第3章-CMOS器件模型

第3章_CMOS器件模型第一页，共61页。主要内容掌握有源器件大信号等效模型MOS管的寄生电容；低频小信号等效模型和高频小信号等效模型；了解MOS器件计算机仿真模型了解亚阈值电压区MOS模型第二页，共61页。３.１MOS管大信号模型第三页，共61页。MOS管大小信号模型关系大信号模型（直流偏置）小信号模型（交变信号）第四页，共61页。nmos管的大信号特性第五页，共61页。输出特性第六页，共61页。大信号模型的推导思路假设：１缓变沟道近似２强反型近似３只考虑漂移电流近似４迁移率为常数近似１、电流Ｉ＝Ｑd＊vd２、Ｑd＝ＷＣox（Ｖgs－Ｖ（y）－Ｖth）３、vd＝μＥ＝μ［dＶ（y）／dy］４、第七页，共61页。饱和特性第八页，共61页。大信号ＭＯＳ管的工作区域第九页，共61页。

ＮＭＯＳ管的电流方程

NMOS管在截止区、线性区、恒流区的电流方程UGS<UTHN(截止区)UDS<UGS-UTHN(线性区)UDS>UGS-UTHN(恒流区)第十页，共61页。硅常数表第十一页，共61页。０.８um工艺参数第十二页，共61页。跨导特性第十三页，共61页。例题大信号模型的应用第十四页，共61页。３.２MOS管小信号模型信号摆幅与偏置相比很小，对MOS管的直流工作点的影响可忽略；需要确定直流工作点使用小信号等效电路进行分析突出主要的设计参数对性能的影响第十五页，共61页。1低频小信号模型根据以上分析，一个衬底若不和源极短路，则存在体效应。同时考虑沟道调制效应和衬底调制效应(体效应)的低频小信号模型第十六页，共61页。MOS管交流小信号模型---低频小信号是指对偏置的影响非常小的信号。由于在很多模拟电路中，MOS管被偏置在饱和区，所以主要推导出在饱和区的小信号模型。第十七页，共61页。几个重要的参数跨导输出电阻增益最高工作频率第十八页，共61页。饱和区MOS管的跨导gm

工作在饱和区的MOS管可等效为一压控电流源，故可用跨导gm来表示MOS管的电压转变电流的能力，跨导为漏源电压一定时，漏极电流随栅源电压的变化率，即：

第十九页，共61页。饱和区MOS管的跨导栅跨导随过驱动电压以及IDS的变化第二十页，共61页。饱和区MOS管的gmb则衬底电位对漏极电流的影响可用一个电流源gmbVBS表示。在饱和区，gmb能被表示成第二十一页，共61页。饱和区MOS管的gmb而根据阈值电压与VBS之间的关系可得：

因此有：

上式中η=gmb/gm

，gmb正比于γ。

注意gmVGS与gmbVBS具有相同极性，即提高衬底电位与提高栅压具有同等的效果。第二十二页，共61页。饱和区MOS管的输出电阻输出电阻定义为：当栅源电压与衬底电压为一常数时的漏源电压与漏极电流之比一般有gm约＝１０gmb约＝１００gds第二十三页，共61页。增益AV第二十四页，共61页。MOS管的最高工作频率ftMOS管的最高工作频率定义：对栅输入电容的充放电电流和漏源交流电流值相等时所对应的工作频率。

第二十五页，共61页。MOS管的最高工作频率C表示栅极输入电容，该电容正比于WLCox

。MOS管的最高工作频率与沟道长度的平方成反比，因此，减小MOS管的沟道长度就能很显著地提高工作频率

。第二十六页，共61页。MOS管交流小信号模型---高频在高频应用时，MOS管的分布电容不能忽略第二十七页，共61页。MOS管的高频小信号电容第二十八页，共61页。栅与沟道之间的栅氧电容C2=WLCox，其中Cox为单位面积栅氧电容εox/tox；沟道耗尽层电容：

交叠电容（多晶栅覆盖源漏区所形成的电容，每单位宽度的交叠电容记为Col）：包括栅源交叠电容C1＝WdCol与栅漏交叠电容C4=WdCol：MOS管的高频小信号电容第二十九页，共61页。MOS管栅源电容－饱和区

栅漏电容大约为：WCol。漏端夹断，沟道长度缩短，从沟道电荷分布相当于CGS增大，CGD减小，栅与沟道间的电位差从源区的VGS下降到夹断点的VGS-Vth，导致了在栅氧下的沟道内的垂直电场的不一致。即

=2WLCox(VGS-VTH)/3因此有：

CGS=2WLCox/3+WCol

第三十页，共61页。需要记住的电容第三十一页，共61页。0.35um主要参数第三十二页，共61页。讨论ＭＯＳ管的设计参数有几个，对ＭＯＳ管的性能有何影响？如何提高MOS管的性能？例题:求完整的NMOS管的小信号模型第三十三页，共61页。Mos管设计考虑第三十四页，共61页。主要公式(掌握)第三十五页，共61页。主要公式(续)第三十六页，共61页。３.３计算机仿真模型ＳＰＩＣＥＬＥＶＥＬ1ＳＰＩＣＥＬＥＶＥＬ2ＳＰＩＣＥＬＥＶＥＬ3

ＢＳＩＭ３Ｖ３（深亚微米）ＬＥＶＥＬ49

BerkeleyShort-ChannelIGFETModel

第三十七页，共61页。模型参数变化第三十八页，共61页。尺寸缩小考虑因素短／窄沟道效应热载流子效应漏感应势垒降低效应载流子速度饱和效应第三十九页，共61页。MOS的Spice模型参数

目前许多数模混合计算机仿真软件的内核都是Spice。计算机仿真(模拟)的精度很大程度上取决于器件模型参数的准确性和算法的科学先进性。了解Spice模型参数的含义对于正确设计集成电路十分重要。第四十页，共61页。MOS管Spice模型参数第四十一页，共61页。第四十二页，共61页。求解过程第四十三页，共61页。

仿真示例第四十四页，共61页。仿真结果第四十五页，共61页。工艺角不同晶片不同批次不同工艺线有经过验证的器件模型典型条件四个工艺角（SF，FS，SS，FS）满足以上条件的电路才是合格的保证产品的成品率

第四十六页，共61页。３.４亚阈值电压区MOS模型

亚阈值效应又称为弱反型效应指数关系平方关系VON第四十七页，共61页。亚阈值工作区

衬底没有反型弱反型强反型第四十八页，共61页。亚阈值效应亚阈值导通，而且ID与VGS呈指数关系：其中ｎ>1是一非理想的因子；ID0为特征电流：，m为工艺因子，因此ID0与工艺有关；而VT称为热电压：

第四十九页，共61页。亚阈值效应第五十页，共61页。MOS管亚阈值效应第五十一页，共61页。亚阈值效应的应用模拟电路的低压低功耗

数字电路的泄漏电流第五十二页，共61页。ＣＭＯＳ器件性能参数计算目的通过计算机仿真得到ＣＭＯＳ器件模型参数参数抽取过程：1.) Extractthesquare-lawmodelparametersforatransistorwithlengthatleast10timesLmin.2.) UsingthevaluesofK’,VT

,,andextractthemodelparametersforthemodel

第五十三页，共61页。简单MOS管的特性饱和区:假设其中第五十四页，共61页。模型参数的抽取过程假设第五十五页，共61页。关系曲线第五十六页，共61页。K’和VT的计算

先检查数据的线性度第五十七页，共6