大规模集成电路第3章 MOS集成电路器件基础

第三章MOS集成电路器件基础3.1MOS场效应管(MOSFET)的结构及符号3.2MOS管的电流电压特性3.3MOS电容3.4MOS管的Spice模型参数3.5MOS管小信号等效电路3.1MOS场效应管(MOSFET)的结构及符号3.1.1NMOS管的简化结构NMOS管的简化结构如图多晶硅GSD氧化层LeffLdrawnN£«N£«PÐͳĵ×LDW器件制作在P型衬底上两个重掺杂N区形成源区和漏区，重掺杂多晶硅区(Poly)作为栅极一层薄SiO2绝缘层作为栅极与衬底的隔离NMOS管的有效作用就发生在栅氧下的衬底表面——导电沟道(Channel)上。宽长比(W/L)和氧化层厚度tox(a)PMOS管；(b)NMOS管N＋P＋P＋BSGDN型衬底(a)BSGDP＋N＋N＋P型衬底(b)UDD3.1.2N阱及PMOS为了使MOS管的电流只在导电沟道中沿表面流动而不产生垂直于衬底的额外电流，源区、漏区以及沟道和衬底间必须形成反偏的PN结隔离，因此，NMOS管的衬底B必须接到系统的最低电位点(例如“地”)，而PMOS管的衬底B必须要接到系统的最高电位点(例如正电源UDD)。衬底的连接如图所示。互补型CMOS管N阱中的PMOSP＋N＋N＋BSGDP型衬底P＋GP＋DN＋BN阱S在互补型CMOS管中，在同一衬底上制作NMOS管和PMOS管，因此必须为PMOS管做一个称之为“阱(Well)”的“局部衬底”。MOS管常用符号DBSGNMOSSBDGPMOS(a)DNMOSBGSSPMOSBGD(b)DSNMOSSDGPMOS(c)DNMOSGSSPMOSGD(d)G3.1.3MOS管符号增强型MOS管的4种常用符号如图所示，其中NMOS管的衬底B应接地，PMOS管的衬底B接UDD。3.2MOS管的电流电压特性3.2.1MOS管的转移特性其中UTHN(UTHP)为开启电压，或称阈值电压(ThresholdVoltage)。在半导体物理学中，NMOS的UTHN定义为界面反型层的电子浓度等于P型衬底的多子浓度时的栅极电压。－uGSiD－iDPMOSuGSUTHPUTHNNMOSO3.2.2MOS管的输出特性增强型NMOS管的输出特性如图所示。栅极电压超过阈值电压UTHN后，开始出现电流且栅压uGS越大，漏极电流也越大的现象，体现了栅压对漏极电流有明显的控制作用。漏极电压UDS对漏极电流ID的控制作用基本上分两段，即线性区(Linear)和饱和区(Saturation)。线性区饱和区(恒流区)IDUGS＝5VUGS＝2.5VUGS＝1.5VUDSO线性区饱和区(恒流区)IDUGS＝5VUGS＝2.5VUGS＝1.5VUDSO线性区和恒流区是以预夹断点的连线为分界线的(图中虚线所示)。在栅压UGS一定的情况下，随着UDS从小变大，沟道将发生变化。若UDS=UGS-UTH,则沟道在漏区边界上被夹断，因此该点电压称为预夹断电压。在此点之前，即UDSUGS-UTH，管子工作在线性区，此时UDS增大，ID有明显的增大。在预夹断点之后，即UDSUGS-UTH，管子工作在恒流区，此时UDS增大，大部分电压降在夹断区，对沟道电场影响不大，因此电流增大很小。电流源区(N＋)漏区(N＋)反型层UDS＜UGS－UTH(线性区)UDS＝UGS－UTH(预夹断)UDS＞UGS－UTH(恒流区)电流电流源区(N＋)源区(N＋)漏区(N＋)漏区(N＋)线性区饱和区(恒流区)IDUGS＝5VUGS＝2.5VUGS＝1.5VUDSO非饱和区I-V特性(线性区)(0VDSVGS-VTN)/dJ=QvL1J=EEnvE/ndJQEL→/ndQLLdWQdR=dy∙/sdy反型层()[()]oxGSTNQyCVVVy()dndndydydRdyLsQWLQyW()()DSDSnIdydVyIdRQyW1dnLQ3.2.3MOS管的电流方程00()DSLVDSnoxGSTNIdyWCVVVdV两边做定积分'2[2()]2DSGSTNDSDSKWIVVVVL'0noxnoxoxKCt'NWKL－NMOS器件增益系数21[()]2DSNGSTNDSDSIVVVV与工艺相关的与设计相关的()()DSDSnIdydVyIdRQyW－NMOS器件跨导系数饱和区I-V特性(0VGS-VTNVDS)GSTNDSVVV22'()()22NDSGSTNGSTNKWIVVVVL如果忽略沟道长度缩短(L比较大)，则：线性区此式常用于人工估算电路性能。在亚微米以下，考虑沟道长度缩短deffdDSDSdXLLXLVdV'2()2DSGSTNeffKWIVVL'22()2effDSGSTNDSeffDSdLIKWVVVLdV由上两式：在Xd＝0(Leff=L)处：0dDSDSdXDSDSIIdXVLdV定义厄雷电压：1()/DSdADSDSDSIdXVLLVdV定义沟道长度调制系数：1/AV(1)deffDSDSDSdXLLVLVdV21111()DSeffDSVLVL∵VDS1，忽略上式的二次项：11(1)DSeffVLL∴得到：'2()(1)2DSGSTNDSKWIVVVL较为精确的二级近似模型。一级近似，不考虑沟道长度调制效应IDS不随VDS变化，输出电阻无穷大。二级近似，考虑沟道长度调制效应，IDS随VDS变化，沟道长度调制系数通常由实验数据得到。沟道长度调制效应所引起的饱和区有限斜率截至区VGS-VTN≤0，没有形成沟道，晶体管不导通。IDS=0NMOS晶体管I-V特性－总结截至区：VGS-VT≤0线性区：0VDSVGS-VT饱和区：0VGS-VT≤VDS'2()(1)2DSGSTNDSeffKWIVVVL00.511.522.50123456x10-4VDS(V)IDS(A)VGS=2.5VVGS=2.0VVGS=1.5VVGS=1.0V线性区饱和区VDS=VGS-VT截至区VGSGSDBVDSIDS'2()(1)2DSGSTNDSKWIVVVL'2[2()]2DSGSTNDSDSKWIVVVVL0DSINMOStransistor,0.25um,Ld=10um,W/L=1.5,VDD=2.5V,VT=0.4V定义：过驱动电压VOD=VGS－VTPMOS在截止区、线性区、恒流区的电流方程：)1(2])(2[2022DSpTHPGSoxpDSDSTHPGSoxPDPUUULWCUUUULWCI|UGS||UTHP|(截止区)|UDS||UGS|-|UTHP|(线性区)|UDS||UGS|-|UTHP|(恒流区)可知，电流与宽长比(W/L)成正比。UTHN、UTHP——开启电压(阈值电压)。假设UDD=5V，则增强型NMOS管：UTHN≈(0.14～0.18)UDD≈0.7～0.9V增强型PMOS管：UTHP≈-0.16|UDD|≈-0.8V耗尽型MOS管：UTH≈-0.8UDD≈-4Vλn、λp——沟道调制系数，即UDS对沟道长度的影响。对NMOSVUVUApAn/02.01/01.01对PMOS沟道调制系数λ=1/UAUA(厄尔利电压)OiDUGSuDS对于典型的0.5μm工艺的MOS管，忽略沟道调制效应，其主要参数如表所示。表3-10.5μm工艺MOS管的典型参数假定有一NMOS管，W=3μm,L=2μm,在恒流区则有:AVVmmVAUULWKIVUTHGSDGS93)7.02(23/7321)(22222若UGS=5V,则mAVVmmVAID0.1)7.05(23/7321223.2.4MOS管的输出电阻1.线性区的输出电阻根据线性区的电流方程，当UDS很小(UDS2(UGS-UTH))时，可近似有DSHTGSoxnDSDSHTGSoxnDUUULWCUUUULWCI)(])(2[22输出电阻RON为)(1THGSoxnDDSONUULWCIUR2.恒流区的输出电阻DQADQnTHGSoxnnDDSONIUIUULWCIUR1)(212若UA=200V,工作点电流ID=1mA，则kmVVIURDQAON2001200工作点越低，IDQ越小，输出电阻越大。2(1)2noxDNGSTHNnDSCWIUUUL3.2.5MOS管的跨导gm恒流区的电流方程在忽略沟道调宽影响时为平方律方程，即22THGSoxnDUULWCI那么UGS对ID的控制能力参数gm为THGSDDoxnTHGSoxnGSDmUUIILWCUULWCUIg22)(可见，在W/L不变的情况下，gm与(UGS-UTH)成线性关系，与ID的平方根成正比；在ID不变的情况下，gm与(UGS-UTH)成反比。其变化曲线分别如图所示。2()2DDmnoxGSTHnoxDGSGSTHIIWWgCUUCIULLUUgm随电压(UGS-UTH)和漏电流ID的变化关系曲线gmOUGS－UTHgmOID(W/L)不变(W/L)不变(a)(b)gmOID不变(c)UGS－UTH3.2.6体效应与背栅跨导gmb前面所有结论是在衬底与源极等电位的前提下得出来的，但在集成电路中，在同一硅片衬底上要做许多管子，为保证它们正常工作，一般N管的衬底要接到全电路的最低电位点,P管的衬底接到最高电位点UDD。但是，有些管子的源极与衬底之间存在电位差，而且，其PN结反偏，即UBS0。UBS0的MOS管（V2）V2V1G2G1S2B1S1UDDB2当UBS0时，沟道与衬底间的耗尽层加厚，导致阈值电压UTH增大，沟道变窄，沟道电阻变大，iD减小，人们将此称为“体效应”、“背栅效应”或“衬底调制效应”。考虑体效应后的阈值电压UTH为BSTHOTHUUU2式中：UTHO——UBS=0时的阈值电压；γ——体效应系数，γ的典型值在0.3V1/2～0.4V1/2之间。UBS0的MOS管（V2）V2V1G2G1S2B1S1UDDB2引入背栅跨导gmb来表示UBS对漏极电流的影响，其定义为BSDmbUIg通常用跨导比η来表达背栅跨导gmb与栅跨导gm的关系：2.0~1.0mmbgg式中的gm为栅跨导(gm=ID/UGS)。UBS0的MOS管（V2）V2V1G2G1S2B1S1UDDB23.2.7场效应管亚阈区特性实验和理论证明，MOS管在弱反型层向强反型层过渡的区域已经存在电流，不过该电流很小，因此通常人们认为只有当栅压UGS超过阈值电压UTH后才出现电流。UGSUTH，即弱反型层向强反型层过渡的区域称为“亚阈区”。在亚阈区，MOS管的电流电压关系不符合“平方律”关系，而符合指数关系，这一点与双极型管的电流电压特性相似。同样，通过实验与理论可以证明亚阈区的电流电压关系为TTHGSnUUUDDeLWII03.2.8沟道尺寸W,L对UTH和特征频率fT的影响一般情况下，人们将沟道长度L3～4μm的MOS管称为“长沟道”，将L3μm的MOS管称为“短沟道”，而将L(W)1μm的MOS管的制作工艺称为亚微米工艺。1.L、W尺寸对UTH的影响在长沟道器件中，阈值电压UTH与沟道长度L和沟道宽度W的关系不大；而在短沟道器件中，UTH与L、W的关系较大。如图所示，UTH随着L的增大而增