第五章MOS场效应管的特性..ppt

集成电路设计基础BasicofIntegratedCircuitDesign 电子信息工程系武斌 ScienceandTechnologyofElectronicInformation MOS管特性 第五章MOS场效应管的特性 ScienceandTechnologyofElectronicInformation 5 1MOS场效应管5 2MOS管的阈值电压5 3体效应5 4MOSFET的温度特性5 5MOSFET的噪声5 6MOSFET尺寸按比例缩小5 7MOS器件的二阶效应 MOS管特性 5 1 1MOS管伏安特性的推导 两个PN结 1 N型漏极与P型衬底 2 N型源极与P型衬底 同双极型晶体管中的PN结一样 在结周围产生了耗尽层 一个电容器结构栅极与栅极下面区域形成一个电容器 是MOS管的核心 MOS管特性 MOSFET的三个基本几何参数 栅长 L 栅宽 W 氧化层厚度 toxLmin MOS工艺的特征尺寸 featuresize L影响MOSFET的速度 W决定电路驱动能力和功耗L和W由设计者选定 通常选取L Lmin 由此 设计者只需选取W MOS管特性 MOSFET的伏安特性 电容结构 当VGS0时P型区内的空穴被不断地排斥到衬底方向 少子电子在栅极下的P型区域内就形成电子分布 建立起反型层 即N型层 当VGS VT时形成从漏极到源极的导电沟道 这时 栅极电压所感应的电荷Q为 Q CVge式中Vge是栅极有效控制电压 MOS管特性 非饱和时 沟道未夹断 在漏源电压Vds作用下 这些电荷Q将在 时间内通过沟道 因此有 为载流子速度 Eds Vds L为漏到源方向电场强度 Vds为漏到源电压 为载流子迁移率 n 650cm2 V s 电子迁移率 NMOS p 240cm2 V s 空穴迁移率 PMOS 电荷在沟道中的渡越时间 MOS管特性 MOSFET的伏安特性方程 非饱和情况下 通过MOS管漏源间的电流Ids为 0 栅极 沟道间氧化层介电常数 4 5 0 0 88541851 10 11C V 1 m 1 Vge 栅级对衬底的有效控制电压 MOS管特性 当Vgs VT Vds时 满足 Ids达到最大值Idsmax 其值为Vgs VT Vds 意味着 Vge Vgs VT Vds Vgs Vds VT 0沟道夹断 电流不会再增大 因而 这个Idsmax就是饱和电流 MOSFET饱和特性 MOS管特性 MOSFET特性曲线 在非饱和区呈线性电阻饱和区 Ids与Vds无关 与Vgs有关 MOS管特性 5 1 2MOSFET电容的组成 MOS电容是一个相当复杂的电容 具有多层介质 在栅极电极下面有一层SiO2介质 SiO2下面是P型衬底 最后是衬底电极 同衬底之间是欧姆接触 MOS管的电容 MOS电容 1 当Vgs 0时 在Si表面和栅极之间 形成了平板电容器 其容量为 通常 ox 3 9 8 854 10 4F cm2 W为栅宽 L为栅极长 单位是cm2 tox是厚度 单位是cm MOS管的电容 SiO2和耗尽层介质电容 2 当Vgs 0时 MOS电容器可以看成两个电容器的串联 栅极上的正电荷排斥了Si中的空穴 在栅极下面的Si表面上 形成了一个耗尽区 耗尽区中空穴被赶走后剩下的固定的负电荷 分布在厚度为Xp的整个耗尽区内 而栅极上的正电荷则集中在栅极表面 基底接负极 以SiO2为介质的电容器 Cox以耗尽层为介质的电容器 CSi MOS管的电容 MOS电容 束缚电荷层厚度 耗尽层电容的计算方法同PN结的耗尽层电容的计算方法相同 利用泊松方程 将上式积分得耗尽区上的电位差 从而得出束缚电荷层厚度 式中NA是P型衬底中的掺杂浓度 为空间电荷密度 为电势 MOS管的电容 MOS电容 耗尽层电容 是一个非线性电容 随电位差的增大而减小 在耗尽层中束缚电荷的总量为 是耗尽层两侧电位差 的函数 耗尽层电容为 MOS管的电容 MOS电容 耗尽层电容特性 3 随着Vgs的增大 耗尽层厚度Xp增大 耗尽层上的电压降 就增大 因而耗尽层电容CSi就减小 耗尽层上的电压降的增大 意味着Si表面能级的下降 一旦Si表面能级下降到P型衬底的费米能级 这时在Si表面 电子浓度与空穴浓度相等 成为本征半导体 半导体呈中性 若Vgs再增大 排斥掉更多的空穴 吸引了更多的电子 这时 Si表面的电子浓度超过了空穴的浓度 形成N反型层 耗尽层厚度的增加就减慢了 CSi的减小也减慢了 MOS管的电容 MOS电容 耗尽层电容特性 续 4当Vgs增加 达到VT值 Si表面电位的下降 能级下降已达到P型衬底的费米能级与本征半导体能级差的二倍 在形成的反型层中 电子浓度已达到原先的空穴浓度 显然 耗尽层厚度达最大Xpmax CSi也不再减小 这样就达到最小值Cmin 5当Vgs继续增大 反型层中电子的浓度增加 来自栅极正电荷的电力线 部分落在这些电子上 落在耗尽层束缚电子上的电力线数目就有所减少 耗尽层电容将增大 两个电容串联后 C将增加 6当Vgs足够大时 反型层中的电子浓度已大到能起到屏蔽作用 全部的电力线落在电子上 这时 反型层中的电子将成为一种镜面反射 感应全部负电荷 于是 C Cox 电容曲线出现了凹谷形 MOS管的电容 MOS电容 凹谷特性 若测量电容的方法是逐点测量法 一种慢进程 那么将测量到这种凹谷曲线 MOS管的电容 5 1 3MOS电容的计算 MOS电容C源极和衬底之间结电容Csb漏极和衬底之间结电容Cdb栅极与漏极 源极扩散区间都存在着交迭 引出线之间杂散电容 都计入Cgs和Cgd MOS管的电容 MOS电容CG CD的讨论计算 MOS电容CMOS CG CD 二极管接法 1 若Vgs VT 沟道未建立 MOS管漏源沟道不通 MOS电容C Cox 但C对Cd无贡献 CG Cgs CoxCD Cdb沟道建立 MOS管导通 MOS电容是变化的 呈凹谷状 这时MOS电容C对Cg Cd都有贡献 它们的分配取决于MOS管的工作状态 MOS管的电容 MOS电容的计算 CG Cgs C 2 3CD Cdb C 1 3 因为在非饱和状态下 与栅极电荷成比例的沟道电流由Vgs和Vds的系数可知 栅极电压Vgs与漏极电压Vds对栅极电荷的影响力为2 1的关系 故贡献将分别为2 3与1 3 MOS管的电容 2 若Vgs VT 若处于非饱和状态 则按1 3与2 3分配 即 CMOS MOS电容的计算 若处于饱和状态 则表明沟道电荷已与Vds无关 那么 CG Cgs C 2 3 CD Cdb 0 实际上在饱和状态下 沟道长度受到Vds的调制 当Vds增加时 漏端夹断区耗尽层长度L 增大 有效沟道长度L L 变小 Ids增加 然而 L 的增大使得漏极耗尽层宽度有所增加 增大了结电容 故 CD Cdb 0 Cdb MOS管的电容 CrossviewofparasiticcapacitorofTSMC 0 35umCMOStechnology 深亚微米CMOSIC工艺的寄生电容 MOS管的电容 Cap N Act P Act PolyM1M2M3UnitsArea sub 5269378325108aF um2Area poly 541811aF um2Area M1 4617aF um2Area M2 49aF um2Area N act 3599aF um2Area P act 3415aF um2Fringe sub 249261aF um 深亚微米CMOSIC工艺的寄生电容 af 10 18F MOS管的电容 5 2MOSFET的阈值电压VT VT就是将栅极下面的Si表面从P型Si变为N型Si所必要的电压 它由两个分量组成 即 VT Us VoxUs Si表面电位 Vox SiO2层上的压降 阈值电压VT Us的计算 电压Us与衬底浓度Na有关 在半导体理论中 P型半导体的费米能级是靠近满带的 而N型半导体的费米能级则是靠近导带的 要想把P型变为N型 外加电压必须补偿这两个费米能级之差 25 阈值电压VT 掺杂浓度Na越大 VT就越大 已知p型半导体 Vox的计算 Vox根据从金属到氧化物到Si衬底Xm处的电场分布曲线导出 Q C 阈值电压VT Cox越小 VT就越大即tOX越厚 VT越大 已知Qox Qsi 且 2KTln Na ni 在工艺环境确定后 MOS管的阈值电压VT主要决定1 衬底的掺杂浓度Na 浓度大则VT小 2 Cox C大则电荷影响小 所以tOX很小100nm VT的理想计算公式 阈值电压VT 5 3MOSFET的体效应 一般认为Vgs是加在栅极与衬底之间的 通常 衬底是接地的 但源极未必接地 实际上 在许多场合源极与衬底并不连接在一起 源极不接地时对VT值的影响称为体效应 BodyEffect 导致 VB VT MOSFET体效应 阈值电压随源极 衬底电压的变化 某一CMOS工艺条件下 NMOS阈值电压随源极 衬底电压的变化曲线 MOSFET体效应 MOSFET的温度特性主要来源于沟道中载流子的迁移率 和阈值电压VT随温度的变化 T gm T ni VT VT T 2 4 mV C 5 4MOSFET的温度特性 MOS管特性 MOSFET的噪声来源主要由两部分 热噪声 thermalnoise 闪烁噪声 flickernoise 1 f noise 5 5MOSFET的噪声 MOS管特性 有源器件的噪声特性对于小信号放大器和振荡器等模拟电路的设计是至关重要的 所有FET MOSFET MESFET等 的1 f噪声都高出相应的BJT的1 f噪声约10倍 这一特征在考虑振荡器电路方案时必须要给予重视 热噪声 是由沟道内载流子的无规则热运动造成的 通过沟道电阻生成热噪声电压veg T t 其等效电压值可近似表达为 Df为所研究的频带宽度 T是绝对温度 设MOS模拟电路工作在饱和区 gm可写为 结论 增加MOS的栅宽和偏置电流 可减小器件的热噪声 MOS管特性 闪烁噪声 flickernoise 1 f noise 形成机理 沟道处SiO2与Si界面上电子的充放电 闪烁噪声的等效电压值 系数K2典型值为3 1024V2F Hz 因为 1 所以闪烁噪声被称之为1 f噪声 电路设计时 增加栅宽W 可降低闪烁噪声 MOS管特性 5 6MOSFET尺寸按比例缩小 Scaling down MOSFET尺寸缩小对器件性能的影响 饱和区 结论1 L Ids tox Ids L tox Ids 减小L和tox引起MOSFET的电流控制能力提高 结论2 W Ids P 减小W引起MOSFET的电流控制能力和输出功率减小 结论3 L tox W Ids C AMOS 同时减小L tox和W 可保持Ids不变 但导致器件占用面积减小 集成度提高 总结论 缩小MOSFET尺寸是VLSI发展的总趋势 Scaling down MOSFET尺寸缩小对器件性能的影响 减小L引起的问题 L Vds C Ech Vdsmax 即在Vds Vdsmax不变的情况下 减小L将导致击穿电压降低 解决方案 减小L的同时降低电源电压VDD 降低电源电压的关键 降低开启电压VT Scaling down Scaling down 缩小尺寸后 栅长 阈值电压 与电源电压对比 降低VT的方法 1 降低衬底中的杂质浓度 采用高电阻率的衬底 2 减小SiO2介质的厚度tox 2MOSFET的动态特性影响 Ids Ids Vgs R Rmetal Rpoly Si RdiffC Cgs Cgd Cds Cgb Csb Cdb Cmm CmbCg Cgs Cgd Cgb 关键电容值 其等效于一个含有受控源Ids的RC网络 MOSFET的动态特性 即速度 取决于RC网络的充放电的快慢 进而取决于电流源Ids的驱动能力 即跨导的大小 RC时间常数的大小 充放电的电压范围 即电源电压的高低 Scaling down MOSFET的速度可以用单级非门 反相器 的时延 D来表征 Scaling down L W tox Ids R VDD 速度的影响 R基本不变 但是C减小 D减小 结论 器件尺寸连同VDD同步缩小 器件的速度提高 Scaling down 3MOSFET的跨导gm L 0 MOSFET的跨导gm的定义为 MOSFETI V特性求得 MOSFET的优值 Scaling down 5 7MOS器件的二阶效应 随着MOS工艺向着亚微米 深亚微米的方向发展 必须考虑 二阶效应出于两种原因 1 当器件尺寸缩小时 电源电压还得保持为5V 于是 平均电场强度增加了 引起了许多二次效应 2 当管子尺寸很小时 这些小管子的边缘相互靠在一起 产生了非理想电场 也严重地影响了它们的特性 MOS管二阶效应 4L和W的变化 MOS器件模型二阶效应 另外 在氧化区的下面称为场注入区 fieldimplant 的P 区 其Na值较大 其连接P基底 目的是提高了寄生MOS管的开启电压 利用反向用来控制表面的漏电流 MOS管二阶效应 场区是由一层很厚的SiO2形成的 多晶硅或铝线在场氧化区上面穿过 其Cox很小 开启电压VT VDD不会产生寄生MOS管 场注入 结论 一个很厚的氧化区和一个注入区 给工艺制造带来了新的问题 L和W的变化 由于制造误差真正器件中的L W并不是原先版图上所定义的L W 如图所示 氧化区具有鸟嘴形 birdbeak W Wdrawn 2 W 影响了VT MOS管二阶效应 集成电路制造过程中 先用有源区的mask 在场区外生成一个氮化硅的斑区 然后 再以这个斑区作为implantmask 注入P 区 最后 以这个斑区为掩膜生成氧化区 然而 在氧化过程中 氧气会从斑区的边沿处渗入 造成了Birdbeak 注入区P 是先做好的 在高温氧化时 这个P 区中的杂质也扩散了 侵入到管子区域 改变了衬底的浓度Na 影响了开启电压 同时 扩散电容也增大了 N 区与P 区的击穿电压降低 L的变化 栅极长度L不等于原先版图上所绘制的Ldrawn 减小了是在蚀刻 etching 过程中 多晶硅 Ploy 被腐蚀掉了 扩散区延伸进去 两边合起来延伸了2 Ldiff 故L Ldrawn 2 Lpoly 2 Ldiff这2 Ldiff是重叠区 也增加了结电容 Cgs W LdiffCo Cgd W LdiffCo式中Co是单位面积电容 MOS管二阶效应 Ldrawn是图上绘制的栅极长度 Lfinal是加工完后的实际栅极长度 Lfinal Ldrawn 2 Lpoly 5迁移率的退化 二阶效应 MOS迁移率 并不是常数 从器件的外特性来看 至少有三个因素影响 值 它们是 温度T 垂直电场Ev 水平电场Eh 可以表示为 0 T fv Vg Vs Vd fh Vg Vs Vd MOS管二阶效应 式中 0 T 是温度的函数 0 T kT M fv是垂直电场的退化函数 fh是水平电场的退化函数 迁移率的退化 1 特征迁移率 0 0与制造工艺密切相关 0还与温度T有关 温度升高时 0就降低 如果从25 增加到100 0将下降一半 MOS管二阶效应 在半导体Si内一般认为 M值是处在1 5 2之间 0的典型值为 N沟道MOS管 0 600cm2 V S P沟道MOS管 0 250cm2 V S 2 迁移率 的退化还与电场强度有关 通常 将随Ev 垂直 Eh 水平 而退化 迁移率的退化 水平电场对 的影响 比垂直电场大得多 因为水平电场将加速载流子运动 当载流子速度被加速到一个大的数值 水平速度会饱和 一般来讲 N型Si的 0远大于P型Si的 0 约2 5倍 然而当电场增强时 这个差距就缩小 当电场强到一定程度 N管与P管达到同一饱和速度 得到同一个 值 它与掺杂几乎无关 这两种载流子的饱和速度是相同的 这并不是P型器件得到改进 而是N型器件有所退化 Vc是临界电压 Vc ctox c是临界电场 c 2 105V cm 垂直 值退化大约为25 50 MOS管二阶效应 退化函数 6沟道长度调制 二阶效应 当VDS增大时 MOS管的漏端沟道被夹断并进入饱和 VDS进一步增大 该夹断点向源区移动 从而使沟道的有效长度减小 于是沟道中水平电场增强了 增加了电流 这就是沟