CMOS实用学习课程

1、第二章第二章 MOS器件物理基础器件物理基础一基本概念二MOS伏安特性三低频小信号模型第一页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-2一 基本概念1MOSFET的结构2MOSFET的符号第二页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-31MOSFET的结构Metal-Oxide-Semiconductor Structure第三页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-4第四页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-5第五页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-6MOS管结构以N沟道增强型MOS管为例G栅极（基极）S源极（发射极）D漏极（集电极）B衬底N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结

2、构，它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极第六页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-7第七页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-8MOSFET的三个基本几何参数第八页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-9MOSFET的三个基本几何参数 Lmin、Wmin和tox 由工艺确定 Lmin：MOS工艺的特征尺寸(feature size) 决定MOSFET的速度和功耗等众多特性 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 W影响MOSFET的速度，决定电路驱动能力和功耗第九页，编辑于星期五：十四点 三十五分

3、。2-10衬底Ldrawn：沟道总长度Leff：沟道有效长度， Leff Ldrawn2 LD一种载流子导电，是电压控制器件 MOS器件的源和漏端在几何上是等效的LD：横向扩散长度（bulk、body）第十页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-11MOS器件是四端器件有NMOS、PMOS 两种器件衬底端电平使PN结反偏。NMOS共享一个衬底端，PMOS 有各自的衬底端第十一页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-122MOSFET的符号第十二页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-13二 MOS 的伏安特性 1 阈值电压 2工作原理 3伏安特性 4二级效应 5器件模型第十三页，编辑于星期五：

4、十四点 三十五分。2-141阈值电压（Threshold Voltage Concept）SDp substrateBG VGS + - n+n+depletion regionn channel引起沟道区产生强表面反型的最小栅电压，称为阈值电压VT。第十四页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-15金属接负电荷后在金属面堆积负电荷，氧化物是没有电荷，绝缘层P型半导体中可以感应到正电荷，P型半导体主要的载流子是空穴，所以堆积空穴当金属接正电荷后在金属层堆积空穴，则会排斥P型半导体上的空穴，形成宽度为Xd的耗尽层，耗尽层区没有自由电子和空穴当VG不断升高时，会有越来越多的空穴堆积，他不仅把P型半

5、导体中的空穴推得越来越远，还会把P型半导体中的少子（电子）吸引到非常薄的层面，紧紧贴到氧化物这层，形成反型层第十五页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-16栅就是氧化物层第十六页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-17第十七页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-18改变阈值电压的方法 往用离子注入技术改变沟道区的掺杂浓度，从而改变阈值电压。 对NMOS晶体管而言，注入P型杂质，将使阈值电压增加。反之，注入N型杂质将使阈值电压降低。 如果注入剂量足够大，可使器件沟道区反型变成N型的。这时，要在栅上加负电压，才能减少沟道中电子浓度，或消除沟道，使器件截止。在这种情况下，阈值电压变成负的电压，

6、称其为夹断电压。第十八页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-19 根据阈值电压不同，常把MOS器件分成增强型和耗尽型两种器件。 对于N沟MOS器件而言，将阈值电压VT0的器件称为增强型器件，阈值电压VT0的器件，称为耗尽型器件。 在CMOS电路里，全部采用增强型的NMOS和PMOS。第十九页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-20以N沟道增强型MOS管为例正常放大时外加偏置电压的要求0GSV0DSV2MOS管工作原理第二十页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-21栅源电压VGS对iD的控制作用VGSVTN时（ VTN 称为开启电压)当VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、

7、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。第二十一页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-220VGSVTN时，SiO2中产生一垂直于表面的电场，P型表面上感应出现许多电子，但电子数量有限,不能形成沟道。VGSVTN时（ VTN 称为开启电压)在漏源电压作用下开始导电时（即产生iD）的栅源电压为开启电压VT 第二十二页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-23当VGSVTN时，由于此时栅压较强，P型半导体表层中将聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极连通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。VGSVTN时(形成反型层)在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的多数载流子空穴极

8、性相反，故称为反型层。第二十三页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-24漏源电压VDS对iD的控制作用VGSVT后,外加的VDS较小时， ID将随着VDS的增加而增大。第二十四页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-25当VDS继续增加时，由于沟道电阻的存在，沟道上将产生压降，使得电位从漏极到源极逐渐减小，从而使得SiO2层上的有效栅压从漏极到源极增大，反型层中的电子也将从源极到漏极逐渐减小。 第二十五页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-26当VDS大于一定值后， SiO2层上的有效栅压小于形成反型层所需的开启电压，则靠近漏端的反型层厚度减为零，出现沟道夹断， ID将不再随VDS的增大而

9、增大，趋于一饱和值。 第二十六页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-27 3 伏安特性 I/V characteristics当栅极不加电压或加负电压时，栅极下面的区域保持P型导电类型，漏和源之间等效于一对背靠背的二极管，当漏源电极之间加上电压时，除了PN结的漏电流之外，不会有更多电流形成。当栅极上的正电压不断升高时，P型区内的空穴被不断地排斥到衬底方向。当栅极上的电压超过阈值电压VT，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，把同为N型的源、漏扩散区连成一体，形成从漏极到源极的导电沟道。第二十七页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-28MOS的伏安特性 非饱和时，在漏源

10、电压Vds作用下，这些电荷Q将在时间内通过沟道，因此有电荷在沟道中的渡越时间为载流子速度，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：第二十八页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-29与工艺相关第二十九页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-30Qd：沟道电荷密度Cox：单位面积栅电容沟道单位长度电荷(C/m)WCox：MOSFET单位长度的总电容Qd(x)：沿沟道点x处的电荷密度V(x)：沟道x点处的电势I/V特性的推导（1）电荷移动速度(m/s)V(x)|x=0=0, V(x)|x=L=VDSdI = Q .vdoxGSTHQ = W C (V- V

11、)doxGSTHQ (x) = WC (V- V(x) - V)第三十页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-31I/V特性的推导（2）对于半导体：DoxGSTHI= -WC V- V(x) - V= = E Ed dV V( (x x) )E E( (x x) ) = = - -d dx x且DoxGSTHndV(x)I= WCV- V(x) - VdxdVDSVLDoxnGSTHx=0V=0I d(x) =WCV- V(x) - V DSVL2D0noxGSTH01I x= WC (V- V)V(x) -V(x) 22DnoxGSTHDSDSW1I=C(V- V )V-VL2第三十一页，编

12、辑于星期五：十四点 三十五分。2-32三极管区的MOSFET（0 VDS VGSVT）等效为一个压控电阻2DnoxGSTHDSDSW1I=C(V- V )V-VL2DnoxGSTHDSWI=C(V- V )VLDSGSTHV 2(V- V )onnoxGSTH1R=WC(V- V )L第三十二页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-33I/V特性的推导（3）三极管区(线性区)每条曲线在VDSVGSVTH时取最大值，且大小为：2DnoxGSTHDSDSW1I=C(V- V )V-VL222noxDGSTHCWI=(V- V )LVDSVGSVTH时沟道刚好被夹断第三十三页，编辑于星期五：十四点

13、三十五分。2-34饱和区的MOSFET（VDS VGSVT）IDnCoxWL(VGSVTH)VDS12VDS2IDnCox2WL(VGSVTH)2VDSVGSVTH (Pinchoff)Qd(x)WCox(VGSV(x)VTH)当V(x)接近VGS-VT，Qd(x)接近于0，即反型层将在XL处终止，沟道被夹断。第三十四页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-35NMOS管的大信号特性和工作区域以及电流公式2noxDGSTHDSDSC WI =2(V -V )V-V2L2noxDGSTHC WI=(V- V )2L0DI截止区，VgsVTHVDSVTHVDS Vgs - VTH第三十五页，编辑于

14、星期五：十四点 三十五分。2-36MOSFET的I/V特性Triode RegionVDSVGS-VT沟道电阻随VDS增加而增加导致曲线弯曲曲线开始斜率正比于VGS-VTVDSVTN；VdVg-VTHNPMOS饱和条件: VgsVTP ；VdVg| VTP |gdgd判断MOS管是否工作在饱和区时，不必考虑Vs第四十一页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-42MOSFET开关（Switch Model of NMOS Transistor）GateSource(of carriers)Drain(of carriers)| VGS | VGS | | VT |Open (off) (Gate

15、 = 0)Closed (on) (Gate = 1)Ron第四十二页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-43MOS模拟开关MOS管为什么可用作模拟开关？MOS管D、S可互换，电流可以双向流动。可通过栅源电源（Vgs）方便控制MOS管的导通与关断。关断后Id0第四十三页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-44 4 二级效应 体效应 沟道调制效应 亚阈值导电特性第四十四页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-45体效应 VB1,是一个非理想因子)VGSVTH，ID不是无限小而是与VGS呈现指数关系第五十三页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-54MOS管亚阈值导电特性的Pspice仿真结果

16、VgSlogID仿真条件：VT0.6W/L100/2MOS管亚阈值电流ID一般为几十几百nA, 常用于低功耗放大器、带隙基准设计。第五十四页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-555器件模型版图第五十五页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-566第五十六页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-57第五十七页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-58第五十八页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-59第五十九页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-60第六十页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-61NMOS 晶体管C-V 特性第六十一页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-62第六十二页，

17、编辑于星期五：十四点 三十五分。2-63第六十三页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-64第六十四页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-65第六十五页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-66第六十六页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-67第六十七页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-68减小MOS器件电容的版图结构对于图a:CDB=CSB = WECj + 2(W+E)Cjsw对于图b: CDB=(W/2)ECj+2(W/2)+E)Cjsw CSB=2(W/2)ECj+2(W/2)+E)Cjsw = WECj +2(W+2E)Cjsw 减小结电容的方法“折叠”结构或“叉指结构”第六

18、十八页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-69三 MOS 低频小信号模型第六十九页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-70第七十页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-71 基本的 MOS 小信号模型第七十一页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-72考虑二级效应后的小信号模型 0 0 1考虑沟道调制信号) )v v(1(1) )V V(v(vL LW W) )C C( (2 21 1i iDSDS2 2THTHGSGSoxoxn nD D用独立源来表示用电阻来表示第七十二页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-732考虑体效应后的小信号模型sisubTHTH0FSBFox2q NV=V+2 +V-2 , =C0第七十三页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-74在饱和区gmb可以表示为第七十四页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-75MOS 低频小信号模型第七十五页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-76例：求下列电路的低频小信号电阻(0)XXmgs0XmX0V= (I- g V )r = (I- g V )rm 0XX 0(1 + g r )V= I r10XinXm 0mrVR=I(1 + g r )g第七十六页，编辑于星期五：十四点 三十五分。2-77例：求下列电路的低频小信号输入电阻(0)XXmgs0XDXmDXmX0XDV= (I- g V )r + I R