IC设计器件物理基础

第二章MOS器件物理基础授课教师：鲁文高Email:wglu@模拟集成电路设计与分析1本讲内容基本概念结构、符号I/V特性阈值电压I-V关系式跨导二级效应体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性器件模型版图、电容、小信号模型等模拟集成电路设计与分析2MOSFET的简化模型简化模型——开关由VG控制的一个开关模拟集成电路设计与分析3MOSFET的结构（1）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？Bulk（body）最重要的工作区域？受VG控制的沟道区模拟集成电路设计与分析4MOSFET的结构（2）PMOSNMOSPMOS模拟集成电路设计与分析5MOSFET的符号四端器件省掉B端模拟电路一般用(a)或者(b)画图

数字电路用(c)画图？电流方向模拟集成电路设计与分析6本讲内容基本概念结构、符号I/V特性阈值电压I-V关系式跨导二级效应体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性器件模型版图、电容、小信号模型等模拟集成电路设计与分析7MOSFET沟道的形成过程模拟集成电路设计与分析8阈值电压模拟集成电路设计与分析9MOSFET的I-V特性（1）模拟集成电路设计与分析10MOSFET的I-V特性（2）模拟集成电路设计与分析11深线性区MOSFET等效为电阻等效为一个线性电阻深三极管区模拟集成电路设计与分析12饱和区MOSFET（1）Pinch-off区Active区Saturation区电流近似只与W/L和VGS有关，不随VDS变化模拟集成电路设计与分析13饱和区MOSFET（2）用作电流源或者电流沉模拟集成电路设计与分析14PMOSPMOS管电流驱动能力比NMOS管差迁移率约为NMOS管的1/3左右模拟集成电路设计与分析15跨导（1）：饱和区模拟集成电路设计与分析16跨导的三个表达式模拟集成电路设计与分析17跨导（2）：线性区饱和区gm大，通常用饱和区MOS管做信号放大模拟集成电路设计与分析18饱和区条件二极管接法的MOSFET总是处于饱和区！！模拟集成电路设计与分析19本讲内容基本概念结构、符号I/V特性阈值电压I-V关系式跨导二级效应体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性器件模型版图、电容、小信号模型等模拟集成电路设计与分析20体效应

体效应系数，典型值0.3-0.4V-1/2模拟集成电路设计与分析21体效应的影响（1）模拟集成电路设计与分析22体效应会导致设计参量复杂化，通常不希望体效应但也有利用体效应工作的电路！体效应的影响（2）模拟集成电路设计与分析23利用体效应工作的电路实例VsnVgpVinMp1Mp2MnVrefIoIoutV-I转换电路USPatent：5998777模拟集成电路设计与分析24沟道长度调制效应（1）LL’模拟集成电路设计与分析25沟道长度调制效应（2）模拟集成电路设计与分析26沟道长度调制效应（3）斜率越小，输出阻抗越大模拟集成电路设计与分析27亚阈值特性（1）前面的分析VGS>VTH：反型VGS<VTH：截至VGSVTH：？？？真实的情况VGSVTH：弱反型区，存在源漏电流VGS<VTH：漏电流并非无穷小这种效应成为“亚阈值导电”亚阈值区也称弱反型区模拟集成电路设计与分析28亚阈值特性（2）模拟集成电路设计与分析29亚阈值特性（3）模拟集成电路设计与分析30本讲内容基本概念结构、符号I/V特性阈值电压I-V关系式跨导二级效应体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性器件模型版图、电容、小信号模型等模拟集成电路设计与分析31MOS器件版图斜视图（bird’seye，angledview）俯视图（verticalview）栅接触孔为什么开在沟道区外？希望源漏寄生电容小！Why？？模拟集成电路设计与分析32MOS电路版图：器件及互连模拟集成电路设计与分析33MOSFET的电容分析MOS管交流特性时必须考虑电容影响C3、C4：覆盖电容；不能简单等于WLDCOX(边缘电力线)C5、C6：结电容=底电容+侧壁电容模拟集成电路设计与分析34MOS管中的电容寄生电容往往随偏置电压的变化而变化EDA工具在寄生参数提取时会自动提取每个节点精确的寄生电容值模拟集成电路设计与分析35减小MOSFET的寄生电容折叠结构的版图漏端寄生电容小模拟集成电路设计与分析36MOSFET的电容：截至区模拟集成电路设计与分析37MOSFET的电容：饱和区模拟集成电路设计与分析38MOSFET的电容：深线性区模拟集成电路设计与分析39MOSFET大信号和小信号模型大信号模型由I-V特性关系式、CGS等电容的电容值构成小信号模型gm、gmb、rO等高频时应考虑寄生电容模拟集成电路设计与分析40MOSFET小信号模型（1）VBS=0时的低频小信号模型用于计算输出电阻、低频小信号增益模拟集成电路设计与分析41MOSFET小信号模型（2）模拟集成电路设计与分析42MOSFET小信号模型（3）考虑衬偏效应时的低频小信号模型用于计算输出电阻、低频小信号增益模拟集成电路设计与分析43MOSFET小信号模型（4）模拟集成电路设计与分析44MOSFET的寄生电容模拟集成电路设计与分析45MOSFET的截至频率fT模拟集成电路设计与分析46高增益vs高速模拟集成电路设计与分析47常用的表达式模拟集成电路设计与分析48MOS小信号模型中的电阻通常忽略合理设计版图能减小电阻折叠结构减小栅电阻！减小漏电容！模拟集成电路设计与分析49完整的MOSFET小信号模型用于计算各节点的时间常数找出极点模拟集成电路设计与分析50MOSFET的SPICE模型（1）模型精度决定电路仿真精度、速度最简单的模型——Level1，适于手算模拟集成电路设计与分析51MOSFET的SPICE模型（2）VTO：VSB=0时阈值电压GAMMA：体效应系数PHI：2FTOX：栅氧厚度NSUB：衬底掺杂浓度LD：源漏扩散长度UO：沟道迁移率LAMBDA：CJ：单位面积底部电容CJSW：单位长度侧壁电容PB：源漏结内建电势MJ：CJ式中的幂指数MJSW：CJSW式中幂指数CGDO：单位宽度的栅漏覆盖电容CGSO：单位宽度的栅源覆盖电容JS：源漏结的单位面积漏电流模拟集成电路设计与分析52NMOS管与PMOS管的比较在大多数工艺中，NMOS管性能比PMOS管好迁移率约3：1，NMOS具高电流驱动能力，高跨导相同尺寸和偏置电流时，NMOS管rO大，更接近理想电流源，能提供更高的电压增益对nwell工艺，用PMOS管可消除体效应独占一个阱（面积大）根据实际需求选择NMOS或PMOS模拟集成电路设计与