MOS器件瞬態(tài)特性

1、4 MOSFET的瞬態(tài)特性的瞬態(tài)特性瞬態(tài)特性瞬態(tài)特性外加電壓隨時間變化時器件的特性外加電壓隨時間變化時器件的特性頻率特性頻率特性外加電壓變化的幅度很小外加電壓變化的幅度很小（小信號特性）（小信號特性）開關特性開關特性外加電壓變化幅度較大外加電壓變化幅度較大（大信號特性）（大信號特性）器件的電容效應決定了器件的電容效應決定了MOSFET的動態(tài)特性的動態(tài)特性4.1、頻率特性、頻率特性分析方法：分析方法：建立小信號等效電路建立小信號等效電路導出低頻小信號參數(shù)，然后建立電容模型，導出低頻小信號參數(shù)，然后建立電容模型，最后考慮寄生效應最后考慮寄生效應基本假設：基本假設：準靜態(tài)近似準靜態(tài)近似 端電壓和端電

2、壓的變化是同步的，即任一端電壓和端電壓的變化是同步的，即任一時刻端電壓和端電流瞬時值間的關系與該時刻端電壓和端電流瞬時值間的關系與該時刻的直流電流和電壓之間的函數(shù)關系相時刻的直流電流和電壓之間的函數(shù)關系相同。同。小信號參數(shù)（小信號參數(shù)（1）1.柵跨導（柵跨導（Transconductance）u定義定義：u利用一級模型求解柵跨導利用一級模型求解柵跨導l線性區(qū)線性區(qū):l飽和區(qū)飽和區(qū)：u增加柵跨導的主要方法：增加柵跨導的主要方法：F減小減小Tox,提高提高,增加寬長比增加寬長比*實際器件在線性區(qū)，實際器件在線性區(qū)，gm隨隨VGS變化，且在低變化，且在低VGS時時gm最大最大*DSmVg )(TnG

3、SmVVg .ContVVGSDSmBSDSVIg 、小信號參數(shù)（小信號參數(shù)（2）2.漏電導漏電導u定義定義：u利用一級模型求解漏電導利用一級模型求解漏電導線性區(qū)線性區(qū)飽和區(qū)漏電導飽和區(qū)漏電導l長溝道理論：長溝道理論：l考慮到考慮到CLM:.ContVVDSDSdsBSGSVIg 、)(DSTnGSdsVVVg 0 dsg 250)(.TnGSdsVVg 3.襯底跨導襯底跨導：u代表了襯底偏壓對漏電流的控制能力代表了襯底偏壓對漏電流的控制能力u襯底偏壓通過體電荷影響漏電流襯底偏壓通過體電荷影響漏電流在柵壓不變時，在柵壓不變時，VBS改變了表面空間電荷區(qū)中反型改變了表面空間電荷區(qū)中反型層電荷和體

4、電荷之間的分配層電荷和體電荷之間的分配u利用一級模型計算利用一級模型計算gmb .)(SatuVVVVVOhmicVVVgSBTnDSTnGSSBTnDSmb DSBSfoxbVVCQ 2maxContVVBSDSmbDSGSVIg ,SBTnmmbVVgg 小信號參數(shù)（小信號參數(shù)（3）低頻小信號等效電路低頻小信號等效電路（f1kHz） GDSBgsmVgdsgbsmsVggsVbsVVgs，Vbs：交流小信號值：交流小信號值BSmbDSdsGSmDSVgVgVgI bsmbdsdsgsmdsVgVgVgi n nsubstratep 1C2C3C4CBDCBSCMOSFET的電容的電容本征部

5、分本征部分:電荷：電荷：QG,QI,QB電容：電容：C1,C2寄生電容寄生電容:C3,C4CBS,CBD GQIQBQ本征電容本征電容: 柵和溝道之間的氧化層電容柵和溝道之間的氧化層電容C1 表面空間電荷區(qū)電容表面空間電荷區(qū)電容C2非本征電容（寄生電容）非本征電容（寄生電容） 源和漏源和漏PN結電容結電容C5、C6 覆蓋電容覆蓋電容 柵對源漏區(qū)的覆蓋引起的電容柵對源漏區(qū)的覆蓋引起的電容 C3、C4MOSFET的電容的電容MOSFET電容本征電容電容本征電容本征電容本征電容與本征電荷相聯(lián)系，由柵氧化層電容和半導體表面與本征電荷相聯(lián)系，由柵氧化層電容和半導體表面空間電荷區(qū)電容串連組成的。空間電荷區(qū)

6、電容串連組成的。p總的柵電荷總的柵電荷p總的反型層電荷總的反型層電荷p總的體電荷總的體電荷由于單位面積的本征電荷沿溝道方向分布不均勻，由于單位面積的本征電荷沿溝道方向分布不均勻，因此因此MOST的本征電容是分布電容。的本征電容是分布電容。通常把這些分布電容集總，簡化為通常把這些分布電容集總，簡化為MOST柵、源、柵、源、漏、體任意兩端之間的集總電容。漏、體任意兩端之間的集總電容。 LgGdyyQWQ0)( LiIdyyQWQ0)( LbBdyyQWQ0)(0 BIGQQQ本征電容本征電容Meyer Model柵溝道之間的分布電柵溝道之間的分布電容被分解為三個集總電容被分解為三個集總電容：容：柵

7、源電容柵源電容柵漏電容柵漏電容柵體電容柵體電容.,ContVVGSGGSGBGDVQC .,ContVVGDGGDGBGSVQC .,ContVVGBGGBGDGSVQC GBGSCGDCGBCBSGSGBDSGSGDVVVVVV 假設假設 MOSFET電容電容是互易的；是互易的； 單位面積單位面積的體電荷的體電荷QB沿溝道方向沿溝道方向為常數(shù)為常數(shù)*。bLiLbLiGWLQdyYQWdyYQWdyYQWQ 000)()()(電荷方程電荷方程Strong InvesionbTnGSTnGDTnGSTnGDoxGWLQVVVVVVVVWLCQ )()()()(223332線性區(qū)：線性區(qū)：飽和區(qū)：

8、飽和區(qū)：bTnGSoxGWLQVVWLCQ 32（亞閾值區(qū)）（亞閾值區(qū)）Weak Invesion )(FBGBoxGVVWLCQ 2241121 本征電容本征電容Meyer ModelMeyer Model 電容的表示式電容的表示式線性區(qū)：線性區(qū)：oxTnGSGDTnGDoxGSGGSWLCVVVVVWLCVQC21213222 )()(oxTnGSGDTnGDoxGDGGDWLCVVVVVWLCVQC21213222 )()(0 GBGGBVQC飽和區(qū)：飽和區(qū)：oxGSGGSWLCVQC32 0 GDC0 GBC亞閾值區(qū)：亞閾值區(qū)：0 GDGSCC21241 )(FBGBoxGBGGBVV

9、WLCVQC 0DSVGSVOffSaturationLinearGBCGSCGDC0 BSDSVContV.oxWLC21oxWLC32oxWLCTVTnDSVV Voltage dependence of intrinsic capacitance as a funcation of VGSMeyer ModelMeyer Model 的缺點的缺點計算時電容的突變造成電荷不守恒計算時電容的突變造成電荷不守恒Meyer Model ：tVVCi )( 2121ttttdVvCidtQ)(實際計算時：實際計算時：)(tttCCCVCQ 21 CdVVCdQ這使得這使得Meyer Model 不

10、適合于模擬動態(tài)不適合于模擬動態(tài)RAM和開關電容和開關電容更精確的電容模型：更精確的電容模型：基于電荷的電容模型基于電荷的電容模型MOSFET的非本征電容的非本征電容柵覆蓋電容柵覆蓋電容Overlay Capacitance有效溝道長度有效溝道長度LeffLDLLMeff2 有效溝道寬度有效溝道寬度WeffWWWMeff 2MOSFET的非本征電容的非本征電容MOSFET的柵覆蓋電容的柵覆蓋電容 柵源覆蓋電容柵源覆蓋電容C3定義定義CGSO單位柵寬的覆蓋電容單位柵寬的覆蓋電容:C3=CGSOW 柵源覆蓋電容柵源覆蓋電容C4定義定義CGDO單位柵寬的覆蓋電容單位柵寬的覆蓋電容:C4=CGDOW 柵

11、體覆蓋電容柵體覆蓋電容C5定義定義CGBO單位柵長的覆蓋電容單位柵長的覆蓋電容:C5=CGBOdovl如何減小覆蓋電容？如何減小覆蓋電容？采用自對準工藝采用自對準工藝Gate-bulk Overlay CapacitancexdxdLdPolysilicon gateTop viewGate-bulkoverlapSourcen+Drainn+Wtoxn+n+Cross sectionLGate oxide521cc 1323cc 1213cc 43 cc ,Voltage dependence of CGS,CGD,CGB as a funcation of VGSMOSFET的非本征電容的

12、非本征電容源漏源漏PN結電容由兩結電容由兩部分構成部分構成 底板電容底板電容CJ 側壁電容側壁電容CJSWBottomSide wallSide wallChannelSourceNDChannel-stop implant NA1SubstrateNAWxjLSWCWLCWLCCCCjswSjswSjSWbottomdiff212 )(同時包括本征電容和非本征電容的同時包括本征電容和非本征電容的MOSFET等效電路（等效電路（Meyer Model）高頻小信號等效電路高頻小信號等效電路0GDCGDSBgsmVgdsgbsmsVgBDCBSCGBC0GSCGSCGDC0GBC bsV gsV頻

13、率限制因素與截止頻率頻率限制因素與截止頻率頻率限制因素頻率限制因素 載流子溝道輸運時間（渡躍時間）載流子溝道輸運時間（渡躍時間） 對電容的充放電時間對電容的充放電時間載流子溝道輸運時間載流子溝道輸運時間)(TnGSsLytrVVLdyT 2034由上述公式計算得到的渡躍時間所對應的頻率遠由上述公式計算得到的渡躍時間所對應的頻率遠大于實際大于實際MOSFET的最大頻率，因而實際的最大頻率，因而實際MOSFET的頻率限制因素與渡躍時間關系不大，的頻率限制因素與渡躍時間關系不大，而主要取決于對電容的充放電時間。而主要取決于對電容的充放電時間。截止頻率（截止頻率（1）截止頻率截止頻率fTu定義：器件電

14、流增益為定義：器件電流增益為1時的頻率時的頻率u求解方法：應用等效電路求解方法：應用等效電路di)(VdsVgsCjVCjiGDgsGSi 0 )(gsdsGDgsmLdsVVCjVgRV GDSgsmVgGSCGDC gsVLRii dsV截止頻率（截止頻率（2）由上述兩式消去由上述兩式消去Vd,得到得到gsLmGDGSiVRgCCji)( 1 負載電流為負載電流為gsmdVgi 電流增益為電流增益為)(LmGDGSmidRgCCfgii 12 截止頻率截止頻率GmLmGDGSmTCgRgCCgf 212 )(飽和區(qū)本征截止頻率飽和區(qū)本征截止頻率*22 LVVfTnGSsT )( GDSgsmVgGSCGDC gsVLRii dsV截止頻率（截止頻率（2）提高截止頻率的方法提高截止頻率的方法n減小溝道長度減小溝道長度n提高載流子遷移率提高載流子遷移率n在結構和工藝上盡量減小寄生電容（電阻）在結構和工藝上盡量減小寄生電容（電阻） 特別是柵的覆蓋電容特別是柵的覆蓋電容222LVVCgfTnGSsGmT )( BgsRMOSFET的開關特性的開關特性u開關特性研究開關特性研究MOSFET工作在數(shù)字電路的性能，著重工作在數(shù)字電路的性能，著重討論開關速度（延遲時間）討論開關速度（延遲時間）u數(shù)字電路的開關速度取決于兩種延遲機構：數(shù)字電路的開關速度取決于兩種延遲機構：l 本征延遲（傳輸延