第2章MOS器件物理基础

深三极管区时，VDVS，

饱和区时，
在三极管区和饱和区，CGB通常可以被忽略。
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2.4.3 MOS小信号模型－基本ＭＯＳ小信号模型
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2.4.3MOS小信号模型－考虑沟导长度调制效应
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例：采样spice进行DC分析
* DC analysis for AMP M1 2 1 0 0 MOSN w=5u l=1.0u M2 2 3 4 5 MOSP w=5u l=1.0u M3 3 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0u R1 3 0 100K
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2.4 MOS器件模型

2.4.2 MOS器件电容


栅和沟道之间的氧化层电容
衬底和沟道之间的耗尽层电容 多晶硅栅与源和漏交叠而产生的电容C3，C4，每单 位宽度交叠电容用Cov表示
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εsi表示硅介电常数。
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“Hale Waihona Puke Baidu征”阈值电压
通过以上公式求得的阈值电压，通常称为“本征(native)”阈值 电压，典型值为-0.1V. 在器件制造工艺中，通常通过向沟道区注入杂质来调整VTH 对于NMOS，通常调整到0.7V（依工艺不同而不同）
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2.2.2 MOS器件的I/V特性
定义：
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2.2.2 MOS器件的I/V特性
1）截止区(VGS<VTH)
2）三极管区（线性区） (VGS ≥ VTH， VDS<VGS-VTH）
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2.3.4 电压限制

栅氧击穿 过高的GS电压。 “穿通”效应 过高的DS电压，漏极周围的耗尽层变宽，会到达源 区周围，产生很大的漏电流。

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2.4
MOS器件模型
2.4.1 MOS器件的版图
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2.4.2 MOS器件电容
源/漏与衬底之间的结电容C5，C6，可以分解为两部分：
Cj：与结的底部相关的下极板电容 Cjsw：由于结周边引起的侧壁电容
E
W
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等效电容： 器件关断时，CGD=CGS=CovW，
CGB由氧化层电容和耗尽区电容串连得到
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例：采样spice进行AC分析
* AC analysis for AMP M1 2 1 0 0 MOSN w=5u l=1.0u M2 2 3 4 5 MOSP w=5u l=1.0u M3 3 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0u R1 3 0 100K CL 2 0 5p Vdd 4 0 DC 5.0 Vin 1 0 DC 1.07 AC 1.0 .op .ac DEC 20 100 100MEG .plot ac VDB(2) VP(2) .probe *model .MODEL MOSN NMOS VTO=0.7 KP=110U +LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7 .MODEL MOSP PMOS VTO=-0.7 KP=50U +LAMBDA=0.05 GAMMA=0.57 PHI=0.8 模拟CMOS集成电路设计 .end
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耗尽区电荷随衬底电压的变化
其中，γ为体效应系数
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2.3.2 沟道长度调制效应
当沟道夹断后，当VDS增大时，沟道长度逐渐减小， 即有效沟道长度L‟是VDS的函数。
定义L‟=L-ΔL
ΔL/L=λVDS λ为沟道长度调制系数，表示给定 的Vds增量所引起的沟道长度的相 对变化量 。
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2.3.3亚阈值导电性
当VGSVTH时和略小于VTH ，“弱”反型层依然存在， 与VGS呈现指数关系。当VDS大于200mV时，
这里ζ>1，VT＝kT/q
Vdd 4 0 DC 5.0 Vin 1 0 DC 5.0
.op .dc vin 0 5 0.1 .plot dc V(2) .probe *model .MODEL MOSN NMOS VTO=0.7 KP=110U +LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7 .MODEL MOSP PMOS VTO=-0.7 KP=50U +LAMBDA=0.05 GAMMA=0.57 PHI=0.8 .end
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饱和区MOS器件的I/V特性曲线
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PMOS
ID参考电流方向
截止区 三极管区（线性区）


饱和区
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4）跨导的定义 漏电流的变化量除以栅源电压的变化量，数学表达式为：
目前工艺厂家最常提供的MOS SPICE模型为BSIM3v3 （UC Berkeley） BSIM web site: http://www-device.eecs.berkeley.edu/~bsim3

仿真器：

HSPICE；SPECTRE；PSPICE；ELDO WinSPICE；Spice OPUS Free!
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阈值电压（VTH）定义 NMOS的VTH通常定义为界面的电子浓度等于P型衬 底的多子浓度时的栅压。
多晶硅栅和硅衬底的功函数之差
反型层与氧化硅层的表面势
(q是电子电荷，Nsub是衬底掺杂浓度，Qdep是耗尽区电荷) Cox是单位面积的栅氧化层电容
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2.4.3MOS小信号模型－考虑体效应
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2.4.3MOS小信号模型－考虑体效应
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2.4.3MOS小信号模型－考虑器件电容
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例：Hspice模拟MOS管的I/V特性
*Output Characteristics for NMOS M1 2 1 0 0 N50 w=5u l=1.0u VGS 1 0 1.0 VDS 2 0 5 .op .dc vds 0 5 .2 Vgs 1 3 0.5 .plot dc -I(vds) .probe *model *.lib „. /ms018_v1p4.lib‟ tt .MODEL MNMOS NMOS VTO=0.7 KP=110U +LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7 .end 模拟CMOS集成电路设计
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深线性区（VDS<<2(VGS-VTH)
源漏之间的通道可以用一个线性的电阻表示
电阻的阻值等于
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3）饱和区(VGS ≥ VTH， VDS≥VGS-VTH）
如果 L‟ 近似等于 L ，则 ID 与 VDS 无关。工作在饱和区的 MOS 管构 成一个连接源和漏的电流源。
（以n型为例）
2.1.1
栅（G: gate）、源（S: source）、漏（D: drain）、衬底（B: bulk、body) 衬底材料是单晶硅片，起支撑作用。
表面的晶体管源、栅、漏区域统称有源区，栅电极下的衬底表面区域称沟道区。
有源区以外的区域称为场区，场区表面是厚氧化层。 器件的源漏区是相互对称的，可互换。 模拟CMOS集成电路设计
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注意: 模型中给出的是栅氧层的厚度 Tox, 通常当 Tox约等于50Ã时，Cox≈6.9fF/um2, 对应与 0.5um模型中Cox的值为：
3.84x10-3F/m2
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2.5 画出Ix和MOS管的跨导关于Vx的函数曲线草 图，Vx从0变化到Vdd,图（a)中Vx从0变化到1.5V
Leff=Ldrawn-2Ld
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MOSFET是一个四端器件 PMOS管通过将NMOS管的所有掺杂类型取反来实现（包括衬底） NMOS衬底接电路最低电压, PMOS衬底接最高电压
CMOS技术
将NMOS和PMOS在同一个衬底上实现的工艺 PMOS管做在P型衬底上的一个“局部衬底”上， 这个“局部衬底”通常称为“阱”。
N阱 模拟CMOS集成电路设计
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2.1.2 MOS符号
模拟电路设计中,建议采用图(a)的符号,明确的将源,漏和衬底表示出来
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2.2 MOS的I/V特性

2.2.1 阈值电压
（以N型FET为例）
耗尽（b）；反型开始（c）；反型（d）
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CMOS模拟集成电路设计
第二章 MOS器件物理基础
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提 纲




基本概念 MOS的I/V特性 二级效应 MOS器件模型
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2.1
基本概念
MOSFET的结构
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例：采样spice进行TRAN分析
* TRAN analysis for AMP M1 2 1 0 0 MOSN w=5u l=1.0u M2 2 3 4 5 MOSP w=5u l=1.0u M3 3 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0u R1 3 0 100K *CL 2 0 5p Vdd 4 0 DC 5.0 Vin 1 0 DC 1.07 sine(2v 2v 100KHz) .op .tran .1u 10u .plot tran V(2) V(1) .probe *model .MODEL MOSN NMOS VTO=0.7 KP=110U +LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7 .MODEL MOSP PMOS VTO=-0.7 KP=50U +LAMBDA=0.05 GAMMA=0.57 PHI=0.8 模拟CMOS集成电路设计 .end
跨导表示电压的变化引起多大的电流的变化
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小结——I-V特性
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2.3 二级效应

2.3.1体效应
对于NMOS，当VB<VS时，随VB下降，在没反型前， 耗尽区的电荷Qd增加，造成VTH增加，也称为“背 栅效应”
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2.4.1 MOS器件的版图
N-well Active Poly-Si P/N Select Contact
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2.4.1 MOS器件的版图
N-well Active Poly-Si P/N Select Contact Metal Via
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MOS SPICE模型
在电路模拟（simulation）中，SPICE要求每个器件都有一 个精确的模型。 种类



1st 代：Level1，Level2，Level3； 2nd代：BSIM，HSPICE level＝28，BSIM2 3rd代：BSIM3，MOS model9，EKV(Enz-Krummenacher-Vittoz)