拉扎维模拟集成电路精讲ppt第一讲mos器件特性分析

第二章MOS器件物理基础2.1基本概念衬底Ldrawn：沟道总长度Leff：沟道有效长度，Leff＝Ldrawn－2LDLD：横向扩散长度（bulk、body）N阱CMOS技术MOSFET是一个四端器件MOS符号MOS管正常工作的基本条件寄生二极管2.2MOS的I/V特性同一衬底上的NMOS和PMOS器件寄生二极管*N-SUB必须接最高电位VDD！*P-SUB必须接最低电位VSS！*阱中MOSFET衬底常接源极SNMOS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)反型层的形成阈值电压（VTH

）定义

NFET的VTH通常定义为界面的电子浓度等于P型衬底的多子浓度时的栅压。

ΦMS是多晶硅栅和硅衬底的功函数之差；

q是电子电荷，Nsub是衬底掺杂浓度，Qdep是耗尽区电荷，Cox是单位面积的栅氧化层电容；

εsi表示硅介电常数。“本征”阈值电压通过以上公式求得的阈值电压，通常成为“本征”阈值电压.在器件制造工艺中，通常通过向沟道区注入杂质来调整VTHQd：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（1）电荷移动速度(m/s)V(x)|x=0=0,V(x)|x=L=VDSI/V特性的推导（2）对于半导体：且三极管区的MOSFET（0<VDS<VGS－VTH）等效为一个压控电阻I/V特性的推导（3）三极管区(线性区)每条曲线在VDS＝VGS－VTH时取最大值，且大小为：VDS＝VGS－VTH时沟道刚好被夹断饱和区的MOSFET（VDS≥

VGS－VT）当V(x)接近VGS-VT，Qd(x)接近于0，即反型层将在X≤L处终止，沟道被夹断。NMOS管的电流公式截至区，VGS<VTH线性区,VGS>VTHVDS<VGS-VTH饱和区,VGS>VTHVDS>VGS-VTHMOSFET的I/V特性TriodeRegionVDS>VGS-VT沟道电阻随VDS增加而增加导致曲线弯曲曲线斜率开始正比于VGS-VTVDS<VGS-VT用作恒流源条件：工作在饱和区且VGS＝const！MOSFET的跨导gm2.3二级效应体效应沟道长度调制亚阈值导电性电压限制MOS管的开启电压VT及体效应ΦMS：多晶硅栅与硅衬底功函数之差Qdep：耗尽区的电荷,是衬源电压VBS的函数Cox：单位面积栅氧化层电容MOS管的开启电压VT及体效应无体效应源极跟随器

有体效应衬底跨导gmbMOSFET的沟道调制效应LL’MOS管沟道调制效应的spice仿真结果∂ID/∂VDS∝λ/L∝1/L2Ｌ=2µＬ=6µＬ=4µ亚阈值导电特性(ζ>1,是一个非理想因子)MOS管亚阈值导电特性的spice仿真结果VgSlogID仿真条件：VT＝0.6ＶW/L＝100µ/2µMOS管亚阈值电流ID一般为几十~几百nA。电压限制栅氧击穿过高的GS电压。“穿通”效应过高的DS电压，漏极周围的耗尽层变宽，会到达源区周围，产生很大的漏电流。MOS器件版图2.4MOS器件模型MOS器件电容减小MOS器件电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)CjswCSB=2((W/2)ECj+2((W/2)+E)Cjsw)=WECj+2(W+2E)Cjsw栅源、栅漏电容随VGS的变化曲线C3=C4=COVWCov：每单位宽度的交叠电容MOS管关断时:CGD=CGS=CovW,CGB=C1//C2C1=WLCoxMOS管深线性区时:CGD=CGS=C1/2+CovW,CGB=0,沟道屏蔽MOS管饱和时:CGS=2C1/3+CovW,和CGD=CovW,CGB=0,沟道屏蔽栅极电阻MOS低频小信号模型完整的MOS小信号模型MOSSPICE模型在电路模拟（simulation）中，SPICE要求每个器件都有一个精确的模型。种类1st

代：MOS1，MOS2，MOS3；2nd代：BSIM，HSPICElevel＝28，BSIM23rd代：BSIM3，MOSmodel9，EKV(Enz-Krummenacher-Vittoz)目前工艺厂家最常提供的MOSSPICE模型为BSIM3v3（UCBerkeley）仿真器：HSPICE；SPECTRE；PSPICE用简单的模型设计（design），用复杂的模型验证（verification）；模型用于：大信号静态(dcvariables)小信号静态(gains,resistances)小信号动态(frequencyresp