第二章器件物理基础

北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 1 第二章MOS器件物理基础 授课教师 鲁文高Email wglu 2007年3月3日 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 2 本讲内容 基本概念结构 符号I V特性阈值电压I V关系式跨导二级效应体效应 沟道长度调制效应 亚阈值导电性器件模型版图 电容 小信号模型等 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 3 MOSFET的简化模型 简化模型 开关由VG控制的一个开关 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 4 MOSFET的结构 1 提供载流子的端口为源 收集载流子的端口为漏 源漏在物理结构上是完全对称的 靠什么区分开 Bulk body 最重要的工作区域 受VG控制的沟道区 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 5 MOSFET的结构 2 PMOS NMOS PMOS 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 6 MOSFET的符号 四端器件 省掉B端 模拟电路一般用a b数字电路用c 电流方向 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 7 本讲内容 基本概念结构 符号I V特性阈值电压I V关系式跨导二级效应体效应 沟道长度调制效应 亚阈值导电性器件模型版图 电容 小信号模型等 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 8 MOSFET沟道的形成过程 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 9 阈值电压 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 10 MOSFET的I V特性 1 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 11 MOSFET的I V特性 2 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 12 深线性区MOSFET等效为电阻 等效为一个线性电阻 深三极管区 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 13 饱和区MOSFET 1 Pinch off区 Active区 Saturation区 电流近似只与W L和VGS有关 不随VDS变化 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 14 饱和区MOSFET 2 用作电流源或者电流沉 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 15 PMOS PMOS管电流驱动能力比NMOS管差迁移率约为NMOS管的1 3左右 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 16 跨导 1 饱和区 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 17 跨导的三个表达式 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 18 跨导 2 线性区 饱和区gm大 通常用饱和区MOS管做信号放大 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 19 饱和区条件 二极管接法的MOSFET总是处于饱和区 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 20 本讲内容 基本概念结构 符号I V特性阈值电压I V关系式跨导二级效应体效应 沟道长度调制效应 亚阈值导电性器件模型版图 电容 小信号模型等 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 21 体效应 体效应系数 典型值0 3 0 4V 1 2 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 22 体效应的影响 1 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 23 体效应会导致设计参量复杂化 通常不希望体效应但也有利用体效应工作的电路 体效应的影响 2 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 24 利用体效应工作的电路实例 V I转换电路USPatent 5998777 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 25 沟道长度调制效应 1 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 26 沟道长度调制效应 2 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 27 沟道长度调制效应 3 斜率越小 输出阻抗越大 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 28 亚阈值特性 1 前面的分析VGS VTH 反型VGS VTH 截至VGS VTH 真实的情况VGS VTH 弱反型区 存在源漏电流VGS VTH 漏电流并非无穷小这种效应成为 亚阈值导电 亚阈值区也称弱反型区 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 29 亚阈值特性 2 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 30 亚阈值特性 3 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 31 本讲内容 基本概念结构 符号I V特性阈值电压I V关系式跨导二级效应体效应 沟道长度调制效应 亚阈值导电性器件模型版图 电容 小信号模型等 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 32 MOS器件版图 斜视图 bird seye angledview 俯视图 verticalview 栅接触孔为什么开在沟道区外 希望源漏寄生电容小 Why 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 33 MOS电路版图 器件及互连 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 34 MOSFET的电容 分析MOS管交流特性时必须考虑电容影响 C3 C4 覆盖电容 不能简单等于WLDCOX 边缘电力线 C5 C6 结电容 底电容 侧壁电容 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 35 MOS管中的电容 寄生电容往往随偏置电压的变化而变化EDA工具在寄生参数提取时会自动提取每个节点精确的寄生电容值 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 36 减小MOSFET的寄生电容 折叠结构的版图漏端寄生电容小 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 37 MOSFET的电容 截至区 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 38 MOSFET的电容 饱和区 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 39 MOSFET的电容 深线性区 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 40 MOSFET大信号和小信号模型 大信号模型由I V特性关系式 CGS等电容的电容值构成小信号模型gm gmb rO等高频时应考虑寄生电容 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 41 MOSFET小信号模型 1 VBS 0时的低频小信号模型用于计算输出电阻 低频小信号增益 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 42 MOSFET小信号模型 2 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 43 MOSFET小信号模型 3 考虑衬偏效应时的低频小信号模型用于计算输出电阻 低频小信号增益 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 44 MOSFET小信号模型 4 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 45 MOSFET的寄生电容 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 46 MOSFET的截至频率fT 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 47 高增益vs高速 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 48 常用的表达式 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 49 MOS小信号模型中的电阻 通常忽略合理设计版图能减小电阻折叠结构减小栅电阻 减小漏电容 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 50 完整的MOSFET小信号模型 用于计算各节点的时间常数找出极点 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 51 MOSFET的SPICE模型 1 模型精度决定电路仿真精度 速度最简单的模型 Level1 适于手算 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 52 MOSFET的SPICE模型 2 VTO VSB 0时阈值电压GAMMA 体效应系数 PHI 2 FTOX 栅氧厚度NSUB 衬底掺杂浓度LD 源漏扩散长度UO 沟道迁移率LAMBDA CJ 单位面积底部电容 CJSW 单位长度侧壁电容PB 源漏结内建电势MJ CJ式中的幂指数MJSW CJSW式中幂指数CGDO 单位宽度的栅漏覆盖电容CGSO 单位宽度的栅源覆盖电容JS 源漏结的单位面积漏电流 北大微电子 模拟集成电路原理 DeviceCh 2 53 NMOS管与PMOS管的比较 在大多数工艺中 NMOS管性能比PMOS管好迁移率约3 1 NMOS具高电流驱动能力 高跨导相同尺寸和偏置电流时 NMOS管rO大 更接近理想电流源 能提供更高的电压增益对nwell工艺 用PMOS管可消除体效应独占一个阱根据实际需求选择NMOS或PMOS 北大微电子 模拟集成电