第02章MOS器件物理基础课件

模拟CMOS集成电路设计：时

间：2009年12月10日Email:Tel:62283724模拟CMOS集成电路设计：Email:第2章MOS器件物理基础2.1基本概念2.2

I/V特性2.3二级效应2.4

MOS器件模型第2章MOS器件物理基础2.1基本概念MOS器件物理基础3工作区饱和区三级管区二级效应体效应沟道长度调制亚阈值导电性引入了简化假设更接近实际情况MOS器件物理基础3工作区饱和区三级管区二级效应体效应沟道长3NMOS管的电流公式截止区，Vgs<VTH线性区,Vgs>VTHVDS<Vgs-VTH饱和区,Vgs>VTHVDS>Vgs-VTHNMOS管的电流公式截止区，Vgs<VTH线性区,Vgs>MOS管的开启电压VTH及体效应

前提：假设晶体管的衬底和源是接地的。假如NFET的衬底电压减小到低于源电压时Vb<0，会影响器件的工作性能。MOS管的开启电压VTH及体效应前提：假设晶体管的衬底和源MOS管的开启电压VTH及体效应若Vs=Vd=0,且栅压Vg略小于Vt使得栅下形成耗尽层，但没有反型层。由于Vb<0,会使耗尽层变得更宽MOS管的开启电压VTH及体效应若Vs=Vd=0,且栅压VgMOS管的开启电压VTH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体效应：阈值电压是耗尽层电荷总数的函数，随着Vb下降，Qd增加，阈值电压也增加MOS管的开启电压VTH及体效应ΦMS：多晶硅栅与硅衬底功函MOS管的开启电压VT及体效应体效应系数，VBS＝0时，

＝0一般在0.3V0.5-0.4V0.5MOS管的开启电压VT及体效应体效应系数，VBS＝0时，＝例2.3

P21Vgs=1.2VVds=2VVTH0=0.6Vγ=0.4V0.52ФF=0.7VVX

（衬底电势）从负无穷小到0变化，画出漏电流曲线分析：(1)截止：VTH>Vgs(2)VTH<Vgs例2.3P21Vgs=1.2V分析：MOS管的开启电压VTH及体效应无体效应源极跟随器

有体效应为了保证I恒定，Vin-Vout会增大（意味着输出范围的减小）,源和衬底之间的电压会增大，导致阈值电压上升一般希望通过调整掺杂浓度和栅电容避免体效应。漏电流恒等于I1VGS=Vin-Vout恒定假设衬底接地，体效应显著，源与衬底之间的电压增大时，阈值电压增大，仍会产生体效应MOS管的开启电压VTH及体效应无体效应源极跟随器有考虑体效应衬底跨导gmb考虑体效应衬底跨导gmbMOS管体效应的Pspice仿真结果Vb=0.5vVb=0vVb=-0.5vIdVg体效应的应用：利用衬底作为MOS管的第3个输入端利用VTH减小用于低压电源电路设计MOS管体效应的Pspice仿真结果Vb=0.5vVb=0v沟道夹断（VGS－VDS≥

VTH）当V(x)接近VGS-VTH，Qd(x)接近于0，即反型层将在X≤L处终止，沟道被夹断。当沟道夹断（VGS－VDS≥VTH）当V(x)接近VGS-沟道长度调制当栅和漏之间的电压差过大时，实际的反型沟道长度逐渐减小。减小幅度和Vds相关，实际沟道长度是Vds的函数沟道长度调制当栅和漏之间的电压差过大时，实际的反型沟道长度逐MOSFET的沟道调制效应LL’沟道调制函数，表示Vds增加引起的沟道长度的相对变化量，沟道越长，其值越小饱和区MOSFET的沟道调制效应LL’沟道调制函数，表示Vds增加MOS管沟道调制效应的Pspice仿真结果VGS-VT=0.15V,W=100µ∂ID/∂VDS∝λ/L∝1/L2Ｌ=2µＬ=6µＬ=4µ沟道调制影响到D和S之间电流源的性能。若栅-源过驱动电压给定，L越长，电流源越理想MOS管沟道调制效应的Pspice仿真结果VGS-VT=0.MOS管跨导gm不同表示法比较跨导gm123上式中:MOS管跨导gm不同表示法比较跨导gm123上式中:亚阈值导电特性(ζ>1,是一个非理想因子)前面一直假设当Vgs小于阈值电压时，器件会突然关断。但实际上此时仍存在一个弱反型层，因而会有漏电流的存在。该电流与Vgs相关（指数关系），此效应称为“亚阈值导电”影响：会导致较大的功能损耗，比如内存亚阈值导电特性(ζ>1,是一个非理想因子)前面一直假设当Vg亚阈值导电特性(ζ>1,是一个非理想因子)Vgs低于阈值电压时，漏电流不会突然消失，而是逐渐减小，该范围大致为80mV亚阈值导电特性(ζ>1,是一个非理想因子)Vgs低于阈值电压MOS管亚阈值导电特性的Pspice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,常用于低功耗放大器、带隙基准设计。gm=ID/(ξVT)MOS管亚阈值导电特性的Pspice仿真结果VgSlogID20电压限制击穿效应：如果MOSFETs端电压超过某一特定值，会发生各种击穿效应，不可恢复。穿通效应：在短沟道器件中，源漏电压过大会使耗尽层变宽，耗尽层会延伸到源区周围，产生大的漏电流电压限制击穿效应：如果MOSFETs端电压超过某一特定值，会21第2章MOS器件物理基础2.1基本概念2.2

I/V特性2.3二级效应2.4

MOS器件模型第2章MOS器件物理基础2.1基本概念MOS器件版图MOS器件版图23MOS低频小信号模型大信号模型：用于信号会显著影响偏置工作点的时候，尤其是非线性效应的情况。小信号模型：工作点附近的大信号模型的近似，当信号对偏置的影响小的时候。小信号模型的建立：可以在偏置点上产生一个小的增量，并计算其所引起的其他偏置参数的增量来建立。MOS低频小信号模型大信号模型：用于信号会显著影响偏置工作MOS低频小信号模型大部分模拟电路均工作在饱和区,所以考虑建立饱和区的小信号模型基本的小信号模型：由于漏电流是栅源电压的函数，所以可以用压控电流源来近似，其大小为gmVGSMOS低频小信号模型大部分模拟电路均工作在饱和区,所以考虑MOS低频小信号模型沟道长度调制效应模型：由于沟道调制，漏电流会随着漏-源变化而变化，也可以用压控电流源来表示。该压控电流值与其两端电压成正比，所以可以等效为一个线性阻抗。连接源漏之间的电阻的大小：MOS低频小信号模型沟道长度调制效应模型：连接源漏之间的电例：求下列电路的低频小信号输出电阻(γ＝0)所以例：求下列电路的低频小信号输出电阻(γ＝0)所以MOS低频小信号模型体效应模型：由于体效应存在，它影响阈值电压，因此也会影响栅-源的过驱动电压。在所有其他端保持恒定电压的情况下，漏电流是衬底电压的函数。所以衬底相当于另一个栅。可用连接于漏源之间的电流源来模拟这一关系，电流大小gmbVBSMOS低频小信号模型体效应模型：例：求下列电路的低频小信号输出电阻(γ＝0)例：求下列电路的低频小信号输出电阻(γ＝0)例：求下列电路的低频小信号输出电阻(γ＝0)例：求下列电路的低频小信号输出电阻(γ＝0)小信号电阻总结（γ＝0）对于图（A）：对于图（B）：对于图（C）：小信号电阻总结（γ＝0）对于图（A）：对于图（B）：对于图（MOS器件电容在考虑CMOS交流特性时，需要考虑器件电容栅和沟道之间的电容衬底和沟道之间的电容多晶硅与源和漏交叠部分产生的电容源漏与衬底之间的电容（分成下极板电容和侧极板电容两部分）MOS器件电容在考虑CMOS交流特性时，需要考虑器件电容32

Ch.1#33MOS电容器的结构。MOS电容器的结构。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减小MOS器件电容的版图结构对于图a:CDB=CSB=W

Ch.1#35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,C2被沟道屏蔽MOS管饱和时:CGS=2C1/3+CovW

,CGD=CovW,CGB=0,C2被沟道屏蔽栅源、栅漏电容随VGS的变化曲线C3=C4=COVW

Ch.1#36栅极电阻栅极电阻

Ch.1#37完整的MOS小信号模型完整的MOS小信号模型NMOS器件的电容--电压特性积累区强反型NMOS器件的电容--电压特性积累区强反型例：若W/L＝50/0.5，|ID|＝500uA，分别求:NMOS、PMOS的跨导及输出阻抗以及本征增益gmr0

（tox=9e-9λn=0.1,λp=0.2,μn=350cm2/V/s,μp=100cm2/V/s）tox=50Å,Cox6.9fF/μm2(1Å=10-10

m,1fF=10-15

F)∴tox=90Å,Cox6.9*50/90=3.83fF/μm2同理可求得PMOS的参数如下：gmP

1.96mA/V，r0P

10KΩ，gmPr0P

19.6例：若W/L＝50/0.5，|ID|＝500uA，分别求:40MOS管的常见模型Level1模型：是最早的MOS管模型，也叫Shichman-Hodges模型BSIM模型：Berkeley提出的短沟道绝缘栅场效应管模型BerkeleyShort-channelIGFETModelHspice模型：包含多个MOS管模型，统一编号为Levelx参考：hspice_mosmod.pdf40MOS管的常见模型Level1模型：41SPICE集成电路分析程序与MOSFET模型HSpice中常用的几种MOSFET模型Level=1 Shichman-HodgesLevel=2 基于几何图形的分析模型

Grove-FrohmanModel(SPICE2G)Level=3 半经验短沟道模型(SPICE2G)Level=49 BSIM3V3

BSIM,3rd,Version3Level=50 PhilipsMOS941SPICE集成电路分析程序与MOSFET模型HSpice42MOSFET一级模型直流特性涉及的模型参数VTO VTO

衬底零偏置时源阈值电压KP 本征跨导参数GAMMA

体效应阈值系数PHI 2

F

强反型使的表面势垒高度LAMBDA

沟道长度调制系数UO µo/µn

表面迁移率L 沟道长度LD 沟道长度方向上横向扩散长度W 沟道宽度TOX TOX

栅氧化层厚度TPG 栅材料类型NSUB NSUB

衬底(阱)掺杂浓度NSS NSS

表面态密度.42MOSFET一级模型直流特性涉及的模型参数VTO VTOVTO,KP,GAMMA,PHI,LAMBDA是器件参数.TOX,TPG,NSUB,NSS是工艺参数.若用户仅给出了工艺参数,SPICE会计算出相应的器件参数.MOSFET一级模型直流特性涉及的模型参数IS:衬底结饱和电流(省缺值为0)JS 衬底结饱和电流密度N: 衬底PN结发射系数AS: 源区面积PS: 源区周长AD: 漏区面积PD: 漏区周长JSSW:衬底PN结侧壁单位长度的电流例如：M13670NCHW=100UL=1UMOS管名称，漏、栅、源和衬底连接的节点，节点后是器件的模型名。U表示10-6VTO,KP,GAMMA,PHI,LAMBDA是器件43441Schichman-Hodgesmodel2MOS2Grove-Frohmanmodel(SPICE2G)3MOS3empiricalmodel(SPICE2G)4Grove-Frohman:LEVEL2modelderivedfromSPICE2E.38advancedLEVE