第一章 CMOS电路中的器件及其模型

第一章CMOS电路中的器件及其模型第一节MOSFET基础第二节MOSFET的SPICE模型第一节MOSFET基础MOSFET的基本结构MOSFET的基本原理MOSFET的稳态特性MOSFET的动态特性MOSFET的二级效应第一节MOSFET基础MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor 金属－氧化物－半导体场效应晶体管四端器件：栅Gate源Source漏Drain衬底BodySDG多晶硅有源区金属WLSiO 2SiO 2n +n +S D Lp-Sit ox x jGMOS 晶体管的结构版图剖面图B关键参数：沟道长度L 沟道宽度W 栅氧化层厚度Tox衬底掺杂浓度Nsub 源漏pn 结结深xj实际沟道长度L = LG –2LDP-SiL DL(drawn)n+n+n+n+杂质的横向扩散实际沟道宽度DaWWW2-=场氧化产生的鸟嘴沟道宽度W W W 123w W=4wW=W1+W2+W3W =4WSSS S DD DMOS晶体管的电势分布MOS晶体管的分类I－V特性•简单电流方程•四端器件的完整电流方程•亚阈值区电流方程•MOS晶体管的主要直流参数MOSFET的工作过程及I－V 特性亚阈线性饱和I DSV G－V tMOSFET的输入、输出特性曲线MOS 管的电流电压NMOS 管的I~V 特性推导NMOS 管的电流——电压关系式：设：Vgs>Vtn ，且Vgs 保持不变，则：沟道中产生感应电荷，根据电流的定义有：其中：τ电子平均传输时间栅下感应总电子电荷数Qc Ids =L τυ=沟道长度电子运动速度ν=μn*E ds μn 为电子迁移率（cm ²/v*sec ）E ds =V ds /L 沟道水平方向场强代入：ν=（μn*V ds ）/L代入：关键是求Qc ，需要分区讨论：ds n V L ⨯=μτ2（1）线性区：Vgs-Vtn>Vds设：Vds 沿沟道区线性分布则：沟道平均电压等于Vds/2由电磁场理论可知：Qc=e o ⨯e ox ⨯Eg ⨯W ⨯L 其中：tox 为栅氧厚度e o 为真空介电常数e ox 为二氧化硅的介电常数W 为栅的宽度t oxVds Vtn Vgs Eg 2/)(--=令：Cox=(e o ⨯e ox)/tox 单位面积栅电容K= Cox ⨯μn 工艺因子βn=K(W/L) 导电因子则：Ids=βn[(Vgs-Vtn)-Vds/2]Vds——线性区的电压-电流方程当工艺一定时，K 一定，βn 与（W/L ）有关。

电子的平均传输时间τ∝L ²。

()()222o ox o ox n ox oxnVds Vgs Vtn WL Qc W Vds Ids Vgs Vtn Vds L Vds t L t e e e e τμμ⎡⎤--⎢⎥⎛⎫⎡⎤⎣⎦===-- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦（2）饱和区：Vgs-Vtn<VdsVgs-Vtn 不变，Vds 增加的电压主要降在△L 上，由于△L <<L ，电子移动速度主要由反型区的漂移运动决定。

所以，将以Vgs-Vtn 取代线性区电流公式中的Vds 得到饱和区的电流—电压表达式： LSD Vds Vds-(Vgs-Vtn)Vgs-Vtn()22Vtn Vgs n Ids -=βPMOS 管I~V 特性电流-电压表达式：线性区：Isd=βp|Vds|(|Vgs|-|Vtp|-|Vds|/2) 饱和区：Isd=(βp/2)(|Vgs|-|Vtp|)²-Vgs G N-Si 衬底S DIsd=-IdsVddP P-Vds|Ids |输出特性曲线 | Vds |0线性区饱和区|Vg5||Vg4||Vg3||Vg2||Vg1|Vgs-t<0MOSFET主要直流参数•阈值电压•导电因子•体效应系数•跨导•导通电阻（沟道电导的倒数）•亚阈值斜率定义：使源端半导体表面达到强反型的栅压。

MOSFET 稳态特性阈值电压V T = V FB + V B+ V ox 源端强反型时的V GS 平带电压降在MOS 结构上的自建势ox ox FB C Q V MS -=ϕ降在半导体上的压降，强反型时为－2φf 降在栅氧化层上的压降Q BM /C ox阈值电压Vt ：Vt 是晶体管的一个重要参数。

计算表明，Vt 的公式为：其中：：费米能级q ：电子电量：平带电压：衬底掺杂浓度：Si 的介电常数：栅氧化层厚度：衬底与源极间所加的偏置电压()SB F B si OX OX FB F T V qN T V V -Φ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++Φ=222e e FΦFBV B N sie V OX T直流导通电阻漏源电压Vds 与漏源电流Ids 的比值称为直流导通电阻Ron ，即：1、非饱和区的直流导通电阻当Vds 趋于零时，dsds on I V R =()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=2122ds t gs ds ds t gs ds on V V V V V V V V R ββ线()t gs V on V V R ds -=→β1|0线2、饱和区的直流导通电阻临界饱和点：Vds=Vgs-Vt ，•即在临界饱和点的直流导通电阻为线性区Vds=0时的直流导通电阻的两倍：()22t gs ds on V V V R -=β饱()21|t gs V V V on V V R t gs ds -=-=β饱0|2|=-==ds t gs ds V on V V V on R R 线饱*栅源直流输入电阻：对于结构完整的热生长SiO2，厚度在1500左右时，电阻可达以上。

这样高的输入阻抗，使MOS 电路具有很可贵的特性：（1）当一个MOS 管驱动后面的MOS 电路时，由于后面不取电流，所以静态负载能力很强。

（2）由于输入阻抗很高，使栅极漏电流很小。

在室温下，Vds 为零时，栅极漏电流一般只有左右。

这样可以将信息在输入端的栅电容上暂存一定时间，这就为MOS 动态电路创造了条件。

Ω1210oA A 1410-MOSFET的二级效应（1）短沟效应和窄沟效应（2）载流子迁移率受垂直电场的影响（3）漏感应势垒降低（DIBL）效应（4）载流子速度饱和效应（5）沟道长度调制效应（6）热载流子效应（7）亚阈区电流MOSFET 动态特性 MOS晶体管的电容MOS晶体管的小信号模型MOS晶体管的电容本征电容寄生电容MOS 晶体管的本征电容- - - - -++++++++++++- - - -p-SiV V VS GBDV Q GQ Q c Bn+n+本征电容模型Meyer模型电荷守恒模型dtdVVCi)(=dtdQi=3个集总电容：,,GBGTGBGDGTGDGSGTGS VQCVQCVQC∂∂=∂∂=∂∂=)(BTCTGTQQQ+-=导通后CTGTQQ∆-≈∆Meyer模型本征电容的简单分区模型工作区CGB CGS CGD截止区WLCox 0 0线性区0 1/2 WLCox 1/2WLCox 饱和区0 2/3 WLCox 0tV V Q t V V Q t V V Q t V V Q dt dQ iBB x D D x S S x G G x x ∂∂∂∂+∂∂∂∂+∂∂∂∂+∂∂∂∂==, ,yxxy yxxy C C y x V QC ≠≠∂∂=电荷守恒模型MOSFET中的寄生电容MOS 晶体管的寄生电容栅-源、栅-漏覆盖电容n +n +C GS'C 'GDL D0' ,'''GD GD GS GS ox D GD GS WC C WC C C WL C C ====C GB ov C GBov LL F0 'GB oxF F GB LC C L L C ==栅-衬底覆盖电容源漏结电容C j= C jo[1 –V j/V b] -m 突变结m = 1/2线性缓变节m=1/3C j= C jo[1 –V j/V b] -mMOS晶体管的低频小信号模型特点：小信号－－非线性部分可用线性响应替代可以把MOSFET的偏置分为工作点和小信号两部分由于是线性响应，小信号之间是相互独立的小信号电流定义参数跨导输出电导背栅跨导MOS晶体管的小信号模型•跨导线性区饱和区•输出电导线性区饱和区•背栅跨导线性区饱和区)(TGSGSDmVVVIg-=∂∂=βDSGSDmVVIgβ=∂∂=)(DSTGSDSDdVVVVIg--=∂∂=βλ2)(TGSdVVKg-=⎪⎭⎫⎝⎛∂∂-=∂∂=BSTDSBSDmb VVVVIgβ⎪⎭⎫⎝⎛∂∂--=BSTTGSmb VVVVg)(β参数MOS 晶体管的低频小信号模型MOS晶体管的高频小信号模型饱和时数字电路中MOSFET的电容简化模型V inC inV outC outDBoutoxinCCWLCC≈≈V out C wV inC DB2C DB1C GD12M 2M 1M 4M 3V out2C G4C G3wiring (interconnect) capacitanceintrinsic MOS transistor capacitancesV out2V inextrinsic MOS transistor (fanout) capacitances V out C L ndrainpdrain数字电路中的电容半导体器件模型半导体器件模型简介The model is always distinct from the physical device.模型总是近似的（但分为不同的层次）适于电路模拟的器件模型Compact model 简练模型半导体器件模型简介简练模型的要求：准确反映基本性能──高精度计算速度快、收敛性好──效率高模型参数有物理意义，参数少，易提取──物理模型 模拟范围大──有预见性半导体器件模型简介分类：物理模型经验模型半经验模型数值模型建模的内容：直流模型电容模型交流小信号模型 温度模型噪声模型统计模型SPICE中的MOSFET模型在SPICE中包含着五种基本的MOSFET模型，以供用户按具体情况选用，其中：Level=1Shichman—Hodges模型（MOSFET一级模型）Level=2基本几何图形的解析模型（MOSFET二级模型）Level=3半经验短沟道模型（MOSFET三级模型）Level=4BSIM模型（MOSFET四级模型）Level=6 BSIM3模型（MOSFET八级模型）BSIM4 模型MOSFET的一级模型SPICE的MOSFET模型中最简单的一种该模型适于沟长大于5微米栅氧化层厚度大于500埃的MOSFET计算速度快但不精确。