有源電阻無源器件

1、MOS器件物理器件物理MOS管交流小信號(hào)模型管交流小信號(hào)模型 MOS管低頻小信號(hào)模型管低頻小信號(hào)模型 小信號(hào)是指對(duì)偏置的影響非常小的信號(hào)。小信號(hào)是指對(duì)偏置的影響非常小的信號(hào)。 由于在很多模擬電路中，由于在很多模擬電路中，MOS管被偏置在飽和管被偏置在飽和區(qū)，所以主要推導(dǎo)出在飽和區(qū)的小信號(hào)模型。區(qū)，所以主要推導(dǎo)出在飽和區(qū)的小信號(hào)模型。 在飽和區(qū)時(shí)在飽和區(qū)時(shí)MOS管的漏極電流是柵源電壓的函管的漏極電流是柵源電壓的函數(shù)，即為一個(gè)壓控電流源，電流值為數(shù)，即為一個(gè)壓控電流源，電流值為gmVGS，且由于柵源之間的低頻阻抗很高，因此可得到且由于柵源之間的低頻阻抗很高，因此可得到一個(gè)理想的一個(gè)理想的MOS管的

2、小信號(hào)模型，如圖所示。管的小信號(hào)模型，如圖所示。MOS管交流小信號(hào)模型管交流小信號(hào)模型其中（其中（a）為理想的小信號(hào)模型。）為理想的小信號(hào)模型。實(shí)際的模擬集成電路中實(shí)際的模擬集成電路中MOS管存在著二階效應(yīng)，而由于溝道調(diào)制效應(yīng)等管存在著二階效應(yīng)，而由于溝道調(diào)制效應(yīng)等效于漏源之間的電阻效于漏源之間的電阻ro；而襯底偏置效應(yīng)則體現(xiàn)為背柵效應(yīng)，即可用漏源；而襯底偏置效應(yīng)則體現(xiàn)為背柵效應(yīng)，即可用漏源之間的等效壓控電流源之間的等效壓控電流源gmbVBS表示，因此表示，因此MOS管在飽和時(shí)的小信號(hào)等效管在飽和時(shí)的小信號(hào)等效模型如圖模型如圖 (b)所示。所示。上圖所示的等效電路是最基本的，根據(jù)上圖所示的等效

3、電路是最基本的，根據(jù)MOS管在電路中不同的接法可以管在電路中不同的接法可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化。進(jìn)一步簡(jiǎn)化。 (a) (b)MOS管交流小信號(hào)模型管交流小信號(hào)模型MOS管高頻小信號(hào)等效電路管高頻小信號(hào)等效電路 在高頻應(yīng)用時(shí)，在高頻應(yīng)用時(shí)，MOS管的分布電容就不能忽管的分布電容就不能忽略。即在考慮高頻交流小信號(hào)工作時(shí)必須考略。即在考慮高頻交流小信號(hào)工作時(shí)必須考慮慮MOS管的分布電容對(duì)電路性的影響，管的分布電容對(duì)電路性的影響， 所以所以MOS管的高頻小信號(hào)等效電路可以在其管的高頻小信號(hào)等效電路可以在其低頻小信號(hào)等效電路的基礎(chǔ)上加入低頻小信號(hào)等效電路的基礎(chǔ)上加入MOS管的管的級(jí)間電容實(shí)現(xiàn)，如圖所示。級(jí)間電容實(shí)

4、現(xiàn)，如圖所示。MOS管交流小信號(hào)模型管交流小信號(hào)模型不同工作狀態(tài)（截止、飽和、線性）時(shí)不同工作狀態(tài)（截止、飽和、線性）時(shí)MOS管的分布電容值不同，管的分布電容值不同，因此若進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算比較困難，但可以通過軟件模擬進(jìn)行分析。因此若進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算比較困難，但可以通過軟件模擬進(jìn)行分析。另外，在高頻電路中必須注意其工作頻率受另外，在高頻電路中必須注意其工作頻率受MOS管的最高工作頻率管的最高工作頻率的限制（即電路的工作頻率如高于的限制（即電路的工作頻率如高于MOS管的最高工作頻率時(shí)，電路管的最高工作頻率時(shí)，電路不能正常工作）。不能正常工作）。有源電阻有源電阻 MOS管的適當(dāng)連接使其工作在一定狀態(tài)（飽

5、和區(qū)或是線性管的適當(dāng)連接使其工作在一定狀態(tài)（飽和區(qū)或是線性區(qū)），利用其直流電阻與交流電阻可以作為電路中的電阻元區(qū)），利用其直流電阻與交流電阻可以作為電路中的電阻元件使用。件使用。 MOS二極管作電阻二極管作電阻 MOS二極管是指把二極管是指把MOS晶體管的柵極與漏極相互短接構(gòu)晶體管的柵極與漏極相互短接構(gòu)成二端器件，如圖所示。成二端器件，如圖所示。 有源電阻有源電阻 由上圖可知，由上圖可知，MOS二極管的柵極與漏極具有同的電二極管的柵極與漏極具有同的電位，位，MOS管總是工作在飽和區(qū)，根據(jù)飽和薩氏方程管總是工作在飽和區(qū)，根據(jù)飽和薩氏方程可知其轉(zhuǎn)移特性曲線（漏極電流柵源電壓間的關(guān)可知其轉(zhuǎn)移特性曲線

6、（漏極電流柵源電壓間的關(guān)系曲線）如下圖所示。系曲線）如下圖所示。NMOSPMOS有源電阻有源電阻(1) 直流電阻直流電阻 此時(shí)此時(shí)NMOS管的直流電阻為：管的直流電阻為： PMOS管的直流電阻為：管的直流電阻為： 由以上兩式可以發(fā)現(xiàn)：由以上兩式可以發(fā)現(xiàn)：MOS二極管的直流電阻與二極管的直流電阻與器件的尺寸相關(guān)，并且還取決于器件的尺寸相關(guān)，并且還取決于VGS的值。的值。 2)(thnGSNGSDGSDDSonVVKVIVIVR2)(thpGSPGSDGSDDSonVVKVIVIVR有源電阻有源電阻（二）交流電阻（二）交流電阻 交流電阻可以視為交流電阻可以視為MOS管的輸出特性曲線在管的輸出特性曲

7、線在VDSVGS時(shí)的斜率，對(duì)于理想的情況，即忽時(shí)的斜率，對(duì)于理想的情況，即忽略溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)，其值為無窮大。略溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)，其值為無窮大。 考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)，交流電阻是一有限值，考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)，交流電阻是一有限值，但遠(yuǎn)大于在該工作點(diǎn)上的直流電阻，且其值但遠(yuǎn)大于在該工作點(diǎn)上的直流電阻，且其值基本恒定?；竞愣āＳ性措娮栌性措娮?）忽略襯底偏置效應(yīng)）忽略襯底偏置效應(yīng) 首先根據(jù)飽和薩氏方程，可得到其電壓與電首先根據(jù)飽和薩氏方程，可得到其電壓與電流特性：流特性： 則有：則有： 上式說明當(dāng)流過三極管的電流確定后，上式說明當(dāng)流過三極管的電流確定后，MOS管的二端壓降僅與幾何尺寸有關(guān)管的二端壓降僅與

8、幾何尺寸有關(guān) 。2)(thGSNDVVKINIthDSGSKVVVVD有源電阻有源電阻 再根據(jù)再根據(jù)MOS二極管的低頻小信號(hào)模型，有：二極管的低頻小信號(hào)模型，有：V1V和和IV/rogmV。所以小信號(hào)工作時(shí)。所以小信號(hào)工作時(shí)MOS二極管可近似二極管可近似為一個(gè)兩端電阻，其值為：為一個(gè)兩端電阻，其值為： 由上式可以看出：由上式可以看出： 二極管連接的二極管連接的MOS管的交流電阻等于其跨導(dǎo)的倒數(shù)，管的交流電阻等于其跨導(dǎo)的倒數(shù)，且為一非線性電阻。且為一非線性電阻。 但由于在模擬電路中一般交流信號(hào)幅度較小，因此，但由于在模擬電路中一般交流信號(hào)幅度較小，因此，在直流工作點(diǎn)確定后，可以認(rèn)為其值為一恒定值

9、。在直流工作點(diǎn)確定后，可以認(rèn)為其值為一恒定值。 momgrgIV1)1 (/有源電阻有源電阻2）考慮襯底偏置效應(yīng)）考慮襯底偏置效應(yīng) 如果考慮體效應(yīng)，如下圖（如果考慮體效應(yīng)，如下圖（a）所示，由于襯）所示，由于襯底接地電位，則有：底接地電位，則有：V1V，VbsV，其，其等效電路如下圖（等效電路如下圖（b）所示。）所示。（a) (b)有源電阻有源電阻 根據(jù)根據(jù)KCL定理，由上圖（定理，由上圖（b）可以得到：）可以得到： 所以此時(shí)的等效電阻為：所以此時(shí)的等效電阻為： 上式即為考慮了襯底偏置效應(yīng)與溝道調(diào)制效應(yīng)的小上式即為考慮了襯底偏置效應(yīng)與溝道調(diào)制效應(yīng)的小信號(hào)電阻，由上式可知：在考慮襯底效應(yīng)后，從信

10、號(hào)電阻，由上式可知：在考慮襯底效應(yīng)后，從M1的源端看其阻抗降低了。的源端看其阻抗降低了。 )(IrVVggombmmbmombmombmggrggrggIV1111有源電阻有源電阻2MOS管的柵極接固定偏置管的柵極接固定偏置 根據(jù)根據(jù)MOS管的柵極所接的固定偏置的大小管的柵極所接的固定偏置的大小不同，不同，MOS管可工作于飽和區(qū)與三極管區(qū)。管可工作于飽和區(qū)與三極管區(qū)。 在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)輸出端不同，又可分在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)輸出端不同，又可分為漏輸出與源輸出兩類工作方式。為漏輸出與源輸出兩類工作方式。 有源電阻有源電阻1）漏輸出，源極交流接地）漏輸出，源極交流接地VGS是固定的，當(dāng)是固定的，當(dāng)M

11、OS管的漏源電壓大于柵極的過管的漏源電壓大于柵極的過驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，MOS管工作于飽和區(qū)，忽略溝道調(diào)制管工作于飽和區(qū)，忽略溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)，其阻值為無窮大，但實(shí)際阻值應(yīng)考慮溝道效應(yīng)時(shí)，其阻值為無窮大，但實(shí)際阻值應(yīng)考慮溝道調(diào)制效應(yīng)，可用飽和薩氏方程求出：調(diào)制效應(yīng)，可用飽和薩氏方程求出： 而當(dāng)漏源電壓小于柵極過驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，而當(dāng)漏源電壓小于柵極過驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，MOS管工作管工作于三極管區(qū)，此時(shí)的等效輸出電阻為：于三極管區(qū)，此時(shí)的等效輸出電阻為：DoIr1)(21thGSNoVVKr有源電阻有源電阻2）源輸出，漏極交流接地）源輸出，漏極交流接地此時(shí)柵源電壓隨輸出電壓變化，當(dāng)此時(shí)柵源電壓隨輸出電壓變

12、化，當(dāng)MOS管工作于飽管工作于飽和區(qū)時(shí)，其輸出電阻為和區(qū)時(shí)，其輸出電阻為1/gm；而當(dāng)；而當(dāng)MOS管工作于三管工作于三極管區(qū)時(shí)，其輸出電阻值為：極管區(qū)時(shí)，其輸出電阻值為： 式中的式中的gm為器件跨導(dǎo)，而為器件跨導(dǎo)，而gd則為器件導(dǎo)納。且有：則為器件導(dǎo)納。且有： 所以此時(shí)的輸出電阻值較小。所以此時(shí)的輸出電阻值較小。dmoggr1DSNmVKg2DSNthGSNdIKVVKg2)(2有源電阻有源電阻 總之，當(dāng)總之，當(dāng)MOS管在電路中作有源電阻時(shí)，管在電路中作有源電阻時(shí)，一般柵接固定電位（接漏是一種特例），一般柵接固定電位（接漏是一種特例），這時(shí)根據(jù)柵電壓大小來判定這時(shí)根據(jù)柵電壓大小來判定MOS管的

13、工作管的工作區(qū)域（飽和區(qū)與三極管區(qū)），另外，輸出區(qū)域（飽和區(qū)與三極管區(qū)），另外，輸出的端口是源端或是漏端，其呈現(xiàn)的阻抗也的端口是源端或是漏端，其呈現(xiàn)的阻抗也不同。不同。 無源器件無源器件在模擬集成電路中的無源器件主要是指電阻、在模擬集成電路中的無源器件主要是指電阻、電容等，精密的電阻、電容是電容等，精密的電阻、電容是MOS模擬電路設(shè)計(jì)模擬電路設(shè)計(jì)所要求的主要基本元件，電阻或電容在電路應(yīng)用所要求的主要基本元件，電阻或電容在電路應(yīng)用中最關(guān)鍵的是要提供精確的元件值，但在大多數(shù)中最關(guān)鍵的是要提供精確的元件值，但在大多數(shù)情況下，電阻或電容的絕對(duì)值不如它們的比值那情況下，電阻或電容的絕對(duì)值不如它們的比值那

14、么重要。么重要。 無源器件無源器件電阻電阻 電阻是模擬電路的最基本的元件，在集成電路中電阻是模擬電路的最基本的元件，在集成電路中有多種設(shè)計(jì)和制造方法，并有無源電阻與有源電有多種設(shè)計(jì)和制造方法，并有無源電阻與有源電阻之分。電阻的大小一般以方塊數(shù)來表示，電阻阻之分。電阻的大小一般以方塊數(shù)來表示，電阻的絕對(duì)值為：的絕對(duì)值為： 式中式中R為單位方塊電阻值，為單位方塊電阻值，L和和W分別是指電阻分別是指電阻的長(zhǎng)度與寬度。的長(zhǎng)度與寬度。 WLRR口無源器件無源器件 若假定這些參數(shù)是統(tǒng)計(jì)無關(guān)的，則電阻值的偏差可表示為：若假定這些參數(shù)是統(tǒng)計(jì)無關(guān)的，則電阻值的偏差可表示為： 在大多數(shù)情況下，由于在大多數(shù)情況下，

15、由于LL L，所以上式可簡(jiǎn)化成：，所以上式可簡(jiǎn)化成： 通常對(duì)于上式中第一項(xiàng)偏差，離子注入電阻比擴(kuò)散電阻要小，通常對(duì)于上式中第一項(xiàng)偏差，離子注入電阻比擴(kuò)散電阻要小，襯底硅電阻比多晶硅電阻要?。ǘ嗑Ч璨牧暇Я＝Y(jié)構(gòu)變化增襯底硅電阻比多晶硅電阻要小（多晶硅材料晶粒結(jié)構(gòu)變化增加所致）；第二項(xiàng)偏差，隨著光刻技術(shù)特別是干法刻蝕即等加所致）；第二項(xiàng)偏差，隨著光刻技術(shù)特別是干法刻蝕即等離子刻蝕技術(shù)的出現(xiàn)，該項(xiàng)偏差大大減小。離子刻蝕技術(shù)的出現(xiàn)，該項(xiàng)偏差大大減小。 222)()()()(WWLLRRS口口RD22)()()(WWRRS口口RD無源器件無源器件 在某些設(shè)計(jì)中，要求精確的電阻比值，對(duì)在某些設(shè)計(jì)中，要求精

16、確的電阻比值，對(duì)稱叉指式設(shè)計(jì)布局用來補(bǔ)償薄層電阻與條稱叉指式設(shè)計(jì)布局用來補(bǔ)償薄層電阻與條寬范圍的梯度變化。寬范圍的梯度變化。 在電阻設(shè)計(jì)時(shí)還需注意相對(duì)于襯底的寄生在電阻設(shè)計(jì)時(shí)還需注意相對(duì)于襯底的寄生電容可能把一些高頻噪聲通過電阻疊加在電容可能把一些高頻噪聲通過電阻疊加在有用信號(hào)上，所以在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)一些特殊電有用信號(hào)上，所以在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)一些特殊電阻必須加電屏蔽（如阱接地，采用多晶電阻必須加電屏蔽（如阱接地，采用多晶電阻或雙多晶結(jié)構(gòu)）。阻或雙多晶結(jié)構(gòu)）。 無源器件源無源器件源/漏擴(kuò)散電阻漏擴(kuò)散電阻 金屬柵與硅柵技術(shù)的金屬柵與硅柵技術(shù)的NMOS和和CMOS工藝，與漏源區(qū)同時(shí)制成。工藝，與漏源區(qū)同時(shí)制成。

17、 方塊電阻值為方塊電阻值為R20100，在需要較大電阻時(shí)，需要很多方在需要較大電阻時(shí)，需要很多方塊，占用很大面積，所以一般不用擴(kuò)散電阻制作大阻值的電阻。塊，占用很大面積，所以一般不用擴(kuò)散電阻制作大阻值的電阻。 精度為精度為20%，溫度系數(shù)為，溫度系數(shù)為5001500ppm/，電壓系數(shù)為，電壓系數(shù)為100500ppm/V，所以不能用作精密電阻。，所以不能用作精密電阻。 存在大的寄生電容（存在大的寄生電容（n+-p結(jié)電容），并且由于存在淺結(jié)，所以會(huì)結(jié)電容），并且由于存在淺結(jié)，所以會(huì)產(chǎn)生壓電電阻，從而引入誤差。產(chǎn)生壓電電阻，從而引入誤差。 無源器件無源器件 P阱（阱（N阱）擴(kuò)散電阻（阱電阻或溝道電阻

18、）阱）擴(kuò)散電阻（阱電阻或溝道電阻） CMOS金屬柵和硅柵工藝。金屬柵和硅柵工藝。 R10005000，并且其薄層電阻值更高。，并且其薄層電阻值更高。 由于阱的擴(kuò)散深度及其引起的橫向擴(kuò)散約有由于阱的擴(kuò)散深度及其引起的橫向擴(kuò)散約有5至至10微米，使電阻微米，使電阻條不可能做得很窄。且電阻條之間還需要設(shè)計(jì)出溝道截止環(huán)，以條不可能做得很窄。且電阻條之間還需要設(shè)計(jì)出溝道截止環(huán)，以消除電阻間的表面反型層漏電流，因此在制作大電阻時(shí)，其面積消除電阻間的表面反型層漏電流，因此在制作大電阻時(shí)，其面積也較大。也較大。 具有大的電壓系數(shù)，且其電阻精度為具有大的電壓系數(shù)，且其電阻精度為40%。無源器件注入電阻無源器件注

19、入電阻NMOS和和CMOS金屬柵與硅柵工藝?？梢耘c耗盡層注入相結(jié)合。金屬柵與硅柵工藝?？梢耘c耗盡層注入相結(jié)合。方塊電阻方塊電阻R5001000（最大為（最大為1M），可以制作較大電阻而不用占很大），可以制作較大電阻而不用占很大面積。面積。電阻阻值易于控制，但需要一次額外的掩膜。電阻阻值易于控制，但需要一次額外的掩膜。但離子注入與襯底間所形成的但離子注入與襯底間所形成的p-n結(jié)存在不同的反偏時(shí)，耗盡層寬度不同，因結(jié)存在不同的反偏時(shí)，耗盡層寬度不同，因此導(dǎo)電層內(nèi)的載流子流量會(huì)發(fā)生變化，所以電阻的線性度不理想，電壓系數(shù)此導(dǎo)電層內(nèi)的載流子流量會(huì)發(fā)生變化，所以電阻的線性度不理想，電壓系數(shù)高，并且由于氧化

20、層表面電荷的影響，導(dǎo)電層表面的載流子濃度也不穩(wěn)定，高，并且由于氧化層表面電荷的影響，導(dǎo)電層表面的載流子濃度也不穩(wěn)定，因此大電阻的精度受一定的限制。這類電阻具有小的溫度系數(shù)，但很難消除因此大電阻的精度受一定的限制。這類電阻具有小的溫度系數(shù)，但很難消除壓電電阻效應(yīng)。壓電電阻效應(yīng)。 無源器件多晶電阻無源器件多晶電阻NMOS與與CMOS硅柵工藝，與源硅柵工藝，與源/漏同時(shí)擴(kuò)散。漏同時(shí)擴(kuò)散。方塊電阻為方塊電阻為R30200。制作大電阻時(shí)，可另外再加上一次光刻，用離子。制作大電阻時(shí)，可另外再加上一次光刻，用離子注入較小劑量來實(shí)現(xiàn)，其阻值可達(dá)注入較小劑量來實(shí)現(xiàn)，其阻值可達(dá)10千歐千歐/方塊。但多晶硅電阻的薄

21、層電阻大方塊。但多晶硅電阻的薄層電阻大小，除與離子注入劑量有關(guān)外，還與多晶硅的厚度，多晶硅的淀積質(zhì)量等有小，除與離子注入劑量有關(guān)外，還與多晶硅的厚度，多晶硅的淀積質(zhì)量等有關(guān)，因此難以用來制作精密電阻。關(guān)，因此難以用來制作精密電阻。溫度系數(shù)為溫度系數(shù)為5001500ppm/，電阻誤差較大。，電阻誤差較大。但可以通過激光與多晶絲來調(diào)節(jié)電阻值，且由于多晶硅下面有厚的氧化層與但可以通過激光與多晶絲來調(diào)節(jié)電阻值，且由于多晶硅下面有厚的氧化層與電路隔離，其寄生電容大大減小。電路隔離，其寄生電容大大減小。無源器件薄膜電阻無源器件薄膜電阻 NMOS和和CMOS的金屬柵與硅柵工藝，需要額外的的金屬柵與硅柵工藝，

22、需要額外的工藝步驟，通過濺射方法把工藝步驟，通過濺射方法把Ni-Cr、Cr-Si或鉬按一定或鉬按一定比例成分淀積在硅片的絕緣層上實(shí)現(xiàn)。比例成分淀積在硅片的絕緣層上實(shí)現(xiàn)。 方塊電阻值可由所用材料的性質(zhì)比例成分和淀積層方塊電阻值可由所用材料的性質(zhì)比例成分和淀積層厚度決定，一般情況下，薄膜厚度為幾百至幾千埃，厚度決定，一般情況下，薄膜厚度為幾百至幾千埃，方塊電阻：方塊電阻：Ni-Cr為幾百歐為幾百歐/方，方，Cr-Si為幾百至幾千為幾百至幾千歐歐/方。方。 薄膜電阻的線性度最好，電壓系數(shù)很小，溫度系數(shù)薄膜電阻的線性度最好，電壓系數(shù)很小，溫度系數(shù)也?。s也小（約100ppm/），與），與MOS的其它工

23、藝條件無的其它工藝條件無關(guān)。并且可以用激光修正、氧化、退火等提高電阻關(guān)。并且可以用激光修正、氧化、退火等提高電阻的精度。的精度。無源器件電容無源器件電容 在在MOS模擬集成電路中，電容也是一個(gè)不可或缺的元模擬集成電路中，電容也是一個(gè)不可或缺的元件，由于其易于與件，由于其易于與MOS器件相匹配，且制造較易，匹器件相匹配，且制造較易，匹配精度比電阻好，所以得到了較廣泛的應(yīng)用。配精度比電阻好，所以得到了較廣泛的應(yīng)用。 多數(shù)都用多數(shù)都用SiO2作為介質(zhì)，但也有采用作為介質(zhì)，但也有采用SiO2/Si3N4夾層作夾層作為介質(zhì)，主要是利用為介質(zhì)，主要是利用Si3N4較高的介電常數(shù)特性來制作較高的介電常數(shù)特性

24、來制作較大的電容。較大的電容。 由于沉積氧化層厚度有較大的偏差，因此沉積氧化物通由于沉積氧化層厚度有較大的偏差，因此沉積氧化物通常不適用于制作精密電容器。常不適用于制作精密電容器。 在理想情況下，其電容值可用下式進(jìn)行計(jì)算：在理想情況下，其電容值可用下式進(jìn)行計(jì)算： oxoxoxoxtWLtSC無源器件電容無源器件電容 標(biāo)準(zhǔn)偏差為：標(biāo)準(zhǔn)偏差為： 通常選擇通常選擇WL（提高電容的（提高電容的Q值），則上式中后二項(xiàng)值），則上式中后二項(xiàng)的誤差取決于光刻誤差，通常稱之為邊緣誤差；而上式的誤差取決于光刻誤差，通常稱之為邊緣誤差；而上式中前兩項(xiàng)的誤差為氧化層效應(yīng)誤差。中前兩項(xiàng)的誤差為氧化層效應(yīng)誤差。 在小電容

25、時(shí)，起主導(dǎo)作用的是邊緣效應(yīng)誤差，而大電容在小電容時(shí)，起主導(dǎo)作用的是邊緣效應(yīng)誤差，而大電容時(shí)主要取決于氧化層誤差。時(shí)主要取決于氧化層誤差。 電容器的比例精度主要取決于它們的面積比（特別是小電容器的比例精度主要取決于它們的面積比（特別是小電容）電容） 2222)()()()()(WWLLttSoxoxoxoxCD無源器件電容無源器件電容PN結(jié)電容結(jié)電容 直接利用直接利用PN結(jié)構(gòu)成的電容，這類電容具有大的電壓系數(shù)和非線結(jié)構(gòu)成的電容，這類電容具有大的電壓系數(shù)和非線性，因此并不常用。性，因此并不常用。MOS電容電容 只適用于只適用于NMOS與與CMOS金屬柵工藝，如圖所示金屬柵工藝，如圖所示 溫度系數(shù)為

26、溫度系數(shù)為25ppm/，電容誤差為，電容誤差為15%。 這是一種與電壓相關(guān)的電容，電壓系數(shù)為這是一種與電壓相關(guān)的電容，電壓系數(shù)為25ppm/V。無源器件電容無源器件電容多晶與體硅之間的電容（多晶與體硅之間的電容（PIS） NMOS與與CMOS多晶硅柵（金屬柵）工藝實(shí)現(xiàn)，需要額外一次離多晶硅柵（金屬柵）工藝實(shí)現(xiàn)，需要額外一次離子注入來形成底板的子注入來形成底板的n+重?fù)诫s區(qū)，以多晶硅為上極板，二氧化硅重?fù)诫s區(qū)，以多晶硅為上極板，二氧化硅為介質(zhì)，為介質(zhì)，n+為下極板構(gòu)成電容。為下極板構(gòu)成電容。 襯底必須接一個(gè)固定電位，此時(shí)多晶與體硅間的電容可認(rèn)為是一襯底必須接一個(gè)固定電位，此時(shí)多晶與體硅間的電容可

27、認(rèn)為是一無極性的電容，但存在底板無極性的電容，但存在底板pn結(jié)寄生電容結(jié)寄生電容（15%30%）。 電壓系數(shù)電壓系數(shù)-10ppm/V，溫度系數(shù)，溫度系數(shù)2050ppm/，誤差，誤差15%。 另外，這類電容可以通過多晶條的激光修正來調(diào)節(jié)電容值。另外，這類電容可以通過多晶條的激光修正來調(diào)節(jié)電容值。無源器件電容無源器件電容雙多晶電容（雙多晶電容（PIP） 由由NMOS與與CMOS雙多晶工藝實(shí)現(xiàn)，其上下極板都為多晶，介質(zhì)雙多晶工藝實(shí)現(xiàn)，其上下極板都為多晶，介質(zhì)為薄氧化層。介質(zhì)氧化層一般與柵氧同時(shí)形成。為薄氧化層。介質(zhì)氧化層一般與柵氧同時(shí)形成。 電壓系數(shù)為電壓系數(shù)為100ppm/V，溫度系數(shù)，溫度系數(shù)1

28、00ppm/。多晶。多晶2的面積可的面積可以小于薄氧化層面積，從而只有較小的寄生電容（厚氧電容）。以小于薄氧化層面積，從而只有較小的寄生電容（厚氧電容）。 由于雙層多晶硅電容具有性能穩(wěn)定、寄生電容小等優(yōu)點(diǎn)，因此在由于雙層多晶硅電容具有性能穩(wěn)定、寄生電容小等優(yōu)點(diǎn)，因此在MOS集成電路中有廣泛應(yīng)用。集成電路中有廣泛應(yīng)用。無源器件電容無源器件電容MOS器件作電容器件作電容 由于由于MOS管中存在著明顯的電容結(jié)構(gòu)，因此可管中存在著明顯的電容結(jié)構(gòu)，因此可以用以用MOS器件制作成一個(gè)電容使用。器件制作成一個(gè)電容使用。 如果一個(gè)如果一個(gè)NMOS管的源、漏、襯底都接地而柵電管的源、漏、襯底都接地而柵電壓接正電

29、壓，當(dāng)壓接正電壓，當(dāng)VG上升并達(dá)到上升并達(dá)到Vth時(shí)在多晶硅下時(shí)在多晶硅下的襯底表面將開始出現(xiàn)一反型層。在這種條件下的襯底表面將開始出現(xiàn)一反型層。在這種條件下NMOS可看成一個(gè)二端器件，并且不同的柵壓會(huì)可看成一個(gè)二端器件，并且不同的柵壓會(huì)產(chǎn)生厚度不一樣的反型層，從而有不同的電容值。產(chǎn)生厚度不一樣的反型層，從而有不同的電容值。 無源器件電容無源器件電容1、耗盡型區(qū)：、耗盡型區(qū)： 柵壓為一很負(fù)的值，柵上的負(fù)電壓就會(huì)把襯底中的空穴吸引柵壓為一很負(fù)的值，柵上的負(fù)電壓就會(huì)把襯底中的空穴吸引到氧化層表面，即構(gòu)成了積累區(qū)，此時(shí)，由于只有積累區(qū)出到氧化層表面，即構(gòu)成了積累區(qū)，此時(shí)，由于只有積累區(qū)出現(xiàn)，而無反型

30、層，且積累層的厚度很厚，因此積累層的電容現(xiàn)，而無反型層，且積累層的厚度很厚，因此積累層的電容可以忽略。此時(shí)的可以忽略。此時(shí)的NMOS管可以看成一個(gè)單位面積電容為管可以看成一個(gè)單位面積電容為Cox的電容，其中間介質(zhì)則為柵氧。的電容，其中間介質(zhì)則為柵氧。 當(dāng)當(dāng)VGS上升時(shí)，襯底表面的空穴濃度下降，積累層厚度減小，上升時(shí)，襯底表面的空穴濃度下降，積累層厚度減小，則積累層電容增大，該電容與柵氧電容相串后使總電容減小，則積累層電容增大，該電容與柵氧電容相串后使總電容減小，直至直至VGS趨于趨于0，積累層消失，當(dāng)，積累層消失，當(dāng)VGS略大于略大于0時(shí)，在柵氧下時(shí)，在柵氧下產(chǎn)生了耗盡層，總電容最小。產(chǎn)生了耗

31、盡層，總電容最小。 無源器件電容無源器件電容2、弱反型區(qū)、弱反型區(qū) VGS繼續(xù)上升，則在柵氧下面就產(chǎn)生耗盡層，并開始出現(xiàn)反型層，繼續(xù)上升，則在柵氧下面就產(chǎn)生耗盡層，并開始出現(xiàn)反型層，該器件進(jìn)入了弱反型區(qū)，在這種模式下，其電容由該器件進(jìn)入了弱反型區(qū)，在這種模式下，其電容由Cox與與Cb串聯(lián)串聯(lián)而成，并隨而成，并隨VGS的增大，其電容量逐步增大。的增大，其電容量逐步增大。3、強(qiáng)反型區(qū)、強(qiáng)反型區(qū) 當(dāng)當(dāng)VGS超過超過Vth時(shí)，其二氧化硅表面則保持為一溝道，且其單位電時(shí)，其二氧化硅表面則保持為一溝道，且其單位電容又為容又為Cox。無源器件電容無源器件電容金屬與多晶電容（金屬與多晶電容（MIP）通過通過N

32、MOS與與CMOS硅柵工藝實(shí)現(xiàn)，在蒸鋁之前用光刻的方法刻去多晶硅硅柵工藝實(shí)現(xiàn)，在蒸鋁之前用光刻的方法刻去多晶硅上的厚氧化層，然后在制作柵氧化層時(shí)在多晶硅上熱生長(zhǎng)一薄氧化層，最上的厚氧化層，然后在制作柵氧化層時(shí)在多晶硅上熱生長(zhǎng)一薄氧化層，最后蒸鋁，從而得到了鋁氧化層多晶硅電容。這種電容通常位于場(chǎng)區(qū)。后蒸鋁，從而得到了鋁氧化層多晶硅電容。這種電容通常位于場(chǎng)區(qū)。當(dāng)然也可以用多晶硅作為電容的上極板，而金屬作為其下極板，介質(zhì)為氧當(dāng)然也可以用多晶硅作為電容的上極板，而金屬作為其下極板，介質(zhì)為氧化層構(gòu)成電容。化層構(gòu)成電容。無源器件電容無源器件電容MIP電容的特點(diǎn)：電容的特點(diǎn)： 可以對(duì)多晶條進(jìn)行修正以獲得較精

33、確的電容值?？梢詫?duì)多晶條進(jìn)行修正以獲得較精確的電容值。 由于介質(zhì)變化與張馳使得在由于介質(zhì)變化與張馳使得在QV中的滯后，所以中的滯后，所以CVD氧化層不適用于作為電容介質(zhì)。氧化層不適用于作為電容介質(zhì)。 在多晶硅與襯底之間存在寄生電容，由于其介質(zhì)為厚在多晶硅與襯底之間存在寄生電容，由于其介質(zhì)為厚的場(chǎng)氧化層，因此該寄生電容很小，通常為所需電容的場(chǎng)氧化層，因此該寄生電容很小，通常為所需電容的十分之一；而從可靠性考慮，其金屬層必須大于介的十分之一；而從可靠性考慮，其金屬層必須大于介質(zhì)氧化層，所以金屬層與襯底間存在寄生電容，但其質(zhì)氧化層，所以金屬層與襯底間存在寄生電容，但其值則更小，只為所需電容的百分之一

34、左右。值則更小，只為所需電容的百分之一左右。 電壓系數(shù)為電壓系數(shù)為100ppm/V，溫度系數(shù)為：，溫度系數(shù)為：100ppm/。無源器件電容無源器件電容多晶與場(chǎng)注入?yún)^(qū)的電容多晶與場(chǎng)注入?yún)^(qū)的電容 只能在帶場(chǎng)注入的只能在帶場(chǎng)注入的NMOS與與CMOS硅柵工藝中采用，硅柵工藝中采用，由于該電容的介質(zhì)為厚的場(chǎng)氧，所以單位面積的氧化由于該電容的介質(zhì)為厚的場(chǎng)氧，所以單位面積的氧化層電容較小。層電容較小。 在應(yīng)用這類電容時(shí)，電容的底板必須與襯底相連。在應(yīng)用這類電容時(shí)，電容的底板必須與襯底相連。MIM電容電容 這是最近出現(xiàn)的一種電容結(jié)構(gòu)。這是最近出現(xiàn)的一種電容結(jié)構(gòu)。 其中的介質(zhì)層是專門形成的，而不是單純的場(chǎng)氧。

35、其中的介質(zhì)層是專門形成的，而不是單純的場(chǎng)氧。短溝道效應(yīng)短溝道效應(yīng) 隨著半導(dǎo)體工藝水平的發(fā)展以及在實(shí)際應(yīng)用中所隨著半導(dǎo)體工藝水平的發(fā)展以及在實(shí)際應(yīng)用中所要求的高速、低功耗以及小的版圖面積等，要求的高速、低功耗以及小的版圖面積等，MOS器件尺寸的不斷縮小，在當(dāng)前的器件尺寸的不斷縮小，在當(dāng)前的0.13um的的CMOS工藝，最小溝道長(zhǎng)度已經(jīng)低于工藝，最小溝道長(zhǎng)度已經(jīng)低于0.15m，由此會(huì)引，由此會(huì)引入一系列高階效應(yīng)。入一系列高階效應(yīng)。 此時(shí)，就不能完全用一階薩氏方程來描述此時(shí)，就不能完全用一階薩氏方程來描述MOS器器件的特性，必須考慮按比例縮小后的高階效應(yīng)，件的特性，必須考慮按比例縮小后的高階效應(yīng)，這

36、種效應(yīng)統(tǒng)稱為短溝道效應(yīng)。這種效應(yīng)統(tǒng)稱為短溝道效應(yīng)。 按比例縮小按比例縮小1按比例縮小理論按比例縮小理論在在CMOS工藝中工藝中MOS管具有按比例縮小的性質(zhì)，管具有按比例縮小的性質(zhì)，MOS器件按比例縮小大器件按比例縮小大大改進(jìn)了數(shù)字集成電路的性能表明其有很大的潛力。大改進(jìn)了數(shù)字集成電路的性能表明其有很大的潛力。按比例縮小有三種理論：恒定電場(chǎng)按比例縮小有三種理論：恒定電場(chǎng)CF理論、恒定電壓理論、恒定電壓CV理論、準(zhǔn)恒壓理論、準(zhǔn)恒壓QCV理論。理論。理想的按比例縮小理論即為恒定電場(chǎng)理想的按比例縮小理論即為恒定電場(chǎng)CF理論，是指器件所有的橫向和縱向理論，是指器件所有的橫向和縱向尺寸都縮小尺寸都縮小倍（

37、倍（1）；閾值電壓和電源電壓降低）；閾值電壓和電源電壓降低倍；所有的摻雜濃倍；所有的摻雜濃度增加度增加倍。因此器件尺寸和電壓一起縮小，則晶體管內(nèi)部所有電場(chǎng)保持倍。因此器件尺寸和電壓一起縮小，則晶體管內(nèi)部所有電場(chǎng)保持不變。不變。恒定電壓按比例縮小理論是指器件尺寸減小恒定電壓按比例縮小理論是指器件尺寸減小倍，摻雜濃度增大倍，摻雜濃度增大倍，而電倍，而電壓保持不變，因而電場(chǎng)增大壓保持不變，因而電場(chǎng)增大倍。倍。而準(zhǔn)恒壓按比例縮小理論是介于以上兩種理論之間。而準(zhǔn)恒壓按比例縮小理論是介于以上兩種理論之間。按比例縮小的影響按比例縮小的影響 主要介紹主要介紹CF理論對(duì)理論對(duì)MOS器件的一些主要參數(shù)性能的影響。

38、器件的一些主要參數(shù)性能的影響。1、MOS管的電容管的電容1）總的柵氧電容）總的柵氧電容 由于器件的縱向尺寸按比使縮小了由于器件的縱向尺寸按比使縮小了倍，則柵氧厚度也縮倍，則柵氧厚度也縮小了小了倍，所以單位面積的柵氧電容增大了倍，所以單位面積的柵氧電容增大了倍。倍。 器件總的柵氧電容則為：器件總的柵氧電容則為： 上式表明上式表明器件總的柵氧電容減小為原來的器件總的柵氧電容減小為原來的1/。 oxoxoxWLCCLWC1 )(按比例縮小的影響按比例縮小的影響2）源）源/漏結(jié)電容漏結(jié)電容 主要由底板電容（即耗盡區(qū)電容）與側(cè)壁電容構(gòu)成，所以在分析主要由底板電容（即耗盡區(qū)電容）與側(cè)壁電容構(gòu)成，所以在分析

39、CF對(duì)源對(duì)源/漏結(jié)電容的影響時(shí)需綜合考慮這兩部分的影響。漏結(jié)電容的影響時(shí)需綜合考慮這兩部分的影響。 單位面積的耗盡層電容：在按單位面積的耗盡層電容：在按CF理論進(jìn)行縮小時(shí)單位面積的耗理論進(jìn)行縮小時(shí)單位面積的耗盡層電容主要取決于其耗盡層厚度，而耗盡層厚度可表示為：盡層電容主要取決于其耗盡層厚度，而耗盡層厚度可表示為： 式中式中NA和和ND表示結(jié)兩邊的摻雜濃度，表示結(jié)兩邊的摻雜濃度，BVTln(NAND/ni2)，VR是是反向偏置電壓。假定反向偏置電壓。假定VRB，可得：，可得： 112RBDAsidVNNqW 1121 112RDAsiRDAsidVNNqVNNqW按比例縮小的影響按比例縮小的影

40、響 上式表明，耗盡層的厚度也按比例縮小上式表明，耗盡層的厚度也按比例縮小倍，因此單位面積的倍，因此單位面積的耗盡區(qū)電容增大了耗盡區(qū)電容增大了倍。倍。 再考慮單位寬度的側(cè)壁電容再考慮單位寬度的側(cè)壁電容Cjsw，同理，由于，同理，由于pn結(jié)結(jié)深減小結(jié)結(jié)深減小倍，而耗盡層厚度也減小倍，而耗盡層厚度也減小倍，因此單位寬度的側(cè)壁電容保持倍，因此單位寬度的側(cè)壁電容保持不變。不變。 所以源所以源/漏結(jié)的總電容為：漏結(jié)的總電容為： 上式表明源上式表明源/漏結(jié)的總電容也縮小了漏結(jié)的總電容也縮小了倍。倍。 由由1）、）、2）可以總結(jié)出，）可以總結(jié)出，采用采用CF理論縮小時(shí)，器件所有的分理論縮小時(shí)，器件所有的分布電容都同樣縮了布電容都同樣縮了倍倍。 )(21 )(2)(jswjjswjDSCEWWECCEWCEWC按比例縮小的影響按比例縮小的影響2MOS管的工作電流管的工作電流 假定按比例縮小