場(chǎng)效應(yīng)器件物理1-4頻率5CMOS

1、場(chǎng)效應(yīng)器件物理場(chǎng)效應(yīng)器件物理西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué) XIDIDIAN UNIVERSITY XIDIDIAN UNIVERSITY 第第1010章章 MOSFETMOSFET基礎(chǔ)基礎(chǔ)10.4 10.4 頻率限制特性頻率限制特性 10.5 CMOS10.5 CMOS技術(shù)技術(shù)10.610.6小結(jié)小結(jié)10.4 頻率特性頻率特性 本節(jié)內(nèi)容本節(jié)內(nèi)容n 模型的基本概念模型的基本概念n MOSFET的小信號(hào)等效電路的小信號(hào)等效電路n 頻率限制因素頻率限制因素n 截止頻率的定義、推導(dǎo)和影響因素截止頻率的定義、推導(dǎo)和影響因素2022-5-31XIDIAN UNIVERSITY 10.4 頻率特性頻率特

2、性 模型概述模型概述p電路設(shè)計(jì)中為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電路性能，利用電路仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行仿電路設(shè)計(jì)中為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電路性能，利用電路仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證。真驗(yàn)證。u常用的電路仿真軟件如常用的電路仿真軟件如HSPICE、PSPICE、SPECTREp仿真：圍繞器件建立電路的仿真：圍繞器件建立電路的IV關(guān)系，是一數(shù)學(xué)求解的過程關(guān)系，是一數(shù)學(xué)求解的過程u電路中元器件要用模型和模型參數(shù)來替代真正的器件電路中元器件要用模型和模型參數(shù)來替代真正的器件p模型：反映器件特性，可采用數(shù)學(xué)表達(dá)式、等效電路等形式模型：反映器件特性，可采用數(shù)學(xué)表達(dá)式、等效電路等形式u常用模型：等效電路模型。常用模型：等效電路模型。u模型參數(shù)

3、：描述等效電路中各元件值所用的參數(shù)。模型參數(shù)：描述等效電路中各元件值所用的參數(shù)。p等效電路模型建立方法：等效電路模型建立方法：u首先通過器件物理分析確定器件等效電路模型的具體形式，首先通過器件物理分析確定器件等效電路模型的具體形式，u再把元器件看成一個(gè)再把元器件看成一個(gè)“黑箱黑箱”，測(cè)量其端點(diǎn)的電學(xué)特性，提取出，測(cè)量其端點(diǎn)的電學(xué)特性，提取出描述該器件特性的模型參數(shù)。得到一等效電路模型代替相應(yīng)器件描述該器件特性的模型參數(shù)。得到一等效電路模型代替相應(yīng)器件2022-5-3110.4 頻率特性頻率特性 MOSFETMOSFET物理模型：物理模型：交流小信號(hào)參數(shù)交流小信號(hào)參數(shù)源極串聯(lián)電阻源極串聯(lián)電阻柵源

4、交疊電容柵源交疊電容漏極串聯(lián)電阻漏極串聯(lián)電阻柵漏交疊電容柵漏交疊電容漏漏-襯底襯底pn結(jié)電容結(jié)電容柵源電容柵源電容柵漏電容柵漏電容跨導(dǎo)跨導(dǎo)寄生參數(shù)寄生參數(shù)本征參數(shù)本征參數(shù)pG-S：Cgs，Cgsp，rs；pG-D：Cgd，Cgdp ，rd；uCgs,Cgd: 體現(xiàn)了柵和源、漏體現(xiàn)了柵和源、漏附近的附近的溝道電荷間的相互作用溝道電荷間的相互作用線性區(qū)：線性區(qū)： Cgs Cgd (CoxWL)/2飽和區(qū)：飽和區(qū)： Cgd 0, Cgs2 (CoxWL)/3uCgsp,Cgdp:交疊電容交疊電容pD-S：gm ， Id gmVgsCds：漏：漏-襯底襯底pn結(jié)電容結(jié)電容 （DB結(jié)勢(shì)壘電容結(jié)勢(shì)壘電容B

5、S結(jié)勢(shì)壘電容）結(jié)勢(shì)壘電容）10.4 頻率特性頻率特性 完整的小信號(hào)等效電路完整的小信號(hào)等效電路p 共源共源n溝溝MOSFET小信號(hào)等效電路（小信號(hào)等效電路（VBS=0）總的柵源電容總的柵源電容總的柵漏電容總的柵漏電容10.4 頻率特性頻率特性 完整的小信號(hào)等效電路：完整的小信號(hào)等效電路：V VBSBS影響影響p 共源共源n溝溝MOSFET小信號(hào)等效電路（小信號(hào)等效電路（VBS0）10.4 頻率特性頻率特性 模型參數(shù)模型參數(shù)p模型參數(shù)：描述等效電路中各元件值所用的參數(shù)。模型參數(shù)：描述等效電路中各元件值所用的參數(shù)。p與與IDS相關(guān)的模型參數(shù)：相關(guān)的模型參數(shù)：W，L，KP(ucox)，LAMBDAp

6、與與VT相關(guān)的模型參數(shù)：相關(guān)的模型參數(shù)：VT0，GAMMA， PHIp與柵相關(guān)的三個(gè)電容參數(shù)：與柵相關(guān)的三個(gè)電容參數(shù)：CGD，CGS，CGB）（DSTGSoxnsatDVVVLCWI1)(22)()(222DSDSTGSoxnDVVVVLCWI體效應(yīng)系數(shù)）（）（:22q222q222q2SS0fpfpafpafpaSBTSBoxmsfpoxssoxmsfpoxssoxSBTNVVVCNCQCNCQCVNV10.4 頻率特性頻率特性 模型和模型參數(shù)特點(diǎn)模型和模型參數(shù)特點(diǎn)o 部分模型參數(shù)的定義和部分模型參數(shù)的定義和0.5um工藝模型參數(shù)的典型值工藝模型參數(shù)的典型值2022-5-3110.4 頻率特

7、性頻率特性 模型和模型參數(shù)特點(diǎn)模型和模型參數(shù)特點(diǎn)o隨著溝長(zhǎng)的縮短，短溝窄溝效應(yīng)凸現(xiàn)，隨著溝長(zhǎng)的縮短，短溝窄溝效應(yīng)凸現(xiàn)，IV公式和閾值電壓公式都需修公式和閾值電壓公式都需修正，模型的發(fā)展級(jí)別特別多，模型也越來越復(fù)雜。正，模型的發(fā)展級(jí)別特別多，模型也越來越復(fù)雜。Berkly Short-channel IGET Model10.4 頻率特性頻率特性 模型和模型參數(shù)特點(diǎn)模型和模型參數(shù)特點(diǎn)p器件模型、模型參數(shù)是芯片廠家根據(jù)工藝線制備的器件提取器件模型、模型參數(shù)是芯片廠家根據(jù)工藝線制備的器件提取u生產(chǎn)工藝線不同，器件模型則不同；生產(chǎn)工藝線不同，器件模型則不同；u芯片制造廠不同，器件模型也會(huì)不同芯片制造廠

8、不同，器件模型也會(huì)不同p電路設(shè)計(jì)用到的器件模型、模型參數(shù)由芯片制造廠提供電路設(shè)計(jì)用到的器件模型、模型參數(shù)由芯片制造廠提供2022-5-311010.4 頻率特性頻率特性 簡(jiǎn)化的小信號(hào)等效電路簡(jiǎn)化的小信號(hào)等效電路msmmmdgsmgssmmgsmdgsgssmsgsmgsgssgrgggIVgVrggVgIVVrgrVgVVr11)1 ()(的影響只計(jì)入只計(jì)入rds10.4 頻率特性頻率特性 高頻等效電路高頻等效電路p 忽略寄生參數(shù)忽略寄生參數(shù)rs, rd, rds ,和和 Cds，高頻小信號(hào)等效電路，高頻小信號(hào)等效電路10.4 頻率特性頻率特性 MOSFETMOSFET頻率限制因素頻率限制因素

9、p限制因素限制因素2：柵電容充放電需要的時(shí)間：柵電容充放電需要的時(shí)間u截止頻率截止頻率fT：器件電流增益為：器件電流增益為1時(shí)的頻率時(shí)的頻率p限制因素限制因素1：溝道載流子的溝道輸運(yùn)時(shí)間溝道載流子的溝道輸運(yùn)時(shí)間m1設(shè)溝道長(zhǎng)度cm/s710飽和漂移速度MOSFET Si對(duì)LslvGHz1001ps10ttsltfvL截止頻率溝道渡越時(shí)間溝道渡越時(shí)間通常不是溝道渡越時(shí)間通常不是主要頻率限制因素主要頻率限制因素1TidIIff10.4 頻率特性頻率特性 電流電流- -頻率關(guān)系頻率關(guān)系負(fù)載電阻負(fù)載電阻)(dVgsVTgdCjgsVTgsCjiIgsMTgsgsLmTgdTgsgsTgdLLmTgdTg

10、siVCCjVRgCCjVCRjRgCCjI)1 (11輸入電流輸入電流輸出電流輸出電流u密勒效應(yīng)：將跨越輸入密勒效應(yīng)：將跨越輸入-輸出端的電容等效到輸入端，輸出端的電容等效到輸入端，C值會(huì)擴(kuò)大（值會(huì)擴(kuò)大（1K）倍，）倍， K為常數(shù)為常數(shù))(/gsVdVTgdCjgsVmgLRdVdI)1 (LmTgdMRgCC密勒電容1TgdLCR通常2022-5-311510.4 頻率特性頻率特性 含有密勒電容等效電路含有密勒電容等效電路)1 (LmTgdMRgCC密勒電容p輸入電流公式：輸入電流公式：p米勒電容對(duì)米勒電容對(duì)MOSFET輸入阻抗的影響：輸入阻抗的影響：u使輸入阻抗減小使輸入阻抗減小gsMT

11、gsgsLmTgdTgsgsTgdLLmTgdTgsiVCCjVRgCCjVCRjRgCCjI)1 (1110.4 頻率特性頻率特性 截止頻率推導(dǎo)截止頻率推導(dǎo))(2MTgsmidgsmdgsMTgsiCCfgIIVgIVCCjI電流增益輸出電流輸入電流MCTgsCGCmgGCmgMCTgsCmgIIffid等效輸入柵極電容跨導(dǎo)截止頻率2)(21T的倒數(shù)溝道長(zhǎng)度的平方遷移率在理想情況下，飽和區(qū)22G2)()(, 0LLVVfVVLCWgWLCCCCnTGSnTTGSoxnmoxgsTgdT10.4 頻率特性頻率特性 提高頻率特性途徑提高頻率特性途徑p提高遷移率（提高遷移率（100方向，工藝優(yōu)質(zhì)）

12、方向，工藝優(yōu)質(zhì)）p縮短縮短Lp減小寄生電容（硅柵基本取代了鋁柵）減小寄生電容（硅柵基本取代了鋁柵）的倒數(shù)溝道長(zhǎng)度的平方遷移率在理想情況下，222)(LLVVfnTGSnT10.4 頻率特性頻率特性 需掌握內(nèi)容需掌握內(nèi)容 n 模型的基本概念模型的基本概念n MOSFET的高低頻等效電路的高低頻等效電路n 思考：飽和區(qū)思考：飽和區(qū)VGS變化，溝道電荷的來源？變化，溝道電荷的來源？n 頻率特性的影響因素頻率特性的影響因素n 米勒電容和含米勒電容和含CM的等效電路的等效電路n 截止頻率的定義、推導(dǎo)和影響因素截止頻率的定義、推導(dǎo)和影響因素n 提高截止頻率的途徑提高截止頻率的途徑2022-5-31XIDI

13、AN UNIVERSITY 10.5 開關(guān)特性開關(guān)特性 本節(jié)內(nèi)容本節(jié)內(nèi)容n CMOS概念概念n CMOS如何實(shí)現(xiàn)低功耗，全電平擺幅如何實(shí)現(xiàn)低功耗，全電平擺幅n CMOS的開關(guān)過程及影響因素的開關(guān)過程及影響因素n MOSFET的版圖的版圖n CMOS閂鎖效應(yīng)閂鎖效應(yīng)n MOSFET的噪聲特性的噪聲特性2022-5-31XIDIAN UNIVERSITY 10.5 開關(guān)特性開關(guān)特性 開關(guān)原理開關(guān)原理MOS開關(guān)相當(dāng)于一個(gè)反相器。開關(guān)相當(dāng)于一個(gè)反相器。CMOS反相器反相器p CMOS（Complentary 互補(bǔ)互補(bǔ)CMOS）u n溝溝MOSFET與與p溝溝MOSFET互補(bǔ)互補(bǔ)u 實(shí)現(xiàn)低功耗、全電平擺

14、幅實(shí)現(xiàn)低功耗、全電平擺幅u 數(shù)字邏輯電路的首選工藝數(shù)字邏輯電路的首選工藝10.5 開關(guān)特性開關(guān)特性 什么是什么是CMOS？10.5 開關(guān)特性開關(guān)特性 CMOS反相器反相器pCMOS如何實(shí)現(xiàn)低功耗，全電平擺幅？如何實(shí)現(xiàn)低功耗，全電平擺幅？nCLT：輸出端對(duì)地總電容，包括下一級(jí)負(fù)載電容、引線電輸出端對(duì)地總電容，包括下一級(jí)負(fù)載電容、引線電 容、容、 NMOS和和PMOS的漏襯的漏襯PN結(jié)電容結(jié)電容n全電平擺幅：全電平擺幅：VOH- VOL=VDD-0=VDDn靜態(tài)功耗：充放電完成后電路的功耗，近似為零，靜態(tài)功耗：充放電完成后電路的功耗，近似為零， 靜態(tài)時(shí)一管導(dǎo)通，另一管截止，不存在直流通路靜態(tài)時(shí)一管

15、導(dǎo)通，另一管截止，不存在直流通路n動(dòng)態(tài)功耗：輸入高低電平轉(zhuǎn)換過程中的功耗。動(dòng)態(tài)功耗：輸入高低電平轉(zhuǎn)換過程中的功耗。pNMOS傳輸高電平會(huì)有傳輸高電平會(huì)有VTN的損失。原因？的損失。原因？pPMOS傳輸?shù)碗娖綍?huì)有傳輸?shù)碗娖綍?huì)有VTP的損失。原因？的損失。原因？p開關(guān)時(shí)間：輸出相對(duì)于輸入的時(shí)間延遲，包括導(dǎo)通時(shí)間開關(guān)時(shí)間：輸出相對(duì)于輸入的時(shí)間延遲，包括導(dǎo)通時(shí)間t tonon和關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間t toffoffu載流子溝道輸運(yùn)時(shí)間，（本征延遲）載流子溝道輸運(yùn)時(shí)間，（本征延遲）u輸出端對(duì)地電容的充放電時(shí)間。（負(fù)載延遲）輸出端對(duì)地電容的充放電時(shí)間。（負(fù)載延遲）p提高開關(guān)速度途徑（降低開關(guān)時(shí)間）：提高開關(guān)

16、速度途徑（降低開關(guān)時(shí)間）：u減小溝長(zhǎng)減小溝長(zhǎng)L L（L5um,LXj:很好的保持長(zhǎng)溝特性。很好的保持長(zhǎng)溝特性。u 要求濃度高，形成良好的歐姆接觸，減小要求濃度高，形成良好的歐姆接觸，減小RSRD。2022-5-314110.6 補(bǔ)充補(bǔ)充 器件設(shè)計(jì)器件設(shè)計(jì)p材料的選擇：材料的選擇：（1）襯底材料：）襯底材料：u摻雜濃度：摻雜濃度：VT、 gm、耐壓與、耐壓與NB相關(guān)，相關(guān)，VT與與NB關(guān)系最密切。關(guān)系最密切。u若選用離子注入調(diào)整若選用離子注入調(diào)整VT技術(shù)，技術(shù)，NB的濃度可適當(dāng)減小，的濃度可適當(dāng)減小， 可減小寄生電容，增加耐壓。可減小寄生電容，增加耐壓。u襯底晶向：盡量采用（襯底晶向：盡量采用（

17、100）晶向）晶向 表面態(tài)密度小，載流子遷移率較高。表面態(tài)密度小，載流子遷移率較高。（2）柵材料：）柵材料：u硅柵優(yōu)于鋁柵（面積、寄生電容），但隨著絕緣層高硅柵優(yōu)于鋁柵（面積、寄生電容），但隨著絕緣層高K介質(zhì)的使用介質(zhì)的使用 ，需，需要選擇某些稀有金屬（要選擇某些稀有金屬（Ni，Co，Ti等）作柵。等）作柵。u柵絕緣層材料：最成熟的柵絕緣層材料：最成熟的SiO2，45nm工藝后采用的高工藝后采用的高K介質(zhì)介質(zhì)HfO2.msfpoxCssQoxCSDQTNV2|max|10.7 小結(jié)小結(jié)p MOSFET的幾個(gè)簡(jiǎn)單公式：的幾個(gè)簡(jiǎn)單公式：2)()(2TGSoxnsatDVVLCWI)(gdTGSox

18、nLmsVVLCWg22)(LTVGSVnTf)(222DSDSTGSoxnDVVVVLCWI薩氏方程：薩氏方程：MOSFT電流電流電壓特性的經(jīng)典描述。電壓特性的經(jīng)典描述。msfpoxCssQoxCSDQTNV2|max|DRSRRLdg1onpMOSFET是一種表面性器件，工作電流延表面橫向流動(dòng)，所以器是一種表面性器件，工作電流延表面橫向流動(dòng)，所以器件特性強(qiáng)烈依賴于溝道表面尺寸件特性強(qiáng)烈依賴于溝道表面尺寸W、L。L越小，截止頻率和跨導(dǎo)越小，截止頻率和跨導(dǎo)越大，集成度越高。越大，集成度越高。pFET僅多子參與導(dǎo)電，無少子存貯、擴(kuò)散、復(fù)合效應(yīng)（雙極里講僅多子參與導(dǎo)電，無少子存貯、擴(kuò)散、復(fù)合效應(yīng)（

19、雙極里講過），開關(guān)速度高，適于高頻高速工作過），開關(guān)速度高，適于高頻高速工作 pMOSFET的柵源間有絕緣介質(zhì)，所以為電容性高輸入阻抗，可用的柵源間有絕緣介質(zhì)，所以為電容性高輸入阻抗，可用來存儲(chǔ)信息。（存儲(chǔ)電路，來存儲(chǔ)信息。（存儲(chǔ)電路，mosfet）pSb,db處于反偏（至少處于反偏（至少0偏），同一襯底上的多偏），同一襯底上的多MOSFET可實(shí)現(xiàn)可實(shí)現(xiàn)自隔離效果。自隔離效果。p硅柵基本取代了鋁柵，可實(shí)現(xiàn)自對(duì)準(zhǔn)，減小器件尺寸，提高集成度。硅柵基本取代了鋁柵，可實(shí)現(xiàn)自對(duì)準(zhǔn)，減小器件尺寸，提高集成度。10.7 小結(jié)小結(jié) 1pMOSFET可以分為可以分為n溝道、溝道、p溝道，增強(qiáng)型、耗盡型。對(duì)于不同

20、類溝道，增強(qiáng)型、耗盡型。對(duì)于不同類型的型的MOSFET，柵源電壓、漏源電壓、閾值電壓的極性不同。，柵源電壓、漏源電壓、閾值電壓的極性不同。p特性曲線和特性函數(shù)是描述特性曲線和特性函數(shù)是描述MOSFET電流電流-電壓特性的主要方式。電壓特性的主要方式。跨導(dǎo)和截止頻率是表征跨導(dǎo)和截止頻率是表征MOSFET性質(zhì)的兩個(gè)最重要的參數(shù)。性質(zhì)的兩個(gè)最重要的參數(shù)。p根據(jù)根據(jù)MOSFET的轉(zhuǎn)移特性（的轉(zhuǎn)移特性（ID-VGS），可分為導(dǎo)通區(qū)和截止區(qū)；），可分為導(dǎo)通區(qū)和截止區(qū)；根據(jù)根據(jù)MOSFET的輸出特性（的輸出特性（ID-VDS），可分為線性區(qū)、非飽和區(qū)），可分為線性區(qū)、非飽和區(qū)和飽和區(qū)。和飽和區(qū)。p影響影響M

21、OSFET頻率特性的因素有柵電容充放電時(shí)間和載流子溝道頻率特性的因素有柵電容充放電時(shí)間和載流子溝道渡越時(shí)間，通常前者是決定渡越時(shí)間，通常前者是決定MOSFET截止頻率的主要限制因素。截止頻率的主要限制因素。pCMOS技術(shù)使技術(shù)使n溝溝MOSFET和和p溝溝MOSFET的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，但可能的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，但可能存在閂鎖等不良效應(yīng)。存在閂鎖等不良效應(yīng)。 11.7 小結(jié)小結(jié) 2pMOS電容是電容是MOSFET的核心。隨表面勢(shì)的不同，半導(dǎo)體表面可以處的核心。隨表面勢(shì)的不同，半導(dǎo)體表面可以處于堆積、平帶、耗盡、本征、弱反型、強(qiáng)反型等狀態(tài)。于堆積、平帶、耗盡、本征、弱反型、強(qiáng)反型等狀態(tài)。 MOSFET導(dǎo)導(dǎo)通時(shí)工

22、作在強(qiáng)反型狀態(tài)通時(shí)工作在強(qiáng)反型狀態(tài)p柵壓、功函數(shù)差、氧化層電荷都會(huì)引起半導(dǎo)體表面能帶的彎曲或表面柵壓、功函數(shù)差、氧化層電荷都會(huì)引起半導(dǎo)體表面能帶的彎曲或表面勢(shì)。勢(shì)。p表面處于平帶時(shí)的柵壓為平帶電壓，使表面處于強(qiáng)反型的柵壓為閾值表面處于平帶時(shí)的柵壓為平帶電壓，使表面處于強(qiáng)反型的柵壓為閾值電壓。閾值電壓與平帶電壓、半導(dǎo)體摻雜濃度、氧化層電荷、氧化層電壓。閾值電壓與平帶電壓、半導(dǎo)體摻雜濃度、氧化層電荷、氧化層厚度等有關(guān)。厚度等有關(guān)。pC-V曲線常用于表征曲線常用于表征MOS電容的性質(zhì)，氧化層電荷使電容的性質(zhì)，氧化層電荷使C-V曲線平移，曲線平移，界面陷阱使界面陷阱使C-V曲線變緩曲線變緩pMOSFET根據(jù)柵壓的變化可以處于導(dǎo)通（強(qiáng)反型）或者截止?fàn)顟B(tài)，根據(jù)柵壓的變化可以處于導(dǎo)通（強(qiáng)反型）或者截止?fàn)顟B(tài)，故可用作開關(guān)；加在柵源上的信號(hào)電壓的微小變化