第二章MOS器件物理基礎(chǔ)

1、 麥格羅希爾Your Learning Partner12第二章第二章 MOS器器件物理件物理基礎(chǔ)基礎(chǔ) 麥格羅希爾Your Learning Partner2.1 一般性一般性考考慮慮2.1.1 以MOSFET做為開關(guān)2.1.2 MOSFET結(jié)構(gòu)2.1.3 MOS符號2.2 MOS I/V特性特性2.2.1 閾值電壓2.2.2 I/V特性的推導(dǎo)2.3 二次二次效效應(yīng)應(yīng)2.4 MOS器件器件模型模型2.4.1 MOS器件版圖2.4.2 MOS器件電容2.4.3 MOS小信號模型2.4.4 MOS SPICE模型2.4.5 NMOS與 PMOS器件的比較2.4.6 長溝道器件與 短溝道器件比較附附

2、錄錄A用作電容器的MOS器件特性簡要目錄簡要目錄 麥格羅希爾Your Learning Partner學(xué)習(xí)集成電路設(shè)計學(xué)習(xí)集成電路設(shè)計的方法的方法1. 以量子力學(xué)開始，並了解固態(tài)物理、半導(dǎo)體元件物理、元件模型，最後則是電路的設(shè)計。2. 將每個半導(dǎo)體元件視為一黑盒子，其特性皆以端點電壓和電流表示，因此不需要注意元件內(nèi)部運作更可設(shè)計電路。 麥格羅希爾Your Learning PartnerMOSFET做做為開關(guān)為開關(guān)右圖是一個MOSFET的符號，它有三個端口：柵（G）、源（S）和漏（D）。對一個MOSFET來說，源和漏是對稱的，是可以互換的。作為開關(guān)來應(yīng)用時，如果柵極電壓 VG 是高電壓，則晶體

3、管的源和漏是連接在一起的；而當(dāng)柵電壓VG為低電壓時，晶體管的源和漏是斷開的。 麥格羅希爾Your Learning PartnerMOSFET結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)Leff = Ldrawn2LDLeff 為等效長度，Ldrawn 為全長，LD 為擴散長度。 對於源極和汲極來說，結(jié)構(gòu)是對稱的。 麥格羅希爾Your Learning Partner基板連接基板連接MOSFET為一個四端元件，一般NMOS電晶體基板連接至系統(tǒng)中最小的供應(yīng)電壓，通常實際的連接是透過一電阻 p+ 區(qū)域提供。 麥格羅希爾Your Learning PartnerPMOS元件元件(a)簡單簡單PMOS元件；元件；(b)在在 n 型井中的

4、型井中的PMOS 。 一般 n 型井連接至系統(tǒng)中最大的供應(yīng)電壓。 麥格羅希爾Your Learning PartnerMOS符符號號三三種種常用常用的的表示表示NMOS和和PMOS晶晶體管的電體管的電路符路符號號 麥格羅希爾Your Learning PartnerNFETNFET的的閾值電壓閾值電壓(a)由柵壓控制的由柵壓控制的MOSFET；(b)耗盡區(qū)的形成耗盡區(qū)的形成；(c)反型的開始反型的開始；(d)反反形層的形成形層的形成 麥格羅希爾Your Learning Partner閾值電壓閾值電壓VTH 臨界電壓為界面反轉(zhuǎn)時之閘極電壓。MS 為多晶矽閘極和矽基板功函數(shù)之間的差。F=(kT/

5、q)ln(Nsub/ni) ，其中 q 為電子電荷，Nsub 為基板摻雜濃度，Qdep 為空乏區(qū)之電荷數(shù)量，Cox 為單位面積之閘氧化層電容，si 代表矽的介電常數(shù)。摻入 p+ 雜質(zhì)改變氧化層界面附近的基板濃度進(jìn)而改變臨界電壓值。oxdepFMSTHCQV2subFsidepNqQ4 麥格羅希爾Your Learning PartnerPFET的開啟的開啟在在PFET中形成反轉(zhuǎn)層中形成反轉(zhuǎn)層。 麥格羅希爾Your Learning Partner類比CMOS積體電路設(shè)計 第二章 基本MOS元件物理23I/V特性圖之推導(dǎo)特性圖之推導(dǎo)(一一)考慮一攜帶電流 I 之半導(dǎo)體柱，沿著電流方向之電荷密度為

6、 Qd，其電荷速度為 v。則I=Qdv 麥格羅希爾Your Learning Partner24I/VI/V特性特性的推導(dǎo)的推導(dǎo)( (二二) )(a)源源極極和和漏極電壓漏極電壓相同相同時的溝時的溝道道電荷電荷；(b)源源極極和和漏極電壓漏極電壓不同不同時的溝道電荷時的溝道電荷。 麥格羅希爾Your Learning PartnerI/VI/V特性特性的推導(dǎo)的推導(dǎo)(三三)1. VGSVTH 時之通道電荷密度2. 考慮汲極端電壓為 VD，則通道中某一點 x 之電荷密度3. 若 v=E 為通道內(nèi)電子速度，其中為電荷載子遷移率，E為電場，則電流值為5. 因為 ID 在通道中為一常數(shù))(THGSoxd

7、VVWCQ)()(THGSoxdVxVVWCxQvVxVVWCITHGSoxD)(dxxdVVxVVWCInTHGSoxD)()(dVVxVVWCdxInVVTHGSnoxLxDDS00)(4. 考慮邊界條件 V(0)=0，V(L)=VDS，同乘 dx 並對其積分21)(2DSDSTHGSoxnDVVVVLWCI 麥格羅希爾Your Learning Partner三極管區(qū)汲極電流電壓關(guān)係圖三極管區(qū)汲極電流電壓關(guān)係圖拋物線峰值發(fā)生於 VDS=VGSVTH，此時電流為21)(2DSDSTHGSoxnDVVVVLWCI2)(21THGSoxnDVVLWCI 麥格羅希爾Your Learning P

8、artner深三極管區(qū)之電阻特性深三極管區(qū)之電阻特性VDSVGSVTH 時稱元件操作於三極管區(qū)或線性區(qū)。若 VDS2(VGSVTH ) ，可得從源極至汲極路徑可用一線性電阻表示DSTHGSoxnDVVVLWCI)()(1THGSoxnonVVLWCR 麥格羅希爾Your Learning Partner如圖2.14(a)所示，繪出 M1 之開啟電阻和之關(guān)係圖。假設(shè) nCox= 50 A/V2，W/L= 10，VTH= 0.7V。注意其汲極端為開啟狀態(tài)。答：答：因為汲極端被開啟，ID= 0 且 VDS= 0，因此如果元件開啟時，將操作於深三極管區(qū)。當(dāng) VG1V+VTH 時，我們得到此結(jié)果繪於圖2

9、.14(b)中。)7 . 01(10/5012VVVVARGon例題例題 2.1 麥格羅希爾Your Learning Partner飽和區(qū)之成因飽和區(qū)之成因VDSVGSVTH 時，汲極電流不會依照拋物線特性而會維持不變，稱元件操作於飽和區(qū)。當(dāng) V(x) 趨近 VGSVTH 時，Qd(x) 會降至零，反轉(zhuǎn)層將會在 xL 處截止，並往源極方向移動，稱截止效應(yīng)。 麥格羅希爾Your Learning Partner飽和區(qū)電流推導(dǎo)及電流源飽和區(qū)電流推導(dǎo)及電流源飽和區(qū)時，電流由 x= 0 積分至 x=L ，L 為 Qd 降至 0 之處，因此可得電流為2)(21THGSoxnDVVLWCI飽和MOSFE

10、T做為連接汲極和源極之電流源，將電流送至接地端或由VDD處吸引電流，換句話說只有一端是浮動的。 麥格羅希爾Your Learning PartnerPMOS元件之電流公式元件之電流公式2)(21THGSoxpDVVLWCI21)(2DSDSTHGSoxpDVVVVLWCI 麥格羅希爾Your Learning Partner跨導(dǎo)跨導(dǎo)定義: 漏電流的變化量除以柵源電壓的變化量.代表器件將電壓轉(zhuǎn)換成電流的能力。)(,THGSoxnVGSDmVVLWCVIgconstDSMOS跨導(dǎo)與過驅(qū)動電壓及漏電流的關(guān)系THGSDDoxnVVIILWC22 麥格羅希爾Your Learning Partner飽和

11、區(qū)和三極管區(qū)之概念示意圖飽和區(qū)和三極管區(qū)之概念示意圖 麥格羅希爾Your Learning Partner如圖2.19所示，繪出轉(zhuǎn)導(dǎo)和之關(guān)係圖。答：答：當(dāng) VDS 從無限大開始減少，了解 gm 是較為簡單的，只要 VDS VbVTH，M1 將操作於飽和區(qū)，ID 則為常數(shù)。從式(2.18)得知 gm 亦為常數(shù)。當(dāng) VDS VbVTH 時，M1 操作於三極管區(qū)，且：如圖2.19所示，如果元件進(jìn)入三極管區(qū)時，轉(zhuǎn)導(dǎo)將會減少，而為了放大之故，我們通常使用MOSFET之飽和區(qū)。DSoxnDSDSTHGSoxnGSmVLWCVVVVLWCVg)(2212例題例題 2.2 麥格羅希爾Your Learning

12、 Partner基板效應(yīng)基板效應(yīng)負(fù)基板電壓之負(fù)基板電壓之NMOS元件。元件。 麥格羅希爾Your Learning Partner體效應(yīng)體效應(yīng)當(dāng)基板負(fù)向電壓 VB 變大時，更多電洞被吸引至基板連接區(qū)，產(chǎn)生更多負(fù)電荷使空乏區(qū)變寬，Qd 增加，VTH 亦會增加，稱為基板效應(yīng)或反閘極效應(yīng)。)22(0FSBFTHTHVVVoxsubsiCNq2為基板效應(yīng)係數(shù)。 麥格羅希爾Your Learning Partner如圖2.23(a)所示，繪出 VX 從 至 0 之汲極電流圖。假設(shè) VTH0= 0.6V，= 0.4V1/2，2F= 0.7V。答：答：如果負(fù) VX 值夠大時，M1 臨界電壓將會超過 1.2V

13、 且元件為關(guān)閉狀態(tài)，也就是說因此 VX1=4.76V。當(dāng) VX1 VX 200mV 時其中 1 為一非理想因子，且 VT = kT/q。TGSDVVIIexp0 麥格羅希爾Your Learning PartnerMOS器器件件設(shè)計設(shè)計鳥瞰鳥瞰示意示意圖圖和和MOS上上視圖視圖。 麥格羅希爾Your Learning Partner畫出圖2.29(a)中電路布線設(shè)計圖。答：答：注意 M1 和 M2 在節(jié)點 C 分享同一個源極/漏極接面，而 M2 和 M3 在節(jié)點 N 分享同一個 S/D 接面。我們猜測三個晶體管可以如圖2.29(b)之佈線圖，將其餘端點連接起來，便可得到圖2.29(c)之佈線圖

14、。注意 M3 之閘極多晶矽層無法直接連至 M1 之源極，因此需要另一條金屬連線。例題例題 2.5 麥格羅希爾Your Learning PartnerMOS器器件件電電容容(1) (2)(3) C3 和 C4 不可寫成 CLDCox，應(yīng)以重疊電容 Cov 表示。(4) 下極板電容 Cj 和側(cè)邊電容 Cjsw。)(4/2FsubsiNqWLCoxWLCC 1mBRjjVCC/1/0 麥格羅希爾Your Learning Partner計算圖2.32中二種結(jié)構(gòu)的源極和漏極接面電容。例題例題 2.6 麥格羅希爾Your Learning Partner答：答：對圖2.32(a)之電晶體而言，我們可以

15、得到而對圖2.32(b)而言，圖2.32(b)之幾何形狀被稱為摺疊(folded)結(jié)構(gòu)。當(dāng)我們提供同樣的 W/L 時，圖2.32(b)之汲極接面電容比圖2.32(a)還小。 在上述計算中，我們已假定源極或汲極之總周長為 2(W+E) 乘上 Cjsw。面對通道之側(cè)邊電容可能會比其它三個側(cè)面電容小，因為通道截止佈植效應(yīng)(channel-stop implant)(見第十七章)。儘管如此，我們還是假定所有的四個側(cè)邊都有相同的單位電容，因為電路中的每個節(jié)點都連結(jié)至許多其它的元件電容，故由假設(shè)所造成的誤差可以忽略不計。jswjSBDBCEWWECCC)(2jswjDBCEWECWC)2(22jswjjs

16、wjSBCEWWECCEWECWC)2(22222例題例題 2.6續(xù)續(xù) 麥格羅希爾Your Learning Partner不同不同功功作作區(qū)區(qū)中的元件中的元件電電容容(1) 截止區(qū)：(2) 深三極管區(qū)：(3) 飽和區(qū)：)(4/FsubsidNqWLCWCCCovGSGD)/()(doxdoxGBCWLCCWLCCovoxGSGDWCWLCCC2/ovoxeffGSWCCWLC3/2 麥格羅希爾Your Learning Partner繪出 VX 由 0 變至 3V 時，圖2.34中 M1 之電容圖。假設(shè) VTH= 0.6V 且 = 0。例題例題 2.7 麥格羅希爾Your Learning

17、Partner49答：答：為避免混淆，如圖2.34所示，我們將三個端點標(biāo)上記號。當(dāng) VX 0 時，M1 操作於三極管區(qū)，CENCEF=(1/2)WLCox+WCov，且 CFB 為最大值，CNB 則和 VX 無關(guān)。當(dāng) VX 超過 1V 時，源極和汲極的角色會互換圖2.35(a)；而當(dāng) VX 2V0.6V 時，M1 將會脫離三極管區(qū)。其電容變化如圖2.35(b)和(c)所示。例題例題 2.7續(xù)續(xù) 麥格羅希爾Your Learning PartnerMOSMOS小信小信號號模型模型(a)基本基本MOS小小信信號模號模型型；(b)用一用一相相關(guān)電關(guān)電流源表示流源表示溝道長溝道長度調(diào)制效應(yīng)度調(diào)制效應(yīng)；

18、(c)用用一一電電阻阻來來表示表示溝道溝道長度長度調(diào)制調(diào)制效效應(yīng)應(yīng)；(d)用一用一相相關(guān)電關(guān)電流源流源來來表示表示襯柵襯柵效效應(yīng)應(yīng)。 麥格羅希爾Your Learning PartnerMOSMOS小信小信號模型號模型DTHGSoxnDSDDDSOIVVLWCVIIVr1)(21112)(BSTHTHGSoxnBSDmbVVVVLWCVIgmSBFmmbgVgg222/1)2(2SBFSBTHBSTHVVVVV 麥格羅希爾Your Learning Partner利用折疊來減少柵極電阻如圖所示如圖所示，折疊折疊可可將柵極電將柵極電阻降低四分之一阻降低四分之一。 麥格羅希爾Your Learning Partner完整的完整的MOS小信小信號號模型模型 麥格羅希爾Your Learning Partner畫出圖2.39中，M1 的 gm 和 gmb 與偏置電流 I1 的關(guān)系。答：答：因為 ，我們得到 ，而 gmb 對于 I1 的相依性較不直接，當(dāng) I1 增加時，VX 和 VSB 都會減少。DoxnmILWCg)/(21Igm例題例題 2.8 麥格羅希爾Y