场效应器件物理1-4频率_5CMOS

1、场效应器件物理场效应器件物理 西安电子科技大学西安电子科技大学 XIDIDIAN UNIVERSITY XIDIDIAN UNIVERSITY 第第1010章章 MOSFETMOSFET基础基础 10.4 10.4 频率限制特性频率限制特性 10.5 CMOS10.5 CMOS技术技术10.610.6小结小结 10.4 频率特性频率特性 本节内容本节内容 n 模型的基本概念模型的基本概念 n MOSFET的小信号等效电路的小信号等效电路 n 频率限制因素频率限制因素 n 截止频率的定义、推导和影响因素截止频率的定义、推导和影响因素 2021-6-30XIDIAN UNIVERSITY 10.4

2、 频率特性频率特性 模型概述模型概述 p 电路设计中为准确预测电路性能，利用电路仿真软件对电路进行仿真验证。电路设计中为准确预测电路性能，利用电路仿真软件对电路进行仿真验证。 u 常用的电路仿真软件如常用的电路仿真软件如HSPICE、PSPICE、SPECTRE p 仿真：围绕器件建立电路的仿真：围绕器件建立电路的IV关系，是一数学求解的过程关系，是一数学求解的过程 u 电路中元器件要用模型和模型参数来替代真正的器件电路中元器件要用模型和模型参数来替代真正的器件 p 模型：反映器件特性，可采用数学表达式、等效电路等形式模型：反映器件特性，可采用数学表达式、等效电路等形式 u 常用模型：等效电路

3、模型。常用模型：等效电路模型。 u 模型参数：描述等效电路中各元件值所用的参数。模型参数：描述等效电路中各元件值所用的参数。 p 等效电路模型建立方法：等效电路模型建立方法： u 首先通过器件物理分析确定器件等效电路模型的具体形式，首先通过器件物理分析确定器件等效电路模型的具体形式， u 再把元器件看成一个再把元器件看成一个“黑箱黑箱”，测量其端点的电学特性，提取出描述该器件特性的模型参数。得到一，测量其端点的电学特性，提取出描述该器件特性的模型参数。得到一 等效电路模型代替相应器件等效电路模型代替相应器件 2021-6-30 10.4 频率特性频率特性 MOSFET MOSFET物理模型：物

4、理模型：交流小信号参数交流小信号参数 源极串联电阻源极串联电阻 栅源交叠电容栅源交叠电容 漏极串联电阻漏极串联电阻 栅漏交叠电容栅漏交叠电容 漏漏-衬底衬底pn结电容结电容 栅源电容栅源电容栅漏电容栅漏电容 跨导跨导 寄生参数寄生参数 本征参数本征参数 p G-S：Cgs，Cgsp，rs； p G-D：Cgd，Cgdp ，rd； u Cgs,Cgd: 体现了栅和源、漏附近的体现了栅和源、漏附近的 沟道电荷间的相互作用沟道电荷间的相互作用 线性区：线性区： Cgs Cgd (CoxWL)/2 饱和区：饱和区： Cgd 0, Cgs2 (CoxWL)/3 u Cgsp,Cgdp:交叠电容交叠电容

5、p D-S：gm ， Id gmVgs Cds：漏：漏-衬底衬底pn结电容结电容 （DB结势垒电容结势垒电容BS结势垒电容）结势垒电容） 10.4 频率特性频率特性 完整的小信号等效电路完整的小信号等效电路 p 共源共源n沟沟MOSFET小信号等效电路（小信号等效电路（VBS=0） 总的栅源电容总的栅源电容总的栅漏电容总的栅漏电容 10.4 频率特性频率特性 完整的小信号等效电路： 完整的小信号等效电路：VBSVBS影响影响 p 共源共源n沟沟MOSFET小信号等效电路（小信号等效电路（VBS0） 10.4 频率特性频率特性 模型参数模型参数 p模型参数：描述等效电路中各元件值所用的参数。模型

6、参数：描述等效电路中各元件值所用的参数。 p与与IDS相关的模型参数：相关的模型参数：W，L，KP(ucox)，LAMBDA p与与VT相关的模型参数：相关的模型参数：VT0，GAMMA， PHI p与栅相关的三个电容参数：与栅相关的三个电容参数：CGD，CGS，CGB ）（ DSTGS oxn satD VVV L CW I 1)( 2 2 )( )(2 2 2 DSDSTGS oxn D VVVV L CW I 体效应系数 ）（ ）（ : 22 q2 2 2q2 2 2q2 SS0 fpfp a fpa fpa SBT SB ox msfp ox ss ox msfp ox ss ox S

7、B TN VV V C N C Q C N C Q C VN V 10.4 频率特性频率特性 模型和模型参数特点模型和模型参数特点 o 部分模型参数的定义和部分模型参数的定义和0.5um工艺模型参数的典型值工艺模型参数的典型值 2021-6-30 10.4 频率特性频率特性 模型和模型参数特点模型和模型参数特点 o随着沟长的缩短，短沟窄沟效应凸现，随着沟长的缩短，短沟窄沟效应凸现，IV公式和阈值电压公式都需修公式和阈值电压公式都需修 正，模型的发展级别特别多，模型也越来越复杂。正，模型的发展级别特别多，模型也越来越复杂。 Berkly Short-channel IGET Model 10.4

8、 频率特性频率特性 模型和模型参数特点模型和模型参数特点 p器件模型、模型参数是芯片厂家根据工艺线制备的器件提取器件模型、模型参数是芯片厂家根据工艺线制备的器件提取 u生产工艺线不同，器件模型则不同；生产工艺线不同，器件模型则不同； u芯片制造厂不同，器件模型也会不同芯片制造厂不同，器件模型也会不同 p电路设计用到的器件模型、模型参数由芯片制造厂提供电路设计用到的器件模型、模型参数由芯片制造厂提供 2021-6-30 10 10.4 频率特性频率特性 简化的小信号等效电路简化的小信号等效电路 m sm m m dgsmgs sm m gsmd gsgssmsgsmgsgs s g rg g g

9、 IVgV rg g VgI VVrgrVgVV r 1 1 )1 ()( 的影响 只计入只计入rds 10.4 频率特性频率特性 高频等效电路高频等效电路 p 忽略寄生参数忽略寄生参数rs, rd, rds ,和和 Cds，高频小信号等效电路，高频小信号等效电路 10.4 频率特性频率特性 MOSFETMOSFET频率限制因素频率限制因素 p 限制因素限制因素2：栅电容充放电需要的时间：栅电容充放电需要的时间 u 截止频率截止频率fT：器件电流增益为：器件电流增益为1时的频率时的频率 p 限制因素限制因素1：沟道载流子的沟道输运时间沟道载流子的沟道输运时间 m1设沟道长度 cm/s 7 10

10、饱和漂移速度 MOSFET Si对 L sl v GHz100 1 ps10 t t sl t f v L 截止频率 沟道渡越时间 沟道渡越时间通常不是主要频率限沟道渡越时间通常不是主要频率限 制因素制因素 1 T i d I I ff 10.4 频率特性频率特性 电流电流- -频率关系频率关系 负载电阻负载电阻 )( d V gs V T gd Cj gs V T gs Cj i I gsM T gs gsLm T gd T gsgs T gdL Lm T gd T gsi VCCj VRgCCjV CRj Rg CCjI )1 ( 1 1 输入电流输入电流输出电流输出电流 u 密勒效应：将

11、跨越输入密勒效应：将跨越输入-输出端的电容等效到输入端，输出端的电容等效到输入端，C值会扩大（值会扩大（1K）倍，）倍， K为常数为常数 )( / gs V d V T gd Cj gs V m g L R d V d I )1 ( Lm T gdM RgCC密勒电容1 T gdLC R通常 2021-6-30 15 10.4 频率特性频率特性 含有密勒电容等效电路含有密勒电容等效电路 )1 ( Lm T gdM RgCC密勒电容 p 输入电流公式：输入电流公式： p 米勒电容对米勒电容对MOSFET输入阻抗的影响：输入阻抗的影响： u 使输入阻抗减小使输入阻抗减小 gsM T gs gsLm

12、 T gd T gsgs T gdL Lm T gd T gsi VCCj VRgCCjV CRj Rg CCjI )1 ( 1 1 10.4 频率特性频率特性 截止频率推导截止频率推导 )(2 M T gs m i d gsmd gsM T gsi CCf g I I VgI VCCjI 电流增益 输出电流 输入电流 M C T gs C G C m g G C m g M C T gs C m g I I ff i d 等效输入栅极电容 跨导 截止频率 2)(2 1 T 的倒数沟道长度的平方 迁移率 在理想情况下，饱和区 2 2 G 2 )( )(, 0 LL VV f VV L CW g

13、WLCCCC n TGSn T TGS oxn moxgsTgdT 10.4 频率特性频率特性 提高频率特性途径 提高频率特性途径 p 提高迁移率（提高迁移率（100方向，工艺优质）方向，工艺优质） p 缩短缩短L p 减小寄生电容（硅栅基本取代了铝栅）减小寄生电容（硅栅基本取代了铝栅） 的倒数沟道长度的平方 迁移率 在理想情况下， 2 2 2 )( LL VV f n TGSn T 10.4 频率特性频率特性 需掌握内容需掌握内容 n 模型的基本概念模型的基本概念 n MOSFET的高低频等效电路的高低频等效电路 n 思考：饱和区思考：饱和区VGS变化，沟道电荷的来源？变化，沟道电荷的来源？

14、 n 频率特性的影响因素频率特性的影响因素 n 米勒电容和含米勒电容和含CM的等效电路的等效电路 n 截止频率的定义、推导和影响因素截止频率的定义、推导和影响因素 n 提高截止频率的途径提高截止频率的途径 2021-6-30XIDIAN UNIVERSITY 10.5 开关特性开关特性 本节内容本节内容 n CMOS概念概念 n CMOS如何实现低功耗，全电平摆幅如何实现低功耗，全电平摆幅 n CMOS的开关过程及影响因素的开关过程及影响因素 n MOSFET的版图的版图 n CMOS闩锁效应闩锁效应 n MOSFET的噪声特性的噪声特性 2021-6-30XIDIAN UNIVERSITY

15、10.5 开关特性开关特性 开关原理 开关原理 MOS开关相当于一个反相器。开关相当于一个反相器。CMOS反相器反相器 p CMOS（Complentary 互补互补CMOS） u n沟沟MOSFET与与p沟沟MOSFET互补互补 u 实现低功耗、全电平摆幅实现低功耗、全电平摆幅 u 数字逻辑电路的首选工艺数字逻辑电路的首选工艺 10.5 开关特性开关特性 什么是 什么是CMOS？ 10.5 开关特性开关特性 CMOS反相器反相器 p CMOS如何实现低功耗，全电平摆幅？如何实现低功耗，全电平摆幅？ n CLT：输出端对地总电容，包括下一级负载电容、引线电：输出端对地总电容，包括下一级负载电容

16、、引线电 容、容、 NMOS和和PMOS的漏衬的漏衬PN结电容结电容 n 全电平摆幅：全电平摆幅：VOH- VOL=VDD-0=VDD n 静态功耗：充放电完成后电路的功耗，近似为零，静态功耗：充放电完成后电路的功耗，近似为零， 静态时一管导通，另一管截止，不存在直流通路静态时一管导通，另一管截止，不存在直流通路 n 动态功耗：输入高低电平转换过程中的功耗。动态功耗：输入高低电平转换过程中的功耗。 p NMOS传输高电平会有传输高电平会有VTN的损失。原因？的损失。原因？ p PMOS传输低电平会有传输低电平会有VTP的损失。原因？的损失。原因？ p开关时间：输出相对于输入的时间延迟，包括导通

17、时间开关时间：输出相对于输入的时间延迟，包括导通时间t ton on和关断时间 和关断时间t toff off u载流子沟道输运时间，（本征延迟）载流子沟道输运时间，（本征延迟） u输出端对地电容的充放电时间。（负载延迟）输出端对地电容的充放电时间。（负载延迟） p提高开关速度途径（降低开关时间）：提高开关速度途径（降低开关时间）： u减小沟长减小沟长L L（L5um,LXj:很好的保持长沟特性。很好的保持长沟特性。 u 要求浓度高，形成良好的欧姆接触，减小要求浓度高，形成良好的欧姆接触，减小RSRD。 2021-6-3041 10.6 补充补充 器件设计器件设计 p材料的选择：材料的选择：

18、（1）衬底材料：）衬底材料： u掺杂浓度：掺杂浓度：VT、 gm、耐压与、耐压与NB相关，相关，VT与与NB关系最密切。关系最密切。 u若选用离子注入调整若选用离子注入调整VT技术，技术，NB的浓度可适当减小，的浓度可适当减小， 可减小寄生电容，增加耐压。可减小寄生电容，增加耐压。 u衬底晶向：尽量采用（衬底晶向：尽量采用（100）晶向）晶向 表面态密度小，载流子迁移率较高。表面态密度小，载流子迁移率较高。 （2）栅材料：）栅材料： u硅栅优于铝栅（面积、寄生电容），但随着绝缘层高硅栅优于铝栅（面积、寄生电容），但随着绝缘层高K介质的使用介质的使用 ，需，需 要选择某些稀有金属（要选择某些稀有

19、金属（Ni，Co，Ti等）作栅。等）作栅。 u栅绝缘层材料：最成熟的栅绝缘层材料：最成熟的SiO2，45nm工艺后采用的高工艺后采用的高K介质介质HfO2. msfp ox C ss Q ox C SD Q TN V2 | max | 10.7 小结小结 p MOSFET的几个简单公式：的几个简单公式： 2 )( )( 2 TGS oxn satD VV L CW I )(gd TGS oxn Lms VV L CW g 2 2 )( L T V GS V n T f )(2 2 2 DSDSTGS oxn D VVVV L CW I 萨氏方程：萨氏方程：MOSFT电流电压特性的经典电流电压特

20、性的经典 描述。描述。 msfp ox C ss Q ox C SD Q TN V2 | max | D R S RR L d g 1 on pMOSFET是一种表面性器件，工作电流延表面横向流动，所以器是一种表面性器件，工作电流延表面横向流动，所以器 件特性强烈依赖于沟道表面尺寸件特性强烈依赖于沟道表面尺寸W、L。L越小，截止频率和跨导越小，截止频率和跨导 越大，集成度越高。越大，集成度越高。 pFET仅多子参与导电，无少子存贮、扩散、复合效应（双极里讲仅多子参与导电，无少子存贮、扩散、复合效应（双极里讲 过），开关速度高，适于高频高速工作过），开关速度高，适于高频高速工作 pMOSFET的

21、栅源间有绝缘介质，所以为电容性高输入阻抗，可用的栅源间有绝缘介质，所以为电容性高输入阻抗，可用 来存储信息。（存储电路，来存储信息。（存储电路，mosfet） pSb,db处于反偏（至少处于反偏（至少0偏），同一衬底上的多偏），同一衬底上的多MOSFET可实现可实现 自隔离效果。自隔离效果。 p硅栅基本取代了铝栅，可实现自对准，减小器件尺寸，提高集成度。硅栅基本取代了铝栅，可实现自对准，减小器件尺寸，提高集成度。 10.7 小结小结 1 pMOSFET可以分为可以分为n沟道、沟道、p沟道，增强型、耗尽型。对于不同类沟道，增强型、耗尽型。对于不同类 型的型的MOSFET，栅源电压、漏源电压、阈值

22、电压的极性不同。，栅源电压、漏源电压、阈值电压的极性不同。 p特性曲线和特性函数是描述特性曲线和特性函数是描述MOSFET电流电流-电压特性的主要方式。电压特性的主要方式。 跨导和截止频率是表征跨导和截止频率是表征MOSFET性质的两个最重要的参数。性质的两个最重要的参数。 p根据根据MOSFET的转移特性（的转移特性（ID-VGS），可分为导通区和截止区；），可分为导通区和截止区； 根据根据MOSFET的输出特性（的输出特性（ID-VDS），可分为线性区、非饱和区），可分为线性区、非饱和区 和饱和区。和饱和区。 p影响影响MOSFET频率特性的因素有栅电容充放电时间和载流子沟道频率特性的因素

23、有栅电容充放电时间和载流子沟道 渡越时间，通常前者是决定渡越时间，通常前者是决定MOSFET截止频率的主要限制因素。截止频率的主要限制因素。 pCMOS技术使技术使n沟沟MOSFET和和p沟沟MOSFET的优势互补，但可能的优势互补，但可能 存在闩锁等不良效应。存在闩锁等不良效应。 11.7 小结小结 2 pMOS电容是电容是MOSFET的核心。随表面势的不同，半导体表面可以处的核心。随表面势的不同，半导体表面可以处 于堆积、平带、耗尽、本征、弱反型、强反型等状态。于堆积、平带、耗尽、本征、弱反型、强反型等状态。 MOSFET导导 通时工作在强反型状态通时工作在强反型状态 p栅压、功函数差、氧

24、化层电荷都会引起半导体表面能带的弯曲或表面栅压、功函数差、氧化层电荷都会引起半导体表面能带的弯曲或表面 势。势。 p表面处于平带时的栅压为平带电压，使表面处于强反型的栅压为阈值表面处于平带时的栅压为平带电压，使表面处于强反型的栅压为阈值 电压。阈值电压与平带电压、半导体掺杂浓度、氧化层电荷、氧化层电压。阈值电压与平带电压、半导体掺杂浓度、氧化层电荷、氧化层 厚度等有关。厚度等有关。 pC-V曲线常用于表征曲线常用于表征MOS电容的性质，氧化层电荷使电容的性质，氧化层电荷使C-V曲线平移，曲线平移， 界面陷阱使界面陷阱使C-V曲线变缓曲线变缓 pMOSFET根据栅压的变化可以处于导通（强反型）或者截止状态，根据栅压的变化可以处于导通（强