模拟CMOS集成电路设计第2章MOS器件物理基础

1、 MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 1第二章第二章MOS器件物理基础器件物理基础 MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 2MOSFET的结构的结构 MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 3衬底衬底Ldrawn：沟道总长度沟道总长度Leff：沟道有效长度，沟道有效长度， Leff Ldrawn2 LDMOSFET的结构的结构LD：横向扩散长度横向扩散长度（bulk、body） MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 4MOS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管正常工作的基本条件是:所有衬源（所有衬源（B、S）、）、衬漏（衬漏（B

2、、D）pn结必须反偏！结必须反偏！寄生二极管寄生二极管 MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 5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寄生二极管*N-SUB必须接最高电位必须接最高电位VDD！*P-SUB必须接最低电位必须接最低电位VSS！*阱中阱中MOSFET衬底常接源极衬底常接源极SMOS管所有管所有pn结必须反偏结必须反偏: MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 6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 MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 7NMOS器件的阈值电压器件的阈值电压VTH(a)栅压控制的栅压控制的MOSF

3、ET (b)耗尽区的形成耗尽区的形成(c)反型的开始反型的开始 (d)反型层的形成反型层的形成 MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 8p 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度= 衬底掺杂浓度 MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 9oxdepFMSTHCQV2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t

4、ox 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 MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 10NMOS管管VGSVT、VDS=0时的示意图时的示意图 MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 11NMOS管管VGSVT、 0VDS VGS-VT时的示意图时的示意图沟道夹断条件沟道夹断条件VdsVgs-Vth MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 12NMOS沟道电势示意图沟道电势示意图(0VD

5、S VGS-VT )oxGSTHdq(x)= -C Wdxv-v(x)-V边界条件边界条件:V(x)|x=0=0, V(x)|x=L=VDS MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 13Qd：沟道电荷密度沟道电荷密度Cox：单位面积栅电容单位面积栅电容沟道单位长度电荷沟道单位长度电荷(C/m)WCox：MOSFET单位长度的总电容单位长度的总电容Qd(x)：沿沟道点沿沟道点x x处的电荷密度处的电荷密度V(x)：沟道沟道x x点处的电势点处的电势I/V特性的推导（特性的推导（1）电荷移电荷移动速度动速度(m/s)V(x)|x=0=0, V(x)|x=L=VDSdI = Q .vdoxGS

6、THQ =W C (V- V )doxGSTHQ (x) = WC (V- V(x) - V) MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 14I/V特性的推导（特性的推导（2）对于半导体对于半导体：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) 22DnoxGSTH

7、DSDSW1I=C(V- V )V-VL2 MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 15三极管区的三极管区的MOSFET（0 VDS VGSVT）等效为一个等效为一个压控电阻压控电阻2DnoxGSTHDSDSW1I=C(V- V )V-VL2DnoxGSTHDSWI=C(V- V )VLDSGSTHVVT、VDSVGS-VT时的示意图时的示意图电子电子耗尽区耗尽区 MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 19NMOS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，截至区，VgsVTH

8、VDSVTHVDS Vgs - VTH MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 20MOSFET的的I/V特性特性Triode RegionVDSVGS-VT沟道电阻随沟道电阻随VDS增加而增加导增加而增加导致曲线弯曲致曲线弯曲曲线开始斜曲线开始斜率正比于率正比于VGS-VTVDSVGS-VT用作恒流源条件：用作恒流源条件：工作在饱和区工作在饱和区且且VGS const！ MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 21例例2.1：在图：在图2.14a中，表示中，表示M1是受是受VG控制的电阻。假设控制的电阻。假设Cox50uA/V，W/L=10，VTH0.7V。漏端开路。漏端开路解：

9、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 MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 22MOSFET的跨导的跨导gmDmVDS=constGSnoxGSTHIg=VW= C(V- V )LmnoxDDGSTHWg=2 CIL2I=V- V MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 23 例例2.2：如图：如图2.19，画出跨导与，画出跨导与 的函数曲线的函数曲线 DSV当当 从无穷大减小到零时来研究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。只要的变化，会使这个问题变

10、的简单。只要 ， 晶体管就工作在饱和区，晶体管就工作在饱和区， 和和 就保持相对恒定，这可从就保持相对恒定，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 MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 24MOS管饱和的判断条件管饱和的判断条件NMOS饱和条件：饱和条件：VgsVTN；VdsVgs-VTHNPMOS饱和条件

11、饱和条件: Vgs1,是一个非理想因子是一个非理想因子) MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 39MOS管亚阈值导电特性的管亚阈值导电特性的Pspice仿真结果仿真结果VgSlogID仿真条件：仿真条件：VT0.6W/L100/2MOS管亚阈值电流管亚阈值电流ID一般为几十一般为几十几百几百nA, 常用于低功耗放大器、带隙基准设计。常用于低功耗放大器、带隙基准设计。 MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 40MOS器件版图器件版图 MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 41 MOS器件电容器件电容 在许多模拟电路中，器件电容也必须加以考虑以在许多模拟电路中，器件电容也

12、必须加以考虑以便预测其交流特性。便预测其交流特性。 我们认为电容存在于我们认为电容存在于MOSFET的四个端子中任意的四个端子中任意两个之间。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。 MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 42The Gate Capacitancetoxn+n+Cross sectionLGate oxidexdxdLdPolysilicon gateTop viewGate-bulkoverlapSourcen+Drainn+W MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 43Gate

13、 CapacitanceSDGCGCSDGCGCSDGCGCCut-offResistiveSaturationMost important regions in digital design: saturation and cut-off MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 44Gate CapacitanceWLCoxWLCox22WLCox3CGCCGCSVDS/(VGS-VT)CGCD01CGCCGCS = CGCDCGCBWLCoxWLCox2VGSCapacitance as a function of VGS(with VDS = 0)Capacitance as a

14、function of the degree of saturation MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 45Measuring the Gate Cap2 1.52 1 2 0.503456789103 102 162VGS (V)VGSGate Ca p a c i tan ce (F )0.511.522 2I MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 46Diffusion CapacitanceBottomSide wallSide wallChannelSourceNDChannel-stop implant NA1SubstrateNAWxjLS MOS器件物理

15、基础器件物理基础Ch. 2 # 47Junction Capacitance MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 48Linearizing the Junction CapacitanceReplace non-linear capacitance bylarge-signal equivalent linear capacitancewhich displaces equal charge over voltage swing of interest MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 49Capacitances in 0.25 m CMOS process MOS器

16、件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 50MOS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，C6底板电容Cj0、侧壁电容Cjsw MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 51不同工作区的不同工作区的MOS电容电容0GBCovoxGSWCWLCC32关断：关断：线性区：线性区：饱和区：饱和区：SDGBWCCCovGSGDdoxdoxGBCWLCCWLCCovoxGSGDWCCWLCC2ovGDWCC0GBC0GBC如果栅压发生变化，电荷是

17、由源和漏提供，而不是由衬底提供。P27最后一段 MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 52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每单位宽度的交叠电容MOS管关断时管关断时: CGD=CGS=CovW, CGB=C1/C2C1=WLCoxMOS管深线性区时管深线性区时: CGD=CGS=C1/2+CovW, CGB=0, C2被沟道屏蔽被沟道屏蔽MOS管饱和时管饱和时: CGS= 2C1/3+CovW ,蔼蔼CGD=CovW, CGB=0, C2被沟道屏蔽被沟道屏蔽 MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 53M

18、OS电容器的结构电容器的结构2oxoxt0.1m, C0.35fF/m。2oxoxt50A, C6.9fF/m2oxoxt0.02m, C1.75fF/m MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 54MOS器件电容器件电容 MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 55减小减小MOS器件电容的版图结构器件电容的版图结构对于图对于图a:CDB=CSB = WECj + 2(W+E)Cjsw对于图对于图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 MOS器件物理基础器件物理基础C

19、h. 2 # 56栅极电阻栅极电阻 MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 57MOS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漏电流公式和与电压有关的电容构成了MOS的的大信号模型。当信号显著影响偏置工作点时，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。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若信号对偏置影响小时，则可以用小信号模型简化计算。简化计算。 小信号模型是工作点附近的大信号模型的近似小信号模型是工作点附近的大信号模型的近似 由于模拟电路中由于模拟电路中MOS偏置在饱和区，可以导出偏置在饱和区，可以导出其相应的小信号模型。其相应的

20、小信号模型。 MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 58（1）由于漏电流是栅）由于漏电流是栅-源电压的函数，因此我们可以引入一源电压的函数，因此我们可以引入一个值为个值为gmVGS的压控电流源。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) MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 59 连接于连接于D和和S之间的输出电阻可由下式得到之间的输出电阻可由下式得到：DDSoVVrDSDVI/12)(211THGSoxnVVLWCDI1

21、输出电阻ro影响模拟电路的许多特性。例如，它限定着大多数放大器的最大电压增益。 MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 60（3）衬底电势影响阈值电压，因而也影响栅）衬底电势影响阈值电压，因而也影响栅-源过驱源过驱动电压，在所有其他端子保持恒定电压的情况下动电压，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。，漏电流是衬底电压的函数。 也就是说，也就是说，衬底相当于另一个栅。衬底相当于另一个栅。 用连接于用连接于B和和S之间的电流源模拟这一关系，其电之间的电流源模拟这一关系，其电流值为流值为gmbVbs,其中其中gmb=BSDVI MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2

22、# 61BSDmbVIg)(BSTHTHGSoxnVVVVLWCSBTHBSTHVVVV在饱和区：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电压效果相同。 MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 62完整的完整的MOS小信号模型也包括器件电容小信号模型也包括器件电容 MOS小信号模型中的电容小信号模型中的电容图2.38 完整的MOS小信号模型 MOS器件物理基础器件物理基础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)XXmgs0XmX0V= (I

23、- g V )r = (I- g V )rm 0XX 0(1 + g r )V= I r10XinXm 0mrVR=I(1 + g r )g MOS器件物理基础器件物理基础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)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 MOS

24、器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 65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 0mm 0r + RVRR=I1+ g rgg r MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 66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（对于图（A）：）：对于图（对于图（B）：）：对于图（对于图（C）：）： MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 67NMOS器件的电容器件的电容-电压特性电压特性积累区积累区强反型强反型 MOS器件物理基础器件物理基础Ch. 2 # 68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 , Cox 6.9fF/m2(1 =10-10 m, 1fF= 10-15 F)tox=90 , Cox 6.9*50/90=3.83fF/m2 - -4 4- -1 15 5- -1 12 2