二、CMOS晶体管基础

二CMOS晶体管基础主要内容1、结构及工作原理2、阈值电压3、电流—电压方程（I-V特性）4、MOS管寄生电容5、小信号等效电路6、gm、gds7、MOSFET的数字模型8、衬偏调制效应9、MOSFET的温度特性10、CMOS结构图1、工作原理PolysiliconAluminum3D结构图WLGateDrainSourcen+n+LeffLDrawnLDp-substrateSGDPolyOxideWn+n+线宽(Linewidth),特征尺寸(FeatureSize)指什么？WLLmin、Wmin和tox由工艺确定Lmin：MOS工艺的特征尺寸(featuresize)决定MOSFET的速度和功耗等众多特性L和W由设计者选定通常选取L=Lmin，由此，设计者只需选取WW影响MOSFET的速度，决定电路驱动能力和功耗MOSFET的三个重要几何参数①VGS〈Vthn时下面的结构是N+PN+，耗尽层内是没有自由移动的电荷的。D、S之间没有形成一条电流通道,所以IDS=0。②，VGS=Vthn时由于电场的作用，P—SUB中的少量电子移动到了沟道的顶部。这样就形成了一条电子移动的通道，如果VDS0,就会形成源漏电流IDS。沟道夹断2、阈值电压（ThresholdVoltage）阈值电压是当沟道反型时所需的电压(i.e.将沟道从p型变到n型的电压).阈值电压可按下式计算:其中ms=栅和衬底的接触电势（contactpotentialbetweenthegateandthebulk）F=衬底的静电势(electrostaticpotentialofthesubstrate)Q`bo=耗尽区的电荷(chargeinthedepletionregion)Q`ss=Si/SiO2接触面的电荷(Si/SichargeattheSi/SiO2interface)VSB=源到衬底的电势差(Sourcetobulkvoltage)FSBFoxAsioxssboFmsTHNVCNqCQQV2222对于一般工艺，Vtn=0.83V(NMOS的阈值电压),Vtp=-0.91V(PMOS的阈值电压）,阈值电压由工艺参数决定3、MOSFET的I-V特性(线性区TriodeRegion)晶体管偏置在VGSVTHN,此时沟道已形成.漏源电压(VDS)较小.漏极电流可用下式表示:2V2GSDSDSTHNDVVVILWnKPWhereMOSFETI-V特性(饱和区SaturationRegion)晶体管偏置在VGSVTHN，此时沟道已形成.漏源电压较大(i.e.VDSVGS–VTHN).理想的漏极电流可表示为:2GSV2THNDVILWnKPWhere当晶体管被夹断(pinchoff)时,发生了什么?增大VDS使耗尽区扩大到沟道中.这导致ID随VDS的增加而增大.因此ID可写为:SatDSDScTHNDVVVI_2GS1V2LWnKPWherec是非理想因子，它是考虑了随着漏极电压增加耗尽层加厚而造成的.MOSFETI-VCharacteristics(伏安特性）曲线VGS：栅极和源极的电压差。VDS:漏极和源极的电压差。ID:流过漏极和源极的电流。Vth:器件的阈值电压，当VGS增加到一定的值时，栅极下面的P型半导体会发生反型，形成N型半导体的沟道。此时D和S之间可以有电流流过，这个特定的电压值，称之为值电压。2V2GSDSDSTHNDVVVI线性区(Linear):饱和区(Saturation):SatDSDScTHNDVVVI_2GS1V2LWnKPWhere阈值电压(Thresholdvoltage):FSBFoxAsioxssboFmsTHNVCNqCQQV2222对于一般工艺，Vtn=0.83V(NMOS的阈值电压),Vtp=-0.91V(PMOS的阈值电压）,阈值电压由工艺参数决定截止区：ID=0，VGSVth，VDS〈VGS-VthVDS=VGS-Vth4、MOSCapacitanceMOS电容：由器件本生的构造引起的。Cgs:栅极和源极的寄生电容。（平板电容）Cgd:栅极和漏极的寄生电容。（平板电容）Cgb:栅极和衬底的寄生电容。Cdb:漏极和衬底的寄生电容。(PN结电容）Csb:源极和衬底的寄生电容。(PN结电容）是影响最大的CapacitancevaluesarethesameasAccumulationandCapacitanceiscomprisedofthreecomponentsTOXCoxoxLWCCoxoxTOXWLDLCoxgb2WCGSOWCGDOTOXWCCoxgsgdLD电容值的计算（了解）以上各式中：Eox:氧化层的介电常数。Tox:氧化层的厚度。Cox’：表示单位面积氧化层的电容值。LD：表示栅极和S、D重叠的宽度（由工艺精度决定）。Cap.N+Act.P+Act.PolyM1M2M3UnitsArea(sub.)5269378325108aF/um2Area(poly)541811aF/um2Area(M1)4617aF/um2Area(M2)49aF/um2Area(N+act.)3599aF/um2Area(P+act.)3415aF/um2Fringe(sub.)249261aF/um深亚微米CMOSIC工艺的寄生电容(数据)5、MOSFET的交流小信号模型(AnalogModelfortheMOSFET)MOSFET的高频模拟模型.电容已经在以前提到.ro是输出电阻，gm是栅跨导.CurrentsourcesmodelthegainassociatedwithbiasingthebaseandthebodyoftheMOSFET.Small-SignalModelofMOSFET输入信号的幅度和电源电压相比很小,它在直流偏置工作点附近的变化,可近似认为工作在线性区间(如:).MOS管的小信号模型可以直接从直流模型得出。大多数应用中,MOS管被偏置在饱和区工作。下面仅给出饱和区的小信号参数.沟道导纳gm,gmb和gds,分别称为栅跨导,衬底跨导,漏电导,定义如下:式中，Q表示在静态工作点的值.QBSDSmbvigQDSDSdsvigDSdsDSIiiQGSDSmvigNMOS管的阈值电压VTHN可表示为:饱和区NMOS管的漏极电流IDS可表示为:总的(AC+DC)的漏极电流iDS为:因此:)1(22DSTHNGSDSVVVILWnKP其中FSBFTHNFSBFoxAsioxssboFmsTHNVVVCNqCQQV0222222Small-SignalModelofMOSFETinSaturation)1()(DSTHNgsGSQGSDSmVVvVvig)1()(22DSTHNGSgsGSDSdsDSVVvvVIiiSBFmSBTHNTHNDSQBSDSmbVgvVVivig22)(212DSTHNgsGSQDSDSodsIVvVβvirg6、MOSFET的简单数字模型(ASimpleDigitalModelfortheMOSFET)WLRVVVRnTHNDDLWKPDDnn22以S为公共端，G为信号输入端，D为信号输出端，VGS=VDD。7、衬偏调制效应（体效应）当VBS不等于0时，晶体管的衬底和源区将反偏，耗尽层将变宽。从而提高阈值电压（ＶT)的数值。ＶＴ的变化曲线8MOSFET的温度特性MOSFET的温度特性主要来源于沟道中载流子的迁移率µ和阈值电压VT随温度的变化。载流子的迁移率随温度变化的基本特征是：Tµ由于所以，Tgm阈值电压VT的绝对值同样是随温度的升高而减小：TVTVT(T)(24)mV/°CVT的变化与衬底的杂质浓度Ni和氧化层的厚度tox有关：(Ni,tox)VT(T)TgsoxmVVLWtg9、CMOS的剖面结构图