漏区边界上被夹断， 因此该点电压称为 预夹断电压。
第十页，共35页。
源区 (N＋ )
反型层 源区 (N ＋ )
漏区 (N＋ ) 电流(diànliú)
U DS ＜U GS －U TH
(W / L)不变
(W / L)不变
(a )
(b)
ID 不变
(c)
U GS － UTH
gm随电压((UdiGàS-nUyTāH))和漏电流(IDd的ià变nl化iú关) 系(guān xì)曲线
第二十二页，共35页。
沟道(ɡōu Wdà, oL)对尺阈寸值电压 UTH和特征频率 fT的影响(yǐngxiǎ
? ? L ? L ? L2 ? n ? n E ? nU DS
L为沟道(ɡōu dàoμ)n长为度电，子迁移
率， E为沟道电场强度
(E = U DS /L)。
Hale Waihona Puke fT?? nU DS
2? L2
第二十五页，共35页。
以上(yǐshàng)分析表明：
·MOS场效应管的性能(xìngnéng)(与W/宽L)长有比很强的依赖(yīlà;i)关系 ·沟道长度 L越小， fT及gm越大， 且集成度越高 , 因此， 减小器件尺 寸有利于提高器件性能。 ·提高载流子迁移率μ有利于增大fT及gm， NMOS的μn比PMOS的μp大 2～4 倍， 所以NMOS管的性能优于 PMOS管;
第四页，共35页。
N阱及 PMOS
G
B
S
D
P＋
N＋
N＋
P 型 衬底
G
S
D
B
P＋
N阱
P＋
N＋
在互补(hùCbMǔO)型S 管中， 在同一(tóngyī)衬底NM上O制S作管和 PMOS 管， 因此(yīncǐ)P必M须O为S 管做一个称之为“阱 (Well)”的“局部衬底” 。
第五页，共35页。
NMOS
杂多晶硅区 (Poly) 作为栅极， 一层薄 SiO2 绝缘层作为栅极与衬底
的隔离。 NMOS管的有效作用就发生在栅氧下的衬底表面 —— 导电沟道 (Channel)上。 由于源漏结的横向扩散， 栅源和栅漏有一重叠长度为 LD ， 所以 导电沟道有效长度(Leff)将小于版图中所画的导电沟道总长度。 我们将用 L表示导电沟道有效总长度 Leff， W表示沟道宽度。 宽长比 (W/L) 和氧化层厚度 tox这两个参数对 MOS 管的性能非常 重要。 而MOS 技术发展中的主要推动力就是在保证电性能参数 不下降的前提下， 一代一代地缩小沟道长度 L和氧化层厚度tox。