MOS器件瞬态特性

1、4 MOSFET的瞬态特性的瞬态特性瞬态特性瞬态特性外加电压随时间变化时器件的特性外加电压随时间变化时器件的特性频率特性频率特性外加电压变化的幅度很小外加电压变化的幅度很小（小信号特性）（小信号特性）开关特性开关特性外加电压变化幅度较大外加电压变化幅度较大（大信号特性）（大信号特性）器件的电容效应决定了器件的电容效应决定了MOSFET的动态特性的动态特性4.1、频率特性、频率特性分析方法：分析方法：建立小信号等效电路建立小信号等效电路导出低频小信号参数，然后建立电容模型，导出低频小信号参数，然后建立电容模型，最后考虑寄生效应最后考虑寄生效应基本假设：基本假设：准静态近似准静态近似 端电压和端电

2、压的变化是同步的，即任一端电压和端电压的变化是同步的，即任一时刻端电压和端电流瞬时值间的关系与该时刻端电压和端电流瞬时值间的关系与该时刻的直流电流和电压之间的函数关系相时刻的直流电流和电压之间的函数关系相同。同。小信号参数（小信号参数（1）1.栅跨导（栅跨导（Transconductance）u定义定义：u利用一级模型求解栅跨导利用一级模型求解栅跨导l线性区线性区:l饱和区饱和区：u增加栅跨导的主要方法：增加栅跨导的主要方法：F减小减小Tox,提高提高,增加宽长比增加宽长比*实际器件在线性区，实际器件在线性区，gm随随VGS变化，且在低变化，且在低VGS时时gm最大最大*DSmVg )(TnG

3、SmVVg .ContVVGSDSmBSDSVIg 、小信号参数（小信号参数（2）2.漏电导漏电导u定义定义：u利用一级模型求解漏电导利用一级模型求解漏电导线性区线性区饱和区漏电导饱和区漏电导l长沟道理论：长沟道理论：l考虑到考虑到CLM:.ContVVDSDSdsBSGSVIg 、)(DSTnGSdsVVVg 0 dsg 250)(.TnGSdsVVg 3.衬底跨导衬底跨导：u代表了衬底偏压对漏电流的控制能力代表了衬底偏压对漏电流的控制能力u衬底偏压通过体电荷影响漏电流衬底偏压通过体电荷影响漏电流在栅压不变时，在栅压不变时，VBS改变了表面空间电荷区中反型改变了表面空间电荷区中反型层电荷和体

4、电荷之间的分配层电荷和体电荷之间的分配u利用一级模型计算利用一级模型计算gmb .)(SatuVVVVVOhmicVVVgSBTnDSTnGSSBTnDSmb DSBSfoxbVVCQ 2maxContVVBSDSmbDSGSVIg ,SBTnmmbVVgg 小信号参数（小信号参数（3）低频小信号等效电路低频小信号等效电路（f1kHz） GDSBgsmVgdsgbsmsVggsVbsVVgs，Vbs：交流小信号值：交流小信号值BSmbDSdsGSmDSVgVgVgI bsmbdsdsgsmdsVgVgVgi n nsubstratep 1C2C3C4CBDCBSCMOSFET的电容的电容本征部

5、分本征部分:电荷：电荷：QG,QI,QB电容：电容：C1,C2寄生电容寄生电容:C3,C4CBS,CBD GQIQBQ本征电容本征电容: 栅和沟道之间的氧化层电容栅和沟道之间的氧化层电容C1 表面空间电荷区电容表面空间电荷区电容C2非本征电容（寄生电容）非本征电容（寄生电容） 源和漏源和漏PN结电容结电容C5、C6 覆盖电容覆盖电容 栅对源漏区的覆盖引起的电容栅对源漏区的覆盖引起的电容 C3、C4MOSFET的电容的电容MOSFET电容本征电容电容本征电容本征电容本征电容与本征电荷相联系，由栅氧化层电容和半导体表面与本征电荷相联系，由栅氧化层电容和半导体表面空间电荷区电容串连组成的。空间电荷区

6、电容串连组成的。p总的栅电荷总的栅电荷p总的反型层电荷总的反型层电荷p总的体电荷总的体电荷由于单位面积的本征电荷沿沟道方向分布不均匀，由于单位面积的本征电荷沿沟道方向分布不均匀，因此因此MOST的本征电容是分布电容。的本征电容是分布电容。通常把这些分布电容集总，简化为通常把这些分布电容集总，简化为MOST栅、源、栅、源、漏、体任意两端之间的集总电容。漏、体任意两端之间的集总电容。 LgGdyyQWQ0)( LiIdyyQWQ0)( LbBdyyQWQ0)(0 BIGQQQ本征电容本征电容Meyer Model栅沟道之间的分布电栅沟道之间的分布电容被分解为三个集总电容被分解为三个集总电容：容：栅

7、源电容栅源电容栅漏电容栅漏电容栅体电容栅体电容.,ContVVGSGGSGBGDVQC .,ContVVGDGGDGBGSVQC .,ContVVGBGGBGDGSVQC GBGSCGDCGBCBSGSGBDSGSGDVVVVVV 假设假设 MOSFET电容电容是互易的；是互易的； 单位面积单位面积的体电荷的体电荷QB沿沟道方向沿沟道方向为常数为常数*。bLiLbLiGWLQdyYQWdyYQWdyYQWQ 000)()()(电荷方程电荷方程Strong InvesionbTnGSTnGDTnGSTnGDoxGWLQVVVVVVVVWLCQ )()()()(223332线性区：线性区：饱和区：

8、饱和区：bTnGSoxGWLQVVWLCQ 32（亚阈值区）（亚阈值区）Weak Invesion )(FBGBoxGVVWLCQ 2241121 本征电容本征电容Meyer ModelMeyer Model 电容的表示式电容的表示式线性区：线性区：oxTnGSGDTnGDoxGSGGSWLCVVVVVWLCVQC21213222 )()(oxTnGSGDTnGDoxGDGGDWLCVVVVVWLCVQC21213222 )()(0 GBGGBVQC饱和区：饱和区：oxGSGGSWLCVQC32 0 GDC0 GBC亚阈值区：亚阈值区：0 GDGSCC21241 )(FBGBoxGBGGBVV

9、WLCVQC 0DSVGSVOffSaturationLinearGBCGSCGDC0 BSDSVContV.oxWLC21oxWLC32oxWLCTVTnDSVV Voltage dependence of intrinsic capacitance as a funcation of VGSMeyer ModelMeyer Model 的缺点的缺点计算时电容的突变造成电荷不守恒计算时电容的突变造成电荷不守恒Meyer Model ：tVVCi )( 2121ttttdVvCidtQ)(实际计算时：实际计算时：)(tttCCCVCQ 21 CdVVCdQ这使得这使得Meyer Model 不

10、适合于模拟动态不适合于模拟动态RAM和开关电容和开关电容更精确的电容模型：更精确的电容模型：基于电荷的电容模型基于电荷的电容模型MOSFET的非本征电容的非本征电容栅覆盖电容栅覆盖电容Overlay Capacitance有效沟道长度有效沟道长度LeffLDLLMeff2 有效沟道宽度有效沟道宽度WeffWWWMeff 2MOSFET的非本征电容的非本征电容MOSFET的栅覆盖电容的栅覆盖电容 栅源覆盖电容栅源覆盖电容C3定义定义CGSO单位栅宽的覆盖电容单位栅宽的覆盖电容:C3=CGSOW 栅源覆盖电容栅源覆盖电容C4定义定义CGDO单位栅宽的覆盖电容单位栅宽的覆盖电容:C4=CGDOW 栅

11、体覆盖电容栅体覆盖电容C5定义定义CGBO单位栅长的覆盖电容单位栅长的覆盖电容:C5=CGBOdovl如何减小覆盖电容？如何减小覆盖电容？采用自对准工艺采用自对准工艺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的非本征电容的

12、非本征电容源漏源漏PN结电容由两结电容由两部分构成部分构成 底板电容底板电容CJ 侧壁电容侧壁电容CJSWBottomSide wallSide wallChannelSourceNDChannel-stop implant NA1SubstrateNAWxjLSWCWLCWLCCCCjswSjswSjSWbottomdiff212 )(同时包括本征电容和非本征电容的同时包括本征电容和非本征电容的MOSFET等效电路（等效电路（Meyer Model）高频小信号等效电路高频小信号等效电路0GDCGDSBgsmVgdsgbsmsVgBDCBSCGBC0GSCGSCGDC0GBC bsV gsV频

13、率限制因素与截止频率频率限制因素与截止频率频率限制因素频率限制因素 载流子沟道输运时间（渡跃时间）载流子沟道输运时间（渡跃时间） 对电容的充放电时间对电容的充放电时间载流子沟道输运时间载流子沟道输运时间)(TnGSsLytrVVLdyT 2034由上述公式计算得到的渡跃时间所对应的频率远由上述公式计算得到的渡跃时间所对应的频率远大于实际大于实际MOSFET的最大频率，因而实际的最大频率，因而实际MOSFET的频率限制因素与渡跃时间关系不大，的频率限制因素与渡跃时间关系不大，而主要取决于对电容的充放电时间。而主要取决于对电容的充放电时间。截止频率（截止频率（1）截止频率截止频率fTu定义：器件电

14、流增益为定义：器件电流增益为1时的频率时的频率u求解方法：应用等效电路求解方法：应用等效电路di)(VdsVgsCjVCjiGDgsGSi 0 )(gsdsGDgsmLdsVVCjVgRV GDSgsmVgGSCGDC gsVLRii dsV截止频率（截止频率（2）由上述两式消去由上述两式消去Vd,得到得到gsLmGDGSiVRgCCji)( 1 负载电流为负载电流为gsmdVgi 电流增益为电流增益为)(LmGDGSmidRgCCfgii 12 截止频率截止频率GmLmGDGSmTCgRgCCgf 212 )(饱和区本征截止频率饱和区本征截止频率*22 LVVfTnGSsT )( GDSgsmVgGSCGDC gsVLRii dsV截止频率（截止频率（2）提高截止频率的方法提高截止频率的方法n减小沟道长度减小沟道长度n提高载流子迁移率提高载流子迁移率n在结构和工艺上尽量减小寄生电容（电阻）在结构和工艺上尽量减小寄生电容（电阻） 特别是栅的覆盖电容特别是栅的覆盖电容222LVVCgfTnGSsGmT )( BgsRMOSFET的开关特性的开关特性u开关特性研究开关特性研究MOSFET工作在数字电路的性能，着重工作在数字电路的性能，着重讨论开关速度（延迟时间）讨论开关速度（延迟时间）u数字电路的开关速度取决于两种延迟机构：数字电路的开关速度取决于两种延迟机构：l 本征延迟（传输延