模拟CMOS集成电路设计MOS器件物理基础PPT课件

1、 MOS器件物理基础Ch. 2 # 1MOSFET的结构的结构第1页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 2衬底Ldrawn：沟道总长度Leff：沟道有效长度， Leff Ldrawn2 LDMOSFET的结构的结构LD：横向扩散长度（bulk、body）第2页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 3MOS管正常工作的基本条件管正常工作的基本条件MOS管正常工作的基本条件是:所有衬源（B、S）、衬漏（B、D）pn结必须反偏！寄生二极管第3页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 4同一衬底上的同一衬底上的NMOS和和PMOS器件器件寄生二极管*N-SUB必须接最高电位VD

2、D！*P-SUB必须接最低电位VSS！*阱中MOSFET衬底常接源极SMOS管所有pn结必须反偏:第4页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 5例：判断制造下列电路的衬底类型例：判断制造下列电路的衬底类型第5页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 6NMOS器件的阈值电压器件的阈值电压VTH(a)栅压控制的MOSFET (b)耗尽区的形成(c)反型的开始 (d)反型层的形成第6页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 7p 以NMOS为例：D和S接地 VG0， 空穴在硅表面积积累 0VGVTH 硅表面反型：自由电子吸引到硅表面p 强反型条件： 栅极下硅表面反型层的载流子浓

3、度= 衬底掺杂浓度第7页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 8oxdepFMSTHCQV2这里 是多晶硅栅和硅衬底的函数， ，Nsub是衬底的掺杂浓度，Qdep是耗尽层的电荷，Cox是单位面积的栅极电容。由pn结的原理， ,这里si是硅的介电常数。因为Cox经常出现在器件的计算公式中，一般认为tox 50A，Cox 6.9fF/ ，Cox的值可以来估其他厚度的氧化层面积 。MSF isubnNqkTlnsubFsidepNqQ4FSBFTHVV220THV=oxsubsiCNq2为体效应系数， 为源体之间的电势差 SBV2m第8页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 9NMO

4、S管管VGSVT、VDS=0时的示时的示意图意图第9页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 10NMOS管管VGSVT、 0VDS VGS-VT时的时的示意图示意图沟道夹断条件VdsVgs-Vth第10页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 11NMOS沟道电势示意图沟道电势示意图(0VDS VGS-VT )oxGSTHdq(x)= -C Wdxv-v(x)-V边界条件:V(x)|x=0=0, V(x)|x=L=VDS第11页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 12Qd：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

5、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（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 )doxGSTHQ (x) = WC (V- V(x) - V)第12页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 13I/V特性的推导（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) - Vdx

6、dVDSVLDoxnGSTHx=0V=0I d(x) =WCV- V(x) - V DSVL2D0noxGSTH01I x= WC (V- V)V(x) -V(x) 22DnoxGSTHDSDSW1I=C(V- V )V-VL2第13页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 14三极管区的三极管区的MOSFET（0 VDS VGSVT）等效为一个压控电阻2DnoxGSTHDSDSW1I=C(V- V )V-VL2DnoxGSTHDSWI=C(V- V )VLDSGSTHVVT、VDSVGS-VT时的示意时的示意图图电子耗尽区第17页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 18NMO

7、S管的电流公式管的电流公式2noxDGSTHDSDSC WI =2(V -V )V-V2L2noxDGSTHC WI=(V- V )2L0DI截至区，VgsVTHVDSVTHVDS Vgs - VTH第18页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 19MOSFET的的I/V特性特性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-VTVDSVGS-VT用作恒流源条件：工作在饱和区且VGS const！第19页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 20 例2.1：在图2.14a中，表示M1是受VG控制的电阻。假设Cox50u

8、A/V，W/L=10，VTH0.7V。漏端开路解：因为漏端开路，ID 0，VDS 0。因此，假如器件导通，它就工作在深线性区。如果VG1V + VTH我们有VVVVARGon7 . 01105012第20页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 21MOSFET的跨导的跨导gmDmVDS=constGSnoxGSTHIg=VW= C(V- V )LmnoxDDGSTHWg=2 CIL2I=V- V第21页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 22 例2.2：如图2.19，画出跨导与 的函数曲线 DSV当 从无穷大减小到零时来研究 的变化，会使这个问题变的简单。只要 ， 晶体管就工

9、作在饱和区， 和 就保持相对恒定，这可从 式得到。当它工作在线性区时，此时有 DSVmgTHbDSVVVDImgDoxnmILWCg22221DSDSTHGSoxnGSmVVVVLWCVgDSoxnVLWC=因此，如图2.19曲线所示，一旦器件进入线性区，跨导将下降。因此，在放大应用时，我们通常使MOSFET工作在饱和区 第22页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 23MOS管饱和的判断条件管饱和的判断条件NMOS饱和条件：VgsVTN；VdsVgs-VTHNPMOS饱和条件: Vgs1,是一个非理想因子)第37页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 38MOS管亚阈值导电特

10、性的管亚阈值导电特性的Pspice仿真仿真结果结果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38页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 39MOS器件版图器件版图第39页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 40 MOS器件电容 在许多模拟电路中，器件电容也必须加以考虑以便预测其交流特性。 我们认为电容存在于MOSFET的四个端子中任意两个之间。（1）基本的覆盖电容（线性的）（2）沟道电容（非线性的，值与晶体管的工作区域有关。（3）结电容，也是非线性的。第40页/共70页 MOS器件物理基

11、础Ch. 2 # 41The Gate Capacitancetoxn+n+Cross sectionLGate oxidexdxdLdPolysilicon gateTop viewGate-bulkoverlapSourcen+Drainn+W第41页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 42Gate CapacitanceSDGCGCSDGCGCSDGCGCCut-offResistiveSaturationMost important regions in digital design: saturation and cut-off第42页/共70页 MOS器件物理基础Ch.

12、2 # 43Gate CapacitanceWLCoxWLCox22WLCox3CGCCGCSVDS/(VGS-VT)CGCD01CGCCGCS = CGCDCGCBWLCoxWLCox2VGSCapacitance as a function of VGS(with VDS = 0)Capacitance as a function of the degree of saturation第43页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 44Measuring the Gate Cap2 1.52 1 2 0.503456789103 102 162VGS (V)VGSGate Ca p

13、a c i tan ce (F )0.511.522 2I第44页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 45Diffusion CapacitanceBottomSide wallSide wallChannelSourceNDChannel-stop implant NA1SubstrateNAWxjLS第45页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 46Junction Capacitance第46页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 47Linearizing the Junction CapacitanceReplace non-linear capacitan

14、ce bylarge-signal equivalent linear capacitancewhich displaces equal charge over voltage swing of interest第47页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 48Capacitances in 0.25 m CMOS process第48页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 49MOS电容电容存在于MOS管的任意二极点之间电容可分为：栅-沟道电容：oxWLCC 1栅-源漏交叠电容：3C4CovWC=ovC是单位长度电容沟道-衬底耗尽层电容：FsubsiNQWLC42结电容：C5

15、，C6底板电容Cj0、侧壁电容Cjsw第49页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 50不同工作区的不同工作区的MOS电容电容0GBCovoxGSWCWLCC32关断：线性区：饱和区：SDGBWCCCovGSGDdoxdoxGBCWLCCWLCCovoxGSGDWCCWLCC2ovGDWCC0GBC0GBC如果栅压发生变化，电荷是由源和漏提供，而不是由衬底提供。P27最后一段第50页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 51栅源、栅漏电容随栅源、栅漏电容随VGS的变化曲线的变化曲线C3=C4=COVW Cov：每单位宽度的交叠电容MOS管关断时: CGD=CGS=CovW, C

16、GB=C1/C2C1=WLCoxMOS管深线性区时: CGD=CGS=C1/2+CovW, CGB=0, C2被沟道屏蔽MOS管饱和时: CGS= 2C1/3+CovW ,蔼CGD=CovW, CGB=0, C2被沟道屏蔽第51页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 52MOS电容器的结构2oxoxt0.1m, C0.35fF/m。2oxoxt50A, C6.9fF/m2oxoxt0.02m, C1.75fF/m第52页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 53MOS器件电容器件电容第53页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 54减小减小MOS器件电容的版图结构器件电

17、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 第54页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 55栅极电阻栅极电阻第55页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 56MOS小信号模型小信号模型 漏电流公式和与电压有关的电容构成了MOS的大信号模型。当信号显著影响偏置工作点时，应考虑非线性效应。 若信号对偏置影响小时，则可以用小信号模型简化计算。 小信号模型是工作点附近的大信号模型的近似 由于模

18、拟电路中MOS偏置在饱和区，可以导出其相应的小信号模型。第56页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 57（1）由于漏电流是栅-源电压的函数，因此我们可以引入一个值为gmVGS的压控电流源。(a)(2) 由于沟长调制，漏电流也随着漏-源电压变化。这一效应也可用一个压控电流源模拟。但是，如果一个电流源的电流值与它两端的电压成线性关系，则该电流源等效于一个线性阻抗。(b)(c)第57页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 58 连接于D和S之间的输出电阻可由下式得到：DDSoVVrDSDVI/12)(211THGSoxnVVLWCDI1输出电阻ro影响模拟电路的许多特性。例如，它限

19、定着大多数放大器的最大电压增益。第58页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 59（3）衬底电势影响阈值电压，因而也影响栅-源过驱动电压，在所有其他端子保持恒定电压的情况下，漏电流是衬底电压的函数。 也就是说，衬底相当于另一个栅。 用连接于B和S之间的电流源模拟这一关系，其电流值为gmbVbs,其中gmb=BSDVI第59页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 60BSDmbVIg)(BSTHTHGSoxnVVVVLWCSBTHBSTHVVVV在饱和区：21)2(2SBFVSBFmmbVgg22mg因此我们又有gmbVBS和gmVGS有相同的极性，也就是说，增大栅电压与增大衬底

20、电压效果相同。第60页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 61完整的MOS小信号模型也包括器件电容 MOS小信号模型中的电容图2.38 完整的MOS小信号模型第61页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 62例：求下列电路的低频小信号输出电阻例：求下列电路的低频小信号输出电阻(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62页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 63例：求下列电路的低频小信号输出电阻例：求下列电路的低频小信号输出电阻(0

21、)XXmgs0XDXmDXmX0XDV= (I- g V )r + I R(I+ g R I- g V )r + I Rm 0X0DmD 0X(1 + g r )V= (r + R + g R r )IgsXXDV= V- I R10DmD 0XinXm 0D0mm 0r + R + g R rVR=I1+ g rRrgg r第63页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 64例：求下列电路的低频小信号输出电阻例：求下列电路的低频小信号输出电阻(0)gsXV= -VXXmgs0XDXmX0XDV = (I + g V )r + I R(I - g V )r + I R10DXDinXm

22、0mm 0r + RVRR=I1+ g rgg r第64页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 65小信号电阻总结小信号电阻总结（0）1/inmRg1/inmDm 0RgRg r1/inm0Dm 0RgrRg r对于图（A）：对于图（B）：对于图（C）：第65页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 66NMOS器件的电容器件的电容-电压特性电压特性积累区强反型第66页/共70页 MOS器件物理基础Ch. 2 # 67例：例：若若W/L50/0.5，|ID|500uA，分别求分别求: NMOS、PMOS的跨导及输出阻抗以及本征增益的跨导及输出阻抗以及本征增益gmr0 （tox=9e-9 n=0.1, p=0.2 , n= 350cm2/V/s, p= 100cm2/V/s ）tox=50 , Cox6.9fF/m2(1 =10-10 m, 1fF= 10-15 F)tox=90 , Cox6.9*50/90=3.83fF/m2 - -4 4- -1 15 5- -1 12 2- -4 4m mN Ng g = = 2 2