第2章MOS器件物理基础

1、1西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 模拟集成电路设计模拟集成电路设计第第2章章 MOS器件物理基础器件物理基础董刚董刚微电子学院2西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 授课内容授课内容绪论绪论重要性、一般概念重要性、一般概念单级放大器单级放大器无源无源/有源电流镜有源电流镜差动放大器差动放大器放大器的频率特性放大器的频率特性噪声噪声运算放大器运算放大器反馈反馈稳定性和频率补偿稳定性和频率补偿共源、共漏、共栅、共源共栅共源、共漏、共栅、共源共栅定性分析、定量分析、共模响应、吉尔伯特单元定性分析、定量分析、共模响应、吉尔伯特单元弥勒效应、极点与节点关系、各类单级放大弥勒效应、极点与节点关系、各类单

2、级放大器频率特性分析器频率特性分析统计特性、类型、电路表示、各类单级放统计特性、类型、电路表示、各类单级放大器噪声分析、噪声带宽大器噪声分析、噪声带宽特性、四种反馈结构、负载影响、对噪声的影响特性、四种反馈结构、负载影响、对噪声的影响性能参数、一级运放、两级运放、各指标分析性能参数、一级运放、两级运放、各指标分析多极点系统、相位裕度、频率补偿多极点系统、相位裕度、频率补偿器件物理基础器件物理基础MOSFET结构、结构、IV特性、二级效应、器件模型特性、二级效应、器件模型带隙基准源带隙基准源与电源无关、与温度无关、与电源无关、与温度无关、PTAT电流、电流、恒恒Gm、速度与噪声、速度与噪声基本基

3、本/共源共栅共源共栅/有源电流镜有源电流镜3西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 上一讲上一讲q研究模拟电路的重要性研究模拟电路的重要性q模拟电路设计的难点模拟电路设计的难点q研究研究AIC的重要性的重要性q研究研究CMOS AIC的重要性的重要性q电路设计一般概念电路设计一般概念v抽象级别抽象级别v健壮性设计健壮性设计v符号符号4西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 上一讲上一讲q数字电路无法完全取代模拟电路，模拟数字电路无法完全取代模拟电路，模拟电路是现代电路系统中必不可少的一部电路是现代电路系统中必不可少的一部分分q模拟电路设计的难点比数字电路不同模拟电路设计的难点比数字电路不同v关注点、噪

4、声和干扰、器件二阶效应、设计关注点、噪声和干扰、器件二阶效应、设计自动化程度、建模和仿真、工艺、数模混合自动化程度、建模和仿真、工艺、数模混合qAIC具有高速度、高精度、低功耗、大具有高速度、高精度、低功耗、大批量时成本等优点批量时成本等优点q用用CMOS工艺设计、加工工艺设计、加工AIC具有加工具有加工成本低、易实现数模混合等优点，被广成本低、易实现数模混合等优点，被广泛采用泛采用5西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 掌握器件物理知识的必要性掌握器件物理知识的必要性q数字电路设计师一般不需要进入器件内数字电路设计师一般不需要进入器件内部，只把它当开关用即可部，只把它当开关用即可qAIC设计师

5、必须进入器件内部，具备器设计师必须进入器件内部，具备器件物理知识件物理知识vMOS管是管是AIC的基本元件的基本元件vMOS管的电特性与器件内部的物理机制密管的电特性与器件内部的物理机制密切相关，设计时需将两者结合起来考虑切相关，设计时需将两者结合起来考虑q器件级与电路级联系的桥梁？器件级与电路级联系的桥梁？v器件的电路模型器件的电路模型6西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 本讲本讲q基本概念基本概念v简化模型开关简化模型开关v结构结构v符号符号qI/V特性特性v阈值电压阈值电压vI-V关系式关系式v跨导跨导q二级效应二级效应v体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性体效应、沟道长度调制效应、亚

6、阈值导电性q器件模型器件模型v版图、电容、小信号模型等版图、电容、小信号模型等7西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 本讲的目的本讲的目的q从从AIC设计者角度，看器件物理；本讲设计者角度，看器件物理；本讲只讲授只讲授MOS器件物理基础知识器件物理基础知识q理解理解MOS管工作原理管工作原理q基于原理，掌握电路级的器件模型基于原理，掌握电路级的器件模型v直流关系式直流关系式I/V特性特性v交流关系式小信号电路中的参数交流关系式小信号电路中的参数8西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 MOS管简化模型管简化模型简化模型简化模型开关开关由由VG控制的一个开关控制的一个开关9西电微电子学院董刚模拟集成电

7、路设计 MOS管的结构管的结构提供载流子的端口为源，收集载流子的端口为漏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）最重要的工作区域最重要的工作区域？受受VG控制的沟道区控制的沟道区10西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 MOS管的结构管的结构衬底电压要保证源漏衬底电压要保证源漏PN结反偏，对阈值电压有影响结反偏，对阈值电压有影响同一衬底上的同一衬底上的NMOS和和PMOS管（体端不同）管（体端不同）独享一个阱的独享一个阱的MOS管在管在AIC设设计中有特殊应用计中有特殊应用11西电微电子学

8、院董刚模拟集成电路设计 MOS管的符号管的符号四端器件四端器件省掉省掉B端端在在Cadence analogLib库库中，当中，当B、S端短接时端短接时AIC设计中一般设计中一般应采用该符号应采用该符号？需明确体端连接需明确体端连接？电流方向电流方向数字电路用数字电路用只需区别只需区别开开MOS管管类型即可类型即可12西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 本讲本讲q基本概念基本概念v简化模型开关简化模型开关v结构结构v符号符号qI/V特性特性v阈值电压阈值电压vI-V关系式关系式v跨导跨导q二级效应二级效应v体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性q器件模型器

9、件模型v版图、电容、小信号模型等版图、电容、小信号模型等13西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 沟道电荷的产生沟道电荷的产生当当VG大到一定大到一定程度时，表面程度时，表面势使电子从源势使电子从源流向沟道区流向沟道区VTH定义为定义为表面表面电子浓度等于衬电子浓度等于衬底多子浓度时的底多子浓度时的VG14西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 阈值电压阈值电压栅与衬底功函数差栅与衬底功函数差工艺确定后，工艺确定后，VTH0就固定了，设计者无法改变就固定了，设计者无法改变常通过沟道注入把常通过沟道注入把VTH0调节到合适值调节到合适值0OXOXOXTC15西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 I/V特

10、性沟道随特性沟道随VDS的变化的变化16西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 I/V特性特性推导推导I(VDS,VGS)Qd WCox(VGS VTH)Qd(x) WCo x(VGSV(x) VTH)I Qd v17西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 I/V特性特性推导推导I(VDS,VGS)ID WCo xVGS V(x) VTHvIDdxx0LWCoxnVGSV(x)VTHdVV0VDSGiven v E and E(x) dV(x)dxIDWCoxVGSV(x)VTHndV(x)dxIDnCoxWL(VGSVTH)VDS12VDS218西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 I/V特性特性线性

11、区线性区21)(2DSDSTHGSLWoxnDVVVVCI)(THGSVV过驱动电压过驱动电压三极管区三极管区欧姆区欧姆区线性区线性区19西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 I/V特性特性当当VDSVGS-VTH时？时？21)(2DSDSTHGSLWoxnDVVVVCI是否仍按抛物线是否仍按抛物线变化？变化？沟道区两端的电压沟道区两端的电压差不再等于差不再等于VDS，保持为保持为VGS-VTH公式不再适用公式不再适用推导时是针对反型推导时是针对反型沟道区上的长度和沟道区上的长度和电压差进行积分电压差进行积分21西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 I/V特性特性当当VDSVGS-VTH时时IDn

12、CoxWL(VGSVTH)VDS12VDS22)(2THGSoxnDVVLWCIVDS VGS VTH (Pinch off )L随随VDS变化很小时，电流变化很小时，电流近似恒定，饱和区近似恒定，饱和区22西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 I/V特性特性当当VDSVGS-VTH时时2)(2THGSoxnDVVLWCIPinch-off区区Active区区Saturation区区电流近似只电流近似只于于W/L和和VGS有关，有关， 不随不随VDS变化变化23西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 I/V特性特性当当VDSVGS-VTH时时用作电流源或电流沉（用作电流源或电流沉（current s

13、ink）24西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 I/V特性特性PMOS管管定义从定义从D流流向向S为正为正0.8 m nwell： p=250cm2/V-s, n=550cm2/V-s0.5 m nwell： p=100cm2/V-s, n=350cm2/V-sPMOS管电流驱动能力比管电流驱动能力比NMOS管差管差25西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 跨导跨导gmtconsVDSGSDmVIgtan 饱和区时),(THGSLWoxnVVCgm 2nCoxWLID2IDVGS VTHVGS对对IDS的控制能力的控制能力IDS对对VGS变化的灵敏度变化的灵敏度26西电微电子学院董刚模拟集成电路

14、设计 跨导跨导gm)(THGSLWoxnmVVCg由于饱和区由于饱和区gm大，一般大，一般用饱和区工用饱和区工作的作的MOS管管做信号放大做信号放大线性区时？线性区时？27西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 MOS管工作在哪个区？管工作在哪个区？ActiveActive28西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 本讲本讲q基本概念基本概念v简化模型开关简化模型开关v结构结构v符号符号qI/V特性特性v阈值电压阈值电压vI-V关系式关系式v跨导跨导q二级效应二级效应v体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性q器件模型器件模型v版图、电容、小信号模型等版图、电容、小

15、信号模型等29西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 二级效应二级效应q前面前面VTH、I/V、gm等推导都是基于最简等推导都是基于最简单假设单假设v忽略了忽略了VDS对对L的影响等二级效应的影响等二级效应q二级效应是二级效应是AIC设计必须要考虑的因素设计必须要考虑的因素v会对电路一些性能指标带来不可忽视的影响会对电路一些性能指标带来不可忽视的影响v如输出电阻如输出电阻RO 、体效应引起的体跨导、体效应引起的体跨导gmbq包括包括v体效应、沟长调制效应、亚阈值导电性、热体效应、沟长调制效应、亚阈值导电性、热载流子效应、速度饱和、垂直电场引起的迁载流子效应、速度饱和、垂直电场引起的迁移率退化、温度

16、特性等移率退化、温度特性等30西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 阈值电压和体效应阈值电压和体效应VTHMS2FQdepCox , whereMS gate siliconFkTqlnNsu bniQdep4qsiFNsub31西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 阈值电压和体效应阈值电压和体效应VTHVTH02FVSB2F , 2qsiNsubCox 体效应系数，典型值体效应系数，典型值0.3-0.4V-1/232西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 体效应对电路性能影响体效应对电路性能影响体效应会导致设计参量复杂化，体效应会导致设计参量复杂化， AIC设计通常不希望设计通常不希望有体效应。但也

17、有利用体效应工作的电路有体效应。但也有利用体效应工作的电路33西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 利用体效应工作的电路实例利用体效应工作的电路实例VsnVgpVinMp1Mp2MnVrefIoIoutUS Patent：5998777V-I转换电路转换电路34西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 沟道长度调制效应沟道长度调制效应L L L)/1 (1 /1LLLLLLVVLLDSDS/ ),1 (1 /1)1 ()(22DSTHGSoxnDVVVLWCILL假设：假设：是线性关系与DSV/ LL短沟道短沟道MOS管时该近似管时该近似会明显影响精度会明显影响精度35西电微电子学院董刚模拟集成电路设

18、计 沟长调制效应沟长调制效应gmnCoxWL(VGSVTH)(1VDS)1 (2DSDoxnmVILWCgTHGSDmVVIg2AIC设计中通常不希望设计中通常不希望ID随随VDS变化。变化。会降低放大器的输出电阻，会导致偏置电流改变，等。会降低放大器的输出电阻，会导致偏置电流改变，等。36西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 亚阈值导电性亚阈值导电性ID I0expVGSkTq截止截止弱反型弱反型中反型中反型强反型强反型渐进的连续变化过程，渐进的连续变化过程，VGS VTH时仍有时仍有IDS存在存在 1, 系数，系数，zi:t当当VDS大于大于200mV时时带来功耗；被存储带来功耗；被存储的信

19、息的丢失的信息的丢失37西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 亚阈值导电性亚阈值导电性GrayVt 为阈值电压为阈值电压VT 为热电压为热电压n：由工艺决定：由工艺决定It：VGS=Vt、W/L=1、VDSVVT T时的漏电流时的漏电流38西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 用亚阈值特性确定阈值电压用亚阈值特性确定阈值电压q如何测量确定阈值电压？如何测量确定阈值电压？)(1THGSLWoxnDSDSONVVCVIR测深线性区的测深线性区的MOS管的导通电阻管的导通电阻RON随随VGS的变化的变化VGIDSVDVSVGSIDS/VDS39西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 用亚阈值特性确定阈值电压

20、用亚阈值特性确定阈值电压q粗略估算方法粗略估算方法vID/W=1 A/ m所对应的所对应的VGS为为VTH ，此时，此时MOS管工作管工作在亚阈区附近。为什么？在亚阈区附近。为什么？2)(2THGSoxnDVVLCWI2)(2THGSoxnDVVLWCI在在ID一定时，一定时，W逐渐增大会导致逐渐增大会导致VGS逐渐接近逐渐接近VTH ；再；再增大时会进入亚阈值区增大时会进入亚阈值区40西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 亚阈值区时的跨导亚阈值区时的跨导ID I0expVGSkTq强反型时的跨导强反型时的跨导:2/ )(THGSDmVVIg在在ID一定时，亚阈值区的跨导比强反型区时大，一定时，

21、亚阈值区的跨导比强反型区时大，有利于实现较大放大倍数，且功耗极低有利于实现较大放大倍数，且功耗极低但单位沟道宽度的源漏电流但单位沟道宽度的源漏电流ID/W小，只能用小，只能用于极低速电路于极低速电路双极晶体管：双极晶体管：41西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 电压限制电压限制q栅击穿栅击穿v不可恢复的损伤不可恢复的损伤qPN结击穿结击穿q源漏穿通源漏穿通q热载流子效应热载流子效应42西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 本讲本讲q基本概念基本概念v简化模型开关简化模型开关v结构结构v符号符号qI/V特性特性v阈值电压阈值电压vI-V关系式关系式v跨导跨导q二级效应二级效应v体效应、沟道长度调制

22、效应、亚阈值导电性体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性q器件模型器件模型v版图、电容、小信号模型等版图、电容、小信号模型等43西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 MOS器件版图器件版图q根据电特性要求和工艺设计规则设计根据电特性要求和工艺设计规则设计斜视图（斜视图（birds eye ，angled view） 俯视图（俯视图（vertical view）栅接触孔开在沟道区外栅接触孔开在沟道区外AIC设计希望源漏设计希望源漏PN结寄生电容小结寄生电容小44西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 MOS器件版图器件版图45西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 MOS管中的电容管中的电容q分析分析MO

23、S管交流特性时必须考虑电容影响管交流特性时必须考虑电容影响C3、C4：覆盖电容；由于边缘电力线的影响，：覆盖电容；由于边缘电力线的影响，不能简单地等于不能简单地等于WLDCOXC5、C6：结电容；：结电容；=底电容底电容+侧壁电容侧壁电容46西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 MOS管中的电容管中的电容q寄生电容往往随偏置电压寄生电容往往随偏置电压的变化而变化的变化而变化qEDA工具在寄生参数提工具在寄生参数提取时会自动提取每个节点取时会自动提取每个节点精确的寄生电容值精确的寄生电容值47西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 MOS管中的电容低电容版图管中的电容低电容版图折叠结构的版图折叠结构的

24、版图漏端寄生电容小漏端寄生电容小48西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 MOS管中的电容不同工作区管中的电容不同工作区q截止区截止区L为有效沟道长度为有效沟道长度49西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 MOS管中的电容不同工作区管中的电容不同工作区q深三极管区深三极管区q饱和区饱和区CGB常被忽略常被忽略50西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 MOS大信号和小信号模型大信号和小信号模型q大信号模型大信号模型v由由I-V特性关系式、特性关系式、CGS等电容的电容值构成等电容的电容值构成v信号相对于偏置工作点而言比较大、会显著信号相对于偏置工作点而言比较大、会显著影响偏置工作点时用该模型影响偏置工

25、作点时用该模型q小信号模型小信号模型v信号相对于偏置工作点而言比较小、不会显信号相对于偏置工作点而言比较小、不会显著影响偏置工作点时用该模型简化计算著影响偏置工作点时用该模型简化计算v由由gm、 gmb、rO等构成低频小信号模型，高等构成低频小信号模型，高频时还需加上频时还需加上 CGS等寄生电容、寄生电阻等寄生电容、寄生电阻（接触孔电阻、导电层电阻等）（接触孔电阻、导电层电阻等）51西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 MOS饱和区时的小信号模型饱和区时的小信号模型DTHGSoxnDSDDDSoIVVLWCVIIVr1)(21/1252西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 MOS饱和区时的小信号

26、模型饱和区时的小信号模型gmbIDVBSnCo x2WL(VGS VTH)VTHVBSgmb gm2 2FVSBgmAlso,VTHVBSVTHVSB 2(2F VSB)1/ 2i: t或或eit53西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 MOS管的完整小信号模型管的完整小信号模型q对于手算，模型不是越复杂越好。能提对于手算，模型不是越复杂越好。能提供合适的精度即可供合适的精度即可54西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 MOS小信号模型中的电阻小信号模型中的电阻q通常忽略通常忽略q合理设计版图合理设计版图能减小电阻能减小电阻55西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 MOS SPICE模型模型q模型精

27、度决定电路仿真精度模型精度决定电路仿真精度q最简单的模型最简单的模型Level 1，0.5 mq适于手算适于手算56西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 NMOS管与管与PMOS管管q在大多数工艺中，在大多数工艺中，NMOS管性能比管性能比PMOS管好管好v迁移率迁移率4：1，高电流驱动能力，高跨导，高电流驱动能力，高跨导v相同尺寸和偏置电流时，相同尺寸和偏置电流时，NMOS管管rO大，更大，更接近理想电流源，能提供更高的电压增益接近理想电流源，能提供更高的电压增益q对对nwell 工艺，用工艺，用PMOS管可消除体效应管可消除体效应v独占一个阱独占一个阱57西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 长沟道器件和短沟道器件长沟道器件和短沟道器件q前面的分析是针对长沟道器件（前面的分析是针对长沟道器件（4 m以以上）而言上）而言q对短沟道器件而言，