集成电路设计技术与工具mos原理补充

1、半导体与器件物理山东科技大学信息学院n半导体器件的行为特性n如何用等效电路建立模型二极管(Diode)npn结nn型区施主杂质np型区受主杂质n单向导电性pnBASiO2AlCross-section of pn -junction in an IC process npABAlABdiode symbolDNANpn结的耗尽区n反向偏置(Reverse-biased)n耗尽区（Depletion region)n内建电势本征载流子浓度n结两边每单位空间的总电荷电量相等，极性相反hole diffusionelectron diffusionpnhole driftelectron drift

2、ChargeDensityDistancex+-ElectricalxFieldxPotentialVW2-W1(a) Current flow.(b) Charge density.(c) Electric field.(d) Electrostaticpotential.2ln0iDAnNNTKmVqkTT30026inKcmni300105 . 1310DANWNW21二极管模型n理想方程n导通固定压降VDID = IS(eVD/T 1)+VD+VDonID(a) Ideal diode model(b) First-order diode model) 1(/TDVSDeIIDonV势

3、垒电容（Junction Capacitance)n正向偏置：n反向偏置：n耗尽层电容耗尽区电荷耗尽区宽度最大电场)(2(0DNNNNsiDjVqAQDADA)(0221DNNNNqjVWWWDADAsi)(02DNNNNqjVEDADAsi00/1DjDjVCdVdQjC1020)(DADAsiNNNNqDjAC次级效应-结击穿n耗尽区最大的电场在结点处，有n由于耗尽区附近有少子空穴和电子存在，所有的反偏pn结多会产生一个反向小电流，在电场作用下，少子穿过耗尽区，形成结的漏电流。n当反向偏压继续增加时，最大场强也增大，耗尽区中载流子携带的能量也增加。n在临界区里，穿过耗尽区的载流子携带的能量

4、足以与硅原子碰撞产生新的空穴-电子对。n新产生的载流子能造成雪崩效应，反偏漏电流急剧增大雪崩击穿。2/1)(2max1maxDARDAANNVNqNqNEWE雪崩击穿n结掺杂浓度 临界电场 且随着浓度增加缓慢增加n根据二极管I-V特性，没发生雪崩击穿时正常反偏电流 ，在击穿电压附近，是即反偏电流M为倍增因子，n=36雪崩电流可通过外加电阻来限制v大电流、高功耗永久损坏25.015.05.05.0VD (V)0.1ID (A)0.100Avalanche Breakdown31615/1010cmatomscmV /1035RIRRAMIInBVRVM)(11齐纳击穿n齐纳二极管工作在雪崩区的二

5、极管n齐纳击穿高掺杂的节中，即使反偏电压很小也可能产生很强电场，足以把价电子从共价键中拉出来，该过程为隧道效应稳压金属氧化物场效应管(MOSFET)n开关特性n寄生电容小n集成密度高n低功耗n工艺相对简单MOS管静态特性-基本工作原理n在工作状态下，栅-源电压可以改变栅极下放区域的导电能力，从而使得栅极电压可以控制源极和漏极之间的电流。模拟电路中的增益特性数字电路中的开关特性DSGDSGNMOSEnhancement NMOSDepletionGSDDSGPMOSEnhancementBNMOS withBulk ContactNMOS管剖面图n+n+p-substrateDSGBVGS+-D

6、epletionRegionn-channelMOS管静态特性阈值电压n ，漏极、源极和体接地，漏源电阻极高n当栅极加正向电压时，正电荷积聚在栅极，负电荷在衬底n耗尽区 氧化层下方耗尽层宽度 耗尽区单位面积电量n随着栅极电压增加，硅表面电势达到临界值，即两倍费米值时，会产生反型现象。 栅极电压继续增加不再引起耗尽层宽度变化，而是导致氧化物层下方硅表面的耗尽区中产生一薄层电子层。 反型现象会产生连续的n型区域，包括源区和漏区，并且在栅源之间形成导电沟道。 增加或减少栅源电压，可调整沟道的导电能力。 此时耗尽区中电子密度是定值： 源极和衬底间加偏置电压，则当硅表面电势达到TV0GSV1210AqN

7、dW2AdAqNWqNQ2FABqNQ220)2(SBFV)2(2SBFABVqNQ阈值电压n开始形成反型层的电压叫阈值电压n 包含以下几个分量 维持耗尽层电荷 所需电压 栅极金属与硅之间存在工作压差 硅表面氧化物中存在正电荷 ，由栅源电压分量来补偿 其中： 是 时的阈值电压 栅极氧化物单位面积电容量TVBQ)/(2oxBfCQmsssQ)22(20fSBfTCQCQfmsTVVVoxssoxB0TV0SBVoxCoxoxtoxCAtmfFCVoxox100,/45. 3,5 . 022/1ACNqox21TV漏极电流n当 时，产生反型现象，导电沟道形成-场效应 ，水平电场强度为0，漏源电流也

8、为0 ，产生水平电场，产生漏电流oxoxndtoxnDSDSTGSLWkDdydVndyvdyTGSoxIIdtdQDCkVVVVIyEyEyvdtVyVVCyQWdyQdQI)(2)(, )()(, )()(22)(TGSVV0DSV0DSVDI沟道夹断（pinch-off)n漏源电压继续增加，漏极导电沟道将会消失-夹断n夹断区，沟道的水平电场强度与漏源电压无关，与整个沟道上压降有关n饱和区n+n+SGVGSDVDS VGS - VTVGS - VT+-TGSDSVVV)(TGSVV22)(TGSLWkDVVI沟道长度调制（Channel-length Modulation)n由于沟道漏极夹

9、断点和漏区本身中间存在耗尽区，所以夹断区漏极电压的变化对漏极电流的影响很小。n漏源电压增加引起漏区的耗尽层增加，有效沟道长度减少。n设耗尽层宽度为 ，则有效沟道长度为n夹断区电流：n厄尔利电压：nMOS管：沟道长度调制效应参数， n考虑沟道长度调制效应，有dXdeffXLL22)(TGSLWkDVVIeff1/)(DSdDSDDdVdXeffVIIALVAV1)1 ()()1 ()(2222DSTGSLWkVVTGSLWkDVVVVVIADS1005. 005. 0VNMOS管大信号等效模型I-V特性00.511.522.50123456x 10-4VDS (V)ID (A)VGS= 2.5

10、VVGS= 2.0 VVGS= 1.5 VVGS= 1.0 VResistive SaturationVDS = VGS - VTLong ChannelGSDVVSI00.511.522.50123456x 10-4VGS (V)ID (A)00.511.522.500.511.522.5x 10-4VGS (V)ID (A)quadraticquadraticlinearLong ChannelShort ChannelPMOS管I-V特性-2.5-2-1.5-1-0.50-1-0.8-0.6-0.4-0.20 x 10-4VDS (V)ID (A)假设所有变量为负值!VGS = -1.0

11、VVGS = -1.5VVGS = -2.0VVGS = -2.5VMOS器件电压限制n结击穿n穿通击穿n热载流子效应n氧化物击穿MOS管小信号模型n利用小信号模型简化电路增益以及终端电阻的计算n如图所示MOS管， 工作在饱和区或放大区dDdiII跨导nMOS管跨导 假设 ，有过载电压MOS模拟电路设计挑战：低跨导-电流率n栅源电压变化引起漏极电流变化 大信号模型假设 ，有 小于过载电压的20%，小信号分析误差小于10%mg)1)(DSTGSLWVImVVVkgGSD1DSVDLWTGSLWmIkVVkg2)()/( 2LWkITGSovDVVVTGSDmVVIg21 )()()(222TGS

12、iVVviTGSLWDddTiGSLWkdvVVkIIiVvVIoviVv2imdvgi GSiVv栅源、栅漏固有电容n在一定工作模式下，器件的电容是固有的n在可变电阻区，导电沟导贯通在源极和漏极之间，n在饱和或放大区，沟道在达到漏区之前就被夹断，因此漏极电压对沟道以及栅极电荷影响很小， 设沟道中存储的总电荷数 ，gdgsCC ,2WLCgdgsoxCC0gdCTQ0)()(32320gdoxVQgsTGSoxTTLGSoxTCWLCCVVWLCQdyVyVVWCQGST输入电阻和输出电阻nMOS管中，栅极与沟道间有 绝缘层，因此低频时栅极电流为0，即输入电阻无穷大。n由于沟道长度调制效应，漏

13、极电流随漏源电压增加而增加，2SiOoIIVIVDSVIDrVIDDADDSDSD1MOS管的基本小信号模型n混合 模型n物理解释：因为增加栅源电压就会增加沟道的导电性，从而使漏极电流增加n在NMOS管中，直流漏电流 是由漏极流向源极，因此增加栅源电压同样会增加总的漏极电流 。DIdI衬底效应和衬底跨导n衬底效应(次栅效应)栅源电压-垂直电场强度-导电沟道导电能力-漏极电流衬底源电压 -阈值电压 - 栅源电压 -漏极电流n衬底与固定电压源相接小信号电源或交流接地点衬底电压固定时，源极的变化改变衬底源电压n当衬底源电压值不为常数时，MOS管由两个跨导来表征mbg3 . 01 . 0,)1)(22

14、)2(2)/( SBfmmbSBfDBSTBSDVggVILWkmbVVDSTGSLWVImbgVVVkg小信号模型的寄生单元n正常工作模式下，MOS管中所有的pn结都必须反向偏置，且每个pn结都会表现出与耗尽区相关的依赖于电压的寄生电容n低频工作时,忽略寄生电阻考虑寄生单元的小信号模型n低频情况下，忽略寄生电阻MOS管频率响应n特征频率 ：简化放大电路中共源电流增益降到单位值时的频率。n高频特性由小信号模型中电容因素来控制的 直流栅极电流为零； 高频特性中栅极电流随频率的增加而增加。Tfn ， 对计算没有影响忽略n小信号输入电流 忽略流过 的电流， 为了计算频率响应，令 ，则 当 时，小信号

15、电流增益为单位值特征频率：假设 器件固有电容 远大于 有在亚微型MOS工艺中，偏离平方定律，即0dbsbvvdbsbombCCrg,gsgdgbgsivCCCsi)(gdCgsmovgi js )(gdgbgsmioCCCsgiigdgbgsmCCCgTgdgbgsmCCCgTTf2121gsC)(gdgbCC)(5 . 122TGSLTVVfn1 LfT短沟道效应（short-channel effect)nMOS管沟道长度小于1um时，就会显示出显著的短沟道效应 MOS管在饱和区和放大区的经典平方律传输特性变得更加线性 要修改前面给的模型 主要来源于水平场中的速率饱和00.511.522.

16、50123456x 10-4VGS (V)ID (A)00.511.522.500.511.522.5x 10-4VGS (V)ID (A)quadraticquadraticlinearLong ChannelShort Channel短沟道效应-水平场中的速率饱和n当MOS管工作在三极管区时，沿沟道的平均水平电场强度 当 较小或L大时，水平电场强度较低，载流子速度与场强建的线性关系成立 当场强很高时，载流子速率达到热力学速率后，载流子加速度会随着场强的增加而降低，漂移速率会达到一个常数 极限散射速率 沿沟道较小的电势差就可以产生一个平均强度为 的电场LVDS/DSVsclV)()(yEyv

17、ndcnEEEdv/1cE (V/m)c = 1.5un (m/s)usat = 105Constant mobility (slope = )Constant velocityIDLong-channel deviceShort-channel deviceVDSVDSATVGS - VTVGS = VDDI-V特性-4VDS (V)00.511.522.500.511.522.5x 10ID (A)VGS= 2.5 VVGS= 2.0 VVGS= 1.5 VVGS= 1.0 V00.511.522.50123456x 10-4VDS (V)ID (A)VGS= 2.5 VVGS= 2.0 VVGS= 1.5 VVGS= 1.0 VResistive SaturationVDS = VGS - VTLong ChannelShort Channel短沟道效应-跨导和特征频率n跨导 忽略饱和速率时 计算饱和速率时n特征频率 饱和速率前， 随 的增加而增加 饱和速率时， 反比于沟道长度)(limTGSLWmEVVkgcscloxmEvWCgc0limLvWLCvWCCgTscloxscloxgsmf21T