CMOS晶体管础

1、二 cmos晶体管基础主要内容主要内容1 、结构及工作原理、结构及工作原理2、阈值电压、阈值电压3、电流、电流电压方程（电压方程（i-v特性）特性）4、mos管寄生电容管寄生电容5、小信号等效电路、小信号等效电路6、gm、gds7、mosfet的数字模型的数字模型8、衬偏调制效应、衬偏调制效应9、mosfet的温度特性的温度特性10、cmos结构图结构图1、工作原理polysiliconaluminum3d结构图结构图wlgatedrainsourcen+n+leffldrawnldp-substratesgdpolyoxidewn+n+线宽(linewidth), 特征尺寸(feature

2、size)指什么？wllmin、 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ww影响mosfet的速度，决定电路驱动能力和功耗mosfet的三个重要几何参数的三个重要几何参数 vgsvthn时下面的结构是n+pn+，耗尽层内是没有自由移动的电荷的。d、s之间没有形成一条电流通道,所以ids=0。，vgs=vthn时由于电场的作用，psub中的少量电子移动到了沟道的顶部。这样就形成了一条电子移动的通道，如果vds0,就会形成源漏电流ids。沟道夹断

3、2、阈值电压（threshold voltage） 阈值电压是当沟道反型时所需的电压阈值电压是当沟道反型时所需的电压 (i.e. 将沟道从将沟道从p型变型变到到n型的电压型的电压). 阈值电压可按下式计算阈值电压可按下式计算:其中其中 ms = 栅和衬底的接触电势（栅和衬底的接触电势（contact potential between the gate and the bulk） f = 衬底的静电势衬底的静电势(electrostatic potential of the substrate)qbo = 耗尽区的电荷耗尽区的电荷(charge in the depletion region)

4、qss = si/sio2 接触面的电荷接触面的电荷(si/sicharge at the si/sio2 interface)vsb = 源到衬底的电势差源到衬底的电势差(source to bulk voltage)fsbfoxasioxssbofmsthnvcnqcqqv 2222对于一般工艺，vtn= 0.83v(nmos的阈值电压), vtp= - 0.91v(pmos的阈值电压）, 阈值电压由工艺参数决定3、mosfet的 i-v 特性 (线性区triode region) 晶体管偏置在晶体管偏置在 vgs vthn , 此时沟道已形成此时沟道已形成. 漏源电压漏源电压 (vds)

5、 较小较小. 漏极电流可用下式表示漏极电流可用下式表示:2v 2gsdsdsthndvvvilwnkp wheremosfet i-v 特性 (饱和区saturation region) 晶体管偏置在晶体管偏置在 vgs vthn ，此时沟道已形成此时沟道已形成. 漏源电压较大漏源电压较大 (i.e. vds vgs vthn). 理想的漏极电流可表示为理想的漏极电流可表示为:2 gsv 2thndvilwnkp where 当晶体管被夹断当晶体管被夹断(pinchoff)时时, 发生了什么发生了什么? 增大增大 vds 使耗尽区扩大到沟道中使耗尽区扩大到沟道中. 这导致这导致id 随随 vd

6、s 的增加而增大的增加而增大. 因此因此id 可写为可写为:satdsdscthndvvvi_ 2 gs1v 2lwnkp where c 是非理想因子，它是考虑了随着漏极电压增加耗尽层加厚而造成的是非理想因子，它是考虑了随着漏极电压增加耗尽层加厚而造成的.mosfet i-v characteristics(伏安特性）曲线vgs：栅极和源极的电压差。vds: 漏极和源极的电压差。id : 流过漏极和源极的电流。vth: 器件的阈值电压，当器件的阈值电压，当vgs增加到一定的值时，栅极下面的增加到一定的值时，栅极下面的p型型半导体会发生反型，形成半导体会发生反型，形成n型半导体的沟道。此时型半

7、导体的沟道。此时d和和s之间可以有之间可以有电流流过，这个特定的电压值，称之为值电压。电流流过，这个特定的电压值，称之为值电压。2v 2gsdsdsthndvvvi线性区(linear):饱和区(saturation):satdsdscthndvvvi_ 2 gs1v 2lwnkp where阈值电压(threshold voltage):fsbfoxasioxssbofmsthnvcnqcqqv 2222对于一般工艺，vtn=0.83v(nmos的阈值电压), vtp=-0.91v(pmos的阈值电压）, 阈值电压由工艺参数决定截止区： id=0， vgs= vgs-vth4、mos cap

8、acitancemos电容：由器件本生的构造引起的。cgs: 栅极和源极的寄生电容。（平板电容）cgd: 栅极和漏极的寄生电容。（平板电容）cgb: 栅极和衬底的寄生电容。cdb: 漏极和衬底的寄生电容。(pn结电容）csb: 源极和衬底的寄生电容。(pn结电容）是影响最大的capacitance values are the same as accumulation and *capacitance is comprised of three componentstoxcoxoxlwccoxoxtoxwldlcoxgb 2 wcgsowcgdotoxwccoxgsgd ld 电容值的计算（了

9、解）以上各式中：eox: 氧化层的介电常数。tox: 氧化层的厚度。cox ： 表示单位面积氧化层的电容值。ld： 表示栅极和s、d重叠的宽度（由工艺精度决定）。cap.n+act.p+act.polym1m2m3unitsarea (sub.)5269378325108af/um2area (poly)541811af/um2area (m1)46 17af/um2area (m2)49af/um2area (n+act.)3599af/um2area (p+act.)3415af/um2fringe (sub.)249261af/um深亚微米cmos ic工艺的寄生电容(数据)5、mosf

10、et的交流小信号模型(analog model for the mosfet)*mosfet的高频模拟模型的高频模拟模型.*电容已经在以前提到电容已经在以前提到.*ro 是输出电阻，是输出电阻，gm是栅跨导是栅跨导.*current sources model the gain associated with biasing the base and the body of the mosfet. small-signal model of mosfet 输入信号的幅度和电源电压相比很小输入信号的幅度和电源电压相比很小, 它在直流偏置工作它在直流偏置工作点附近的变化点附近的变化, 可近似认为工

11、作在线性区间可近似认为工作在线性区间(如如: ). mos管的小信号模型可以直接从直流模型得出。大多数应管的小信号模型可以直接从直流模型得出。大多数应用中用中, mos管被偏置在饱和区工作。下面仅给出饱和区的管被偏置在饱和区工作。下面仅给出饱和区的小信号参数小信号参数. 沟道导纳沟道导纳gm, gmb和和gds, 分别称为栅跨导分别称为栅跨导, 衬底跨导衬底跨导, 漏电导漏电导, 定义如下定义如下: 式中，式中，q表示在静态工作点的值表示在静态工作点的值.qbsdsmbvig qdsdsdsvig dsdsdsiii qgsdsmvig *nmos管的阈值电压管的阈值电压vthn可表示为可表示

12、为:*饱和区饱和区nmos管的漏极电流管的漏极电流ids可表示为可表示为:*总的总的(ac+dc)的漏极电流的漏极电流ids为为:*因此因此:) 1 ( 22 dsthngsdsvvvilwnkp 其中fsbfthnfsbfoxasioxssbofmsthnvvvcnqcqqv 0 22 2222small-signal model of mosfet in saturation) 1 ( ) ( dsthngsgsqgsdsmvvvvvig) 1 ( ) ( 2 2dsthngsgsgsdsdsdsvvvvviii sbfmsbthnthndsqbsdsmbvgvvvivig 22 ) (

13、2 1 2 dsthngsgsqdsdsodsivvvvirg6、mosfet的简单数字模型 (a simple digital model for the mosfet)wlrvvvrnthnddlwkpddnn 22以s为公共端，g为信号输入端，d为信号输出端，vgs=vdd。7、衬偏调制效应（体效应）当vbs不等于0时，晶体管的衬底和源区将反偏，耗尽层将变宽。从而提高阈值电压（t)的数值。的变化曲线8 mosfet的温度特性的温度特性mosfet的温度特性主要来源于沟道中载流子的迁移率的温度特性主要来源于沟道中载流子的迁移率 和阈和阈值电压值电压vt随温度的变化。随温度的变化。载流子的迁移率随温度变化