专用集成电路教学课件第三章.

第三章MOS集成电路器件基础3.1MOSFET的结构与符号1.NMOS管的简化结构􀀹导电沟道（Channel）：栅极薄氧化层下的衬底表面􀀹P型硅衬底（P-Substrate,BulkorBody）􀀹源区和漏区（重掺杂区）􀀹栅极（重掺杂多晶硅区）/栅极薄氧化层+N3.1MOSFET的结构与符号1.NMOS管的简化结构􀀹Leff＝Ldrawn-2LD􀀹Leff—有效沟道长度，Ldrawn—沟道总长度􀀹Leff和氧化层厚度tox对MOS电路的性能起着非常重要的作用。MOS技术发展中的主要推动力就是不使器件的其他参数退化而一代一代的减小这两个尺寸。3.1MOSFET的结构与符号2.衬底连接/互补CMOS􀀹为使MOS管的电流只在导电沟道中沿表面流动，源区/漏区以及沟道和衬底之间必须形成反向偏置的PN结隔离。􀀹在互补型CMOS中，在同一衬底上制作NMOS和PMOS，因此必须为PMOS做一个称之为“阱(Well)”的“局部衬底”3.1MOSFET的结构与符号3.增强型和耗尽型MOS管在栅-源极电压（栅偏置）为零时截止（即不导电）的器件称为增强型器件；而在栅偏置为零时就导通的器件称为耗尽型器件。􀀹MOS管符号3.2MOSFET的物理结构1.NMOS管的物理结构实际中，源极和漏极之间加了一个正向电压，当栅偏压为零时，S-D之间没有电流，这是由于两个反向偏置的P-N结起了有效地隔离作用。如图所示。然而，在栅极加一个相对源极和衬底为正的电压时，就在衬底中产生一个电场E。该电场把电子吸向栅极，并排斥空穴。如果栅压足够大，则栅极下的区域将从P型变为N型，在源、漏间形成一条导电沟道。在这种情况下，衬底P型硅的表面可以说是反型的。3.2MOSFET的物理结构1.NMOS管的物理结构•在反型层和衬底形成的结中，通过加在栅极上的电场E形成n型层，这种结不是合金结，而是场感应结。初始很薄的n型反型层场感应p-n结最终的n型反型结3.2MOSFET的物理结构2.PMOS管的物理结构3.3MOSFET的物理结构1.开启电压及开启电压的调整在半导体物理学中，NFET的VTH定义为界面的电子浓度等于P型衬底的多子浓度时的栅压。即：：多晶硅栅和硅衬底的功函数之差q是电子电荷，Nsub是衬底的掺杂浓度Qdep：耗尽区的电荷Cox：单位面积的栅氧化层电容tox≈50Å,Cox≈6.9fF/µm23.3MOSFET的物理结构1.开启电压及开启电压的调整由p－n结理论可知，可见，开启电压是以下几个参量的函数：•栅极材料•栅绝缘层的材料•栅绝缘层厚度•沟道掺杂•硅－绝缘层界面的厚度•源与衬底之间的电压Vsb3.3MOSFET的物理结构1.开启电压及开启电压的调整开启电压的绝对值随温度的升高而下降。对于高掺杂衬底，其变化值为，对于低掺杂衬底，其变化值约为调整开启电压的方法有两种：•通过离子注入改变硅－绝缘层界面的掺杂浓度•采用不同的栅绝缘层材料后一种方法中，将一层氮化硅（）（相对介电常数为7.5）与一层二氧化硅层（相对介电常数3.9）合起来组成绝缘层，其等效的相对介电常数约为6。3.4MOSFET的电流电压特性√NMOS管中，多数载流子是电子，相对于衬底加在栅极上的正电压会增加沟道中电子的数量，即会增强沟道的导电性。当栅极电压小于开启电压或阈值电压（ThresholdVoltage）VTH时，不会形成导电沟道，此时源-漏间的电流极小。􀂾MOS管是一种多数载流子器件。在这种器件中，漏-源间导电沟道中的电流受栅极上的电压控制。增强型NMOS管的转移特性曲线√PMOS管的工作原理与NMOS管一样，只是多数载流子是空穴，栅极相对于衬底是负电压。3.4MOSFET的电流电压特性1.MOS管的输出特性√栅极电压VGS对漏极电流ID有明显的控制作用(VGSVTH时)。√漏极电压VDS对漏极电流ID的控制作用分成线性区和恒流（饱和）区两段。√线性区与恒流区是以预夹断点的连线为分界线的。增强型NMOS管的输出特性线性区：VDSVGS—VTH预夹断：VDS=VGS—VTH恒流区：VDSVGS—VTH3.4MOSFET的电流电压特性2.MOS管的电流方程NMOS管在截止区、线性区和恒流区的电流方程如下：0UGSUTHN(截止区)IDN=UDSUGS-UTHN(线性区)UDSUGS-UTHN(恒流区)L是有效沟道长度考虑到沟道长度调制效应，NMOS管在恒流区VDSVGS-VTH时的电流表达式为：思考题：查阅资料，给出沟道长度调制效应的合理解释3.4MOSFET的电流电压特性2.MOS管的电流方程式中各参数的含义：：电子/空穴的迁移率；一般情况下，电子的迁移率高于空穴，所以NMOS器件的电流驱动能力及工作速度均比PMOS器件强。Cox：单位面积栅电容，且W/L：导电沟道的宽度和长度之比。由MOS管的电流方程可知，电流与W/L成正比。VTHN/VTHP:NMOS/PMOS管的开启电压，在VDD=5V的情况下，增强型NMOS和PMOS管的开启电压分别是+0.8V和-0.8V。为了使MOS器件能够在低电源电压下工作，需要通过工艺控制使该开启电压降低。：沟道调制系数，是一个经验的沟道长度修正系数，反映VDS对沟道长度的影响，其值在0.01V~0.02V左右。3.4MOSFET的电流电压特性3.MOS管的输出电阻线性区的输出电阻—压控电阻根据线性区的电流方程，当漏-源电压很小时，该式可以近似为：此时的输出电阻为：由该式可见，处于线性区的MOS管输出电阻RON是VGS的函数，且与之成反比。因为该电阻受VGS控制，称线性区的输出电阻为“压控电阻”，线性区又称为“可变电阻区”。3.4MOSFET的电流电压特性3.MOS管的输出电阻恒流区的输出电阻根据恒流区的电流方程，有：注：UA是与沟道调制系数有关的厄尔利电压，其定义见下图所示：3.4MOSFET的电流电压特性4.MOS管的跨导gm从某种意义上讲，gm代表了器件的灵敏度：对于一个大的gm来讲，VGS的一个微小的改变将会引起ID产生很大的变化。值得注意的是饱和区的gm值等于深三极管区Ron的倒数。可以证明：由上式可见：1、在W/L不变的情况下，gm与（VGS—VTH）成线性关系，与ID的平方根成正比。2、在ID不变的情况下，gm与（VGS—VTH）成反比。3.4MOSFET的电流电压特性5.MOS管的二级效应——体效应与背栅跨导gmb在集成电路中，同一片衬底上要集成许多MOS管，为了保证其正常工作，N型管的衬底要接到整个电路的最低电位点，P型管的衬底要接到整个电路的最高电位点。于是MOS管的源极与衬底之间存在电位差。而且为了保证沟道与衬底之间的隔离，其PN结必须反偏，即VBS0。3.4MOSFET的电流电压特性5.MOS管的二级效应——体效应与背栅跨导gmb􀂾在VBS0的情况下，沟道与衬底之间的耗尽层会加厚，导致阈值电压VTH增大、沟道变窄及沟道电阻增大，导致ID的减小。这种效应称为“体效应”或“衬偏调制效应”。􀂾①考虑到体效应的阈值电压VTH为:􀂾②引入背栅跨导gmb来反映VBS对漏极电流的影响：􀂾③用跨导比η来表示背栅跨导与跨导的关系：3.4MOSFET的电流电压特性6.MOS管的二级效应——亚阈区特性MOS管在从弱反型层向强反型层过渡时沟道中已有电流存在，不过该电流很小。将弱反型层向强反型层过渡的区域定义为“亚阈区”。在该区域，MOS管的电流电压关系符合下式描述的指数关系。式中：n=1～2,为常数；UT=kT/q,为热电压；ID0为工艺系数；√在亚阈区的电流电压呈现指数关系，因而栅跨导gm比较大，若放大器工作在此区域将会有较大的增益。√影响：亚阈值效应会导致较大的功率损耗（或是模拟信息的丢失），这在大型电路中（例如内存）是一个特别使人困惑的难题。3.4MOSFET的电流电压特性7.沟道尺寸W、L对阈值电压UTH的影响√在短沟道MOS器件中，VTH与沟道尺寸W、L有较大的关系。其中VTH随着L的增大而增大，随W的增大而减小。√温度对开启电压VTH也有较大的影响，在重掺杂的情况下，VTH的温度系数约为：-4mv/ºC，轻掺杂的温度系数约为：-2mv/ºC。长沟道：L3~4um；短沟道：L3um；亚微米工艺：L或W1um的MOS管生产工艺3.4MOSFET的电流电压特性8.MOS管的特征频率MOS管的特征频率可由下式计算：式中：µn为电子迁移率；L为沟导长度。√可见，减小沟道长度L可以大幅度的提高MOS管的特征频率，从而提高器件的工作速度。总结：1、MOS场效应管的性能与沟道宽长比（W/L）有很强的依赖关系。2、沟道长度L越小，fT及gm越大，且集成度越高。因此减小器件尺寸有利于提高器件性能。3、提高载流子迁移率μ有利于增大fT及gm，NMOS管的µn比PMOS管的µp大2～4倍，所以NMOS管的性能优于PMOS管。3.5MOS管的Spice模型参数SPICE是SimulationProgramwithICEmphisis的缩写，是由美国加州大学伯克利分校于70年代开发的通用电路模拟程序。目前几乎所有的数模混合计算机仿真软件的内核都是Spice程序，了解Spice模型参数的含义对于正确设计模拟IC的意义重大。Spice程序的模拟对象：√有源电路器件：二极管、双极性晶体管、结型FET和MOSFET等；√无源电路元件：电阻、电容、电感、互感和无损耗传输线等；√信号源：独立电压源、独立电流源、电压控制电流源、电压控制电压源、电流控制电流源和电流控制电压源等。Spice程序的电路分析功能：√直流分析：直流工作点、传输函数、直流转移曲线、直流灵敏度；√交流小信号分析：频率特性、噪声特性和失真；√瞬态分析：傅里叶分析、蒙特卡罗分析、灵敏度分析和最坏情况分析等；3.6MOS管的小信号等效电路低频小信号模型同时考虑沟道调制效应和衬底调制效应的等效模型如下栅跨导：背栅跨导：输出电阻：注：γ为体效应系数2|ᵠF|为费米能级λ为沟道调制系3.6MOS管的小信号等效电路MOS管工作于高频状态下，电容效应就会显现出来。考虑了极间电容和寄生电容影响的高频小信号等效电路如下：NMOS管各电容的定义如下图：高频小信号等效电路