CMOS课件第一二章

CMOS课件第一二章第一页，共28页。自然信号的产生数字通信磁盘数据的读取无线接收器光接收器传感器微处理器和存储器研究模拟电路的重要性模拟电路的不可替代性第二页，共28页。模拟电路设计困难的原因模拟设计涉及到在速度、功耗、增益、精度、电源电压等多种因素间进行折中，而数字电路只需要在速度、功耗之间折中。模拟电路对噪声、串扰和其他干扰比数字电路要敏感的多。器件的二级效应对模拟电路的影响比数字电路要严重的多。高性能模拟电路的设计很少能自动完成，而许多数字电路都是自动综合和布局的。模拟电路的许多效应的建模和仿真仍然存在问题，模拟设计需要设计者利用经验和直觉来分析仿真结果。第三页，共28页。电路设计的一般概念集成电路的分析与设计往往要求在不同抽象级别上进行考虑相应的各个级别工作组成员之间的相互配合是绝对必要的第四页，共28页。第二章MOS器件物理基础2.1基本概念2.2MOS的I/V特性2.3二级效应2.4MOS器件模型第五页，共28页。基本概念？？？第六页，共28页。MOSFET的结构p型衬底n型MOS器件的简化结构多晶硅第七页，共28页。重要参数

：沟道总长度：横向扩散长度：沟道有效长度，，以后直接用L表示。和氧化层厚度对MOS电路性能起着非常重要的作用。第八页，共28页。关于衬底MOS管所有pn结必须反偏:*N-SUB接VDD！*P-SUB接VSS！这里通过欧姆区来实现*阱中MOSFET衬底常接源极S欧姆区第九页，共28页。MOS符号第十页，共28页。MOS的I/V特性阈值电压形成耗尽层形成反型层，即导电沟道刚刚形成反型层时的，就是阈值电压第十一页，共28页。是多晶硅栅和硅衬底的功函数之差的电压值单位面积的栅氧化层电容，大小与氧化层厚度有关耗尽区的电荷q是电子电荷，是衬底的掺杂浓度，是电子浓度因此，在期间制造过程中通常通过向沟道区注入杂质来调整阈值电压，其实质是改变氧化层附近的掺杂浓度第十二页，共28页。I/V特性的推导

时,源漏存在电压差，因此，沿沟道x点处的电荷密度为第十三页，共28页。对应的边界条件为,两边积分得在不同的下，的关系如图每条抛物线的极值发生在且峰值电流为宽长比过驱动电压第十四页，共28页。在关系式中，如果有,则有

的线性关系表明源漏之间的通道可以用一个线性电阻表示所以，在深三极管区工作的MOSFET,可以看做一个阻值由过驱动电压控制的电阻第十五页，共28页。刚才考虑的情况是,当时，情况又是怎么样的呢？实际上，当时，沟道存在电位梯度，使得沟道的厚度不均匀，直到时，靠近漏端的反型层消失，形成夹断，器件此时进入饱和区工作。如下图，第十六页，共28页。由式得电荷密度正比于，所以当时即夹断点随着进一步升高，的点逐渐向源极移动。此时的边界条件发生变化，第十七页，共28页。

工作在饱和区的的MOSFET，其电流受栅源过驱动电压控制，所以这里定义一个性能系数来表示电压转换电流的能力，我们要考虑电压电流的变化，因此我们把这个性能系数定义为漏电流的变化量除以栅源电压的变化量。称之为跨导，用表示，第十八页，共28页。二级效应体效应沟道长度调制效应亚阈值导电性电压限制第十九页，共28页。体效应描述：在衬底电压减小到低于源极电压的情况下，阈值电压会变大。当衬底电压等于源极电压时，有当衬底电压减小时，耗尽层变宽，就会增大，由于阈值电压是耗尽层电荷总数的函数，此时阈值电压就会增大。得其中，，称为体效应系数自此，我们知道，耗尽层的电荷总数的变化会引起阈值电压的变化，进而产生体效应，所以实际情况中，源极电压相对于衬底电压发生变化同样会引起体效应，而体效应是我们所不希望的，因为阈值电压的变化经常使模拟电路设计复杂化，器件工艺学家通过权衡和来使取得一个合理的值。第二十页，共28页。沟道长度调制效应描述：

当栅漏之间的电压差增大时，实际的反型沟道长度逐渐减小。

由式可知，是的函数,即上述的沟道长度调制效应

若定义（较小）且和之间的关系是线性的,则

是沟道长度调制系数，表示给定的增量所引起的沟道长度的相对变化量修正为第二十一页，共28页。亚阈值导电性在时，一个“弱”反型层仍存在，并有一些源漏电流，甚至当时，也并非无限小，而是与呈现指数关系。大于200mv时，是一个非理想因子，第二十二页，共28页。电压限制

如果MOSFETs的端电压差超过某一特定值，则会发生各种击穿效应。在高的栅-源电压下，栅氧将发生不可恢复的击穿，从而毁坏晶体管。在短沟道器件中，一个相当大的源-漏电压会使漏极周围的耗尽层变宽，结果耗尽层会到达源区周围，从而产生一个很大的漏电流。第二十三页，共28页。MOS器件模型

MOS器件版图MOS器件电容MOS小信号模型第二十四页，共28页。MOS器件版图第二十五页，共28页。MOS器件电容（1）栅和沟道之间的氧化层电容（2）衬底和沟道之间的耗尽层电容（3）多晶硅栅与源和漏的交叠而产生的电容和，每单位宽度的交叠电容用表示（4）源/漏区与衬底之间的结电容。一般分为两部分：与结的底部相关的下极板电容和由于结周边引起的侧壁电容第二十六页，共28页