集成电路中的器件及模型chap3-1

1、MOSMOS晶体管结构和基本原理晶体管结构和基本原理MOSMOS中二级效应中二级效应MOSMOS晶体管的模型参数晶体管的模型参数MOSMOS晶体管的电阻和电容晶体管的电阻和电容 第第3 3章章 集成电路中的元器件集成电路中的元器件2MOSFET(MOS):MOSFET(MOS):?metal-oxide-semiconductor field-effect transistor.metal-oxide-semiconductor field-effect transistor.（金属氧化物半导体场效应管）（金属氧化物半导体场效应管）主要性能主要性能( (从数字设计观点从数字设计观点): ):?

2、执行开关功能执行开关功能; ;?非常小的寄生效应非常小的寄生效应; ;?非常高的集成非常高的集成; ;?相对简单的制造工艺相对简单的制造工艺3.13.1 器件的工作原理器件的工作原理DBSGNMOSSBDGPMOS(a)DNMOSBGSSPMOSBGD(b)DSNMOSSDGPMOS(c)DNMOSGSSPMOSGD(d)G增强型增强型MOSMOS管的管的4 4种常用符号如图所示，种常用符号如图所示， 其中其中NMOSNMOS管的衬底管的衬底B B应接地，应接地， PMOSPMOS管的衬底管的衬底B B接接V VDDDD。MOSMOS晶体管类型和符号晶体管类型和符号EE1414n+n+p-su

3、bstrateDSGBVGS+-DepletionRegionn-channelMOSMOS管阈值电压管阈值电压NMOSNMOS晶体管晶体管V VGSGS为正，为正，显示耗尽区和感应的沟道显示耗尽区和感应的沟道MOSMOS管阈值电压管阈值电压( (The Threshold Voltage)The Threshold Voltage)衬底费米势衬底费米势功函数差功函数差表面电荷表面电荷衬偏效应系数衬偏效应系数耗尽层电荷耗尽层电荷6体偏置对阈值电压的影响体偏置对阈值电压的影响-2.5-2-1.5-1-0.500.40.450.50.550.60.650.70.750.80.850.9VBS (V

4、)VT (V)VF6 . 025 . 04 . 0 V衬偏效应衬偏效应系数系数)2)2(0FSBFTTVVV当源与体之间加上一个衬底偏置电压时（对于当源与体之间加上一个衬底偏置电压时（对于N N管，管，V VSBSB为正）为正）阈值电压与材料常数如氧化层厚度、费米电势、注入离子剂量等有关阈值电压与材料常数如氧化层厚度、费米电势、注入离子剂量等有关7晶体管线性区晶体管线性区n+n+p-substrateDSGBVGSxLV(x)+VDSIDMOS transistor and its bias conditions8电阻工作区电阻工作区WxQxvIinD)()(dxdVxExvnnn)()(WV

5、xVVCdxdVITgsxonD)(2)(2)(22DSDSTgsnDSDSTgsxonDVVVVLWkVVVVLWCITgsoxiVxVVCxQ)()(oxoxoxtC在点在点x x处所感应出的每单位面积的沟道电荷处所感应出的每单位面积的沟道电荷C Coxox：栅氧的单位面积电容：栅氧的单位面积电容t toxox：氧化层厚度：氧化层厚度Vn(x):Vn(x):载流子的漂移速度载流子的漂移速度：沟道宽度：沟道宽度n:n:迁移率的参数迁移率的参数在沟道全长上积分得到电在沟道全长上积分得到电压压电流关系电流关系增益因子增益因子当当V VDSDS的值较小时，的值较小时，V VDSDS和和I ID D

6、成线性关系，称电阻区或线性区成线性关系，称电阻区或线性区电流为载流子的漂移速度和所存在电荷的乘积电流为载流子的漂移速度和所存在电荷的乘积LWkknn工艺跨导工艺跨导9饱和区饱和区n+n+SGVGSDVDS VGS - VTVGS - VT+-2)(2)(22DSDSTgsnDSDSTgsxonDVVVVLWkVVVVLWCI夹断夹断GSTDSVVV用代替22TGSnDVVLWkII ID D与与V VGSGS间存在平方关系，相当于一个理想电流源，与间存在平方关系，相当于一个理想电流源，与V VDSDS无关无关MOSFETMOSFET的电流与电压的关系（长沟道）的电流与电压的关系（长沟道）线性区

7、：线性区：工艺跨导参数工艺跨导参数饱和区饱和区沟长调制沟长调制11沟道长度调制沟道长度调制22TGSnDVVLWkI)1 ( DSDDVII:沟长调制系数沟长调制系数与沟长成反比，对于沟长较短的晶体与沟长成反比，对于沟长较短的晶体管，沟道的调制效应也更加显著。管，沟道的调制效应也更加显著。 导电沟道有效长度由所加导电沟道有效长度由所加DSDS调制，增加调制，增加DSDS使漏结使漏结耗尽区加大，从而缩短，当长度耗尽区加大，从而缩短，当长度L L减小时电流会增加减小时电流会增加QuadraticRelationship平方关系00.511.522.50123456x 10-4VDS (V)ID (

8、A)VGS= 2.5 VVGS= 2.0 VVGS= 1.5 VVGS= 1.0 V电阻区饱和VDS = VGS - VTMOSFET的电流与电压的关系（长沟道）的电流与电压的关系（长沟道）3.2 3.2 MOS MOS 器件中的二级效应器件中的二级效应13（一）短沟效应：（一）短沟效应：（1 1 ）有效沟道长度：）有效沟道长度： （2 2 ）耗尽电荷共享）耗尽电荷共享沟道耗尽电荷沟道耗尽电荷= = 栅耗尽区栅耗尽区+ + 源漏耗尽区源漏耗尽区短沟道因为梯形下面积较小，短沟道因为梯形下面积较小，所以阈值电压也相应减小所以阈值电压也相应减小14（二）窄沟效应（二）窄沟效应（1 1 ）有效沟道宽度

9、：）有效沟道宽度： 1. 1. 鸟嘴鸟嘴2. 2. 场注场注（2 2 ）沟宽方向上的边缘场使耗尽电荷增加）沟宽方向上的边缘场使耗尽电荷增加15（三）迁移率变化（三）迁移率变化（1 1 ）影响迁移率的因素）影响迁移率的因素1. 1. 载流子的类型载流子的类型2. 2. 随掺杂浓度增加而减小随掺杂浓度增加而减小3. 3. 随温度增加而减小随温度增加而减小4. 4. 随沟道纵向、横向电场增加而减小随沟道纵向、横向电场增加而减小（2 2 ）迁移率的纵向电场退化）迁移率的纵向电场退化（3 3 ）迁移率的横向电场退化）迁移率的横向电场退化16（4 4）速度饱和）速度饱和x x (V/m)x xc （临界电

10、场）（临界电场）u un (m/s)u usat = 105迁移率为常数迁移率为常数 (斜率斜率= )速度为常数速度为常数dxdVxExvnnn)()( 短沟道器件当沟道电场达到某一临界值时，载流子短沟道器件当沟道电场达到某一临界值时，载流子的速度将由于散射效应而趋于保和，速度饱和时对应的速度将由于散射效应而趋于保和，速度饱和时对应的电压为的电压为V VDSatDSat迁移率迁移率参数参数17饱和速度饱和速度V V 的计算：的计算：BSIMv3 BSIMv3 取精确的取精确的n n 值并采用台劳级数值并采用台劳级数逐段线性近似：逐段线性近似：n n 为为2 2 时不易求解时不易求解E E手工计

11、算时可取手工计算时可取n n 1 1 （足够精确）（足够精确）考虑两个区域连续时：考虑两个区域连续时：载流子速度载流子速度18迁移率减小时的电流电压关系：迁移率减小时的电流电压关系：VDS= VDSat时达到速度饱和：时达到速度饱和：（此时（此时E =EC ）当当V GS-V Th EcL ( VGS 1V) 时，时，V DSat 接近接近V GS-V Th此时饱和电流可近似为：此时饱和电流可近似为：线性关系线性关系深亚微米深亚微米MOSFETMOSFET的电流与电压的关的电流与电压的关系系1920长沟与短沟器件电流比较长沟与短沟器件电流比较ID长沟道器件长沟道器件短沟道器件短沟道器件VDSV

12、DSATVGS - VTVGS = VDD 短沟道器件经历的饱和区范围更大，更经常工作短沟道器件经历的饱和区范围更大，更经常工作在饱和状态在饱和状态2)(2DSATDSATTgsxonDVVVVLWCII ID D与与V VGSGS 的关系的关系2122漏极电流和电压关系漏极电流和电压关系-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=

13、 1.0 VResistive SaturationVDS = VGS - VTLong Channel(Ld=10um)Short Channel(Ld=0.25um)VelocitySaturation饱和电流和饱和电流和V VGSGS关系，长沟道器件中是平方关系关系，长沟道器件中是平方关系短沟道降低短沟道降低V VGSGS不会像长沟晶体管那样显著不会像长沟晶体管那样显著（1 1 ）长沟道器件：沟道夹断饱和）长沟道器件：沟道夹断饱和（2 2 ）短沟道器件：）短沟道器件：载流子载流子速度饱和速度饱和1. 1. 短沟器件中，速度饱和先于夹断饱和短沟器件中，速度饱和先于夹断饱和2. 2. 速度饱

14、和点在漏端处速度饱和点在漏端处3. 3. 当源漏电压上升时当源漏电压上升时, , 饱和点向源端移动饱和点向源端移动23（四）沟道长度调制（四）沟道长度调制24手工分析模型手工分析模型恒流源模型恒流源模型开关模型开关模型 假如把假如把MOS晶体管抽象成一个简单和实际的解析模型，晶体管抽象成一个简单和实际的解析模型，即不用复杂的公式又能抓住器件的实质。（一阶模型）即不用复杂的公式又能抓住器件的实质。（一阶模型）251.1. 恒流源模型恒流源模型SDGB26恒流源模型与恒流源模型与SPICESPICE模拟结果比较模拟结果比较00.511.522.500.511.522.5x 10-4VDS (V)I

15、D (A)VelocitySaturatedLinearSaturatedVDSAT=VGTVDS=VDSATVDS=VGTSimple modelSPICE Simulation用手工分析的通用模型所定义的各工作区的边界用手工分析的通用模型所定义的各工作区的边界 除了在电阻区和除了在电阻区和速度饱和区之间的速度饱和区之间的过渡区，其它地方过渡区，其它地方对应的很好对应的很好 存在差别是由于存在差别是由于采用采用简单的恒流源简单的恒流源模型模型模型模型27PMOSPMOS晶体管晶体管-2.5-2-1.5-1-0.50-1-0.8-0.6-0.4-0.20 x 10-4VDS (V)ID (A)

16、VGS = -1.0VVGS = -1.5VVGS = -2.0VVGS = -2.5V对典型对典型NMOSNMOS器件器件, ,所有所有5 5个参数是正值个参数是正值, ,而对典型而对典型PMOSPMOS器件则是负值器件则是负值282.NMOS2.NMOS晶体管的开关模型晶体管的开关模型VGS VTRonSDRon是时变，是时变，与工作点有与工作点有关关)()(21)()(1)(1)(211212.212121tRtRdttItVttdttRtttRaverageRononttDDSttonjonttteq 在研究数字电路瞬态时在研究数字电路瞬态时, ,希望希望RonRon是一个常数的线性电

17、阻是一个常数的线性电阻, ,一一个合理的方法是采用所关心区域上的平均电阻值，更简单是个合理的方法是采用所关心区域上的平均电阻值，更简单是采用瞬态过程起点和终点两个电阻平均值采用瞬态过程起点和终点两个电阻平均值 需要简单模型，不仅线性，而且非常直接。在数字设计中需要简单模型，不仅线性，而且非常直接。在数字设计中，晶体管是一个开关，有无穷大断开电阻和有限导通电阻，晶体管是一个开关，有无穷大断开电阻和有限导通电阻29IDVDSVGS = VDDVDD/2VDDR0Rmid)971 (43)1 (2/12/DDDSATDDVVDSATDDeqVIVdVVIVVRDDDD例：充放电一个电容时的等效电阻例

18、：充放电一个电容时的等效电阻Discharge to Vdd/2Discharge to Vdd/2VGS VTRonSD电容上电压从电容上电压从V Vdddd放电通过放电通过NMOSNMOS管放电到管放电到V Vdddd/2/2借助公式推导过渡借助公式推导过渡区器件的平均电阻区器件的平均电阻用过渡区两端点用过渡区两端点电阻进行平均电阻进行平均300.511.522.501234567x 105VDD (V)Req (Ohm)MosMos管等效电阻与电源电压管等效电阻与电源电压V VDDDD关系关系 一个最小尺寸一个最小尺寸0.25um CMOS0.25um CMOS工艺工艺NMOSNMOS晶

19、体管模拟得到的等晶体管模拟得到的等效电阻与电源电压效电阻与电源电压VDDVDD的关系的关系1. 1.电阻反比于器件的电阻反比于器件的(W/L)(W/L)。晶体管的宽度。晶体管的宽度加倍则使电阻减半（因加倍则使电阻减半（因IDSATIDSAT与与W/LW/L成正比）成正比）2. 2.当当VDDVDDVT+VDSATVT+VDSAT时，电阻与电源电压无时，电阻与电源电压无关，但由于沟长调制效关，但由于沟长调制效应则减小应则减小3. 3.若电源电压接近若电源电压接近VTVT，电阻会急剧增加电阻会急剧增加31晶体管的开关模型晶体管的开关模型通用通用0.25umCMOS0.25umCMOS工艺的在不同的

20、工艺的在不同的VDDVDD时等效电阻值时等效电阻值32五、漏感应势垒下降及源漏穿通（五、漏感应势垒下降及源漏穿通（DIBL）1、沟道长度缩短会使源端势垒下降，电流增加，即阈值电压下降。、沟道长度缩短会使源端势垒下降，电流增加，即阈值电压下降。2、VDS增加会使源端势垒下降，增加会使源端势垒下降， VDS越大，阈值电压下降越大。越大，阈值电压下降越大。3、源漏穿通：、源漏穿通： 发射流加大并以扩散形式发射流加大并以扩散形式 到达漏端，不受栅压控制到达漏端，不受栅压控制33六、器件漏电六、器件漏电3435 V VDSDS增加增加V Vt t减少使亚阈减少使亚阈特性向左偏移，从而特性向左偏移，从而使

21、相应的使相应的I Ioffoff （ V VGSGS =0=0时的时的I IDSDS ）增加；）增加； 当当V VDSDS大到一定程度后大到一定程度后，微小器件的亚阈特，微小器件的亚阈特性增加，即使在关态性增加，即使在关态器件仍具有相当大的器件仍具有相当大的I Ioffoff ； 如果此时如果此时I Ioffoff已接近或已接近或超过定义的开启电压超过定义的开启电压，则器件穿通。，则器件穿通。36七、热载流子效应七、热载流子效应1、原因：、原因： （1）漏端强电场引起高能热电子与晶格碰撞产生电子）漏端强电场引起高能热电子与晶格碰撞产生电子/空穴空穴对，引起衬底电流。对，引起衬底电流。 （2）电

22、子在强纵向电场作用下穿过栅氧，引起栅电流）电子在强纵向电场作用下穿过栅氧，引起栅电流2、影响、影响: （1）使器件参数变差，特性不稳，电路失效）使器件参数变差，特性不稳，电路失效 （2）衬底电流引起噪声，）衬底电流引起噪声，Latch-up, 以及动态节点漏电以及动态节点漏电3、解决方法：、解决方法：LDD (lightly doped drain) : 在源漏区与沟道在源漏区与沟道 间加一段电阻率较高的轻掺杂间加一段电阻率较高的轻掺杂 n 区区 （1）优点：可减小热电子效应，提高源漏电压）优点：可减小热电子效应，提高源漏电压 （2）缺点：）缺点：n 区使器件跨导和区使器件跨导和 IDS 减小

23、减小模拟的长沟和短沟模拟的长沟和短沟MOSFETMOSFET的等电位线的等电位线长沟道与短沟道长沟道与短沟道MOSFET的关键区别在于短沟道的关键区别在于短沟道MOSFET耗尽区的等电位线是二维的而长沟的则是一耗尽区的等电位线是二维的而长沟的则是一维的。维的。体硅体硅CMOSCMOS中的闩锁效应中的闩锁效应39八、体效应：（八、体效应：（Body Effect）1、衬偏引起体效应：、衬偏引起体效应： 开启电压随衬偏变化开启电压随衬偏变化2、衬底电流感应体效应：、衬底电流感应体效应：（SCBE Substrate Current Induced Body Effect ） 衬底电流在衬底电阻上的

24、压降造成衬偏电压衬底电流在衬底电阻上的压降造成衬偏电压40九、输出电阻九、输出电阻41十、源漏寄生电阻十、源漏寄生电阻 RS ，RD源漏电阻取决于：源漏电阻取决于： 1. 源漏区源漏区PN 结电阻结电阻 2. 接触孔电阻接触孔电阻42十一、反型层电容分压十一、反型层电容分压1、反型层表面电势、反型层表面电势S随栅压随栅压VG而变化而变化2、当、当tOX缩小时，缩小时，COX可与沟道电容比拟可与沟道电容比拟 使跨导减小使跨导减小43十二、横向和纵向的非均匀掺杂十二、横向和纵向的非均匀掺杂1、横向非均匀掺杂：随沟道缩短，沟道中平均掺杂浓度增加，、横向非均匀掺杂：随沟道缩短，沟道中平均掺杂浓度增加，

25、 使使阈值上升阈值上升2、纵向非均匀掺杂引起、纵向非均匀掺杂引起VTH与与 之间存在非线性关系之间存在非线性关系BSPVV 44十三、其它十三、其它1、体电荷效应、体电荷效应2、耗尽层宽度不均匀引起阈值电压沿沟道分布不均匀、耗尽层宽度不均匀引起阈值电压沿沟道分布不均匀3、参数随几何尺寸变化、参数随几何尺寸变化4、参数取决于源漏电压、参数取决于源漏电压453.3 3.3 MOSMOS器件模型器件模型建立模型的目的与意义建立模型的目的与意义 为减少设计时间和制造成本，需有效、精确的模型为减少设计时间和制造成本，需有效、精确的模型对模型的要求：对模型的要求： 1、精确：适合全工作范围，电流及其它小信

26、号参数、精确：适合全工作范围，电流及其它小信号参数 2、有物理基础：、有物理基础： 全面理解物理过程，能预测器件性能全面理解物理过程，能预测器件性能 3、可扩展性：能预见不同尺寸器件的性能、可扩展性：能预见不同尺寸器件的性能 4、高效率：、高效率： 收敛，连续，减少迭代次数和模拟时间收敛，连续，减少迭代次数和模拟时间463.3 3.3 MOSMOS器件模型器件模型 MOSMOS管的结构尺寸缩小到亚微米范围后，多维的物理效管的结构尺寸缩小到亚微米范围后，多维的物理效应和寄生效应使得对应和寄生效应使得对MOSMOS管的模型描述带来了困难。模管的模型描述带来了困难。模型越复杂，模型参数越多，其模拟的

27、精度越高。但型越复杂，模型参数越多，其模拟的精度越高。但高高精度与模拟的效率相矛盾。精度与模拟的效率相矛盾。依据不同需要，常将依据不同需要，常将MOSMOS模模型分成不同级别。型分成不同级别。SPICE2SPICE2中提供了几种中提供了几种MOSMOS场效应管模场效应管模型，并用变量型，并用变量LEVELLEVEL来指定所用的模型。来指定所用的模型。 LEVELLEVEL1 MOS11 MOS1模型模型 Shichman-HodgesShichman-Hodges模型模型 LEVELLEVEL2 MOS22 MOS2模型模型 二维解析模型二维解析模型 LEVELLEVEL3 MOS33 MOS

28、3模型模型 半经验短沟道模型半经验短沟道模型 LEVELLEVEL4 MOS44 MOS4模型模型 BSIMBSIM（Berkeley short-Berkeley short-channel IGFET modelchannel IGFET model）模型）模型473.3 3.3 MOSMOS器件模型器件模型一、一、MOS1 MOS1 模型（模型（Shichman-Hodges Shichman-Hodges 模型）模型）1 1、一阶模型，适合精度要求不高的长沟道、一阶模型，适合精度要求不高的长沟道 （1010 m m ）MOS MOS 管管2 2、考虑以下效应：、考虑以下效应：（1 1）

29、横向扩散（有效沟道长度）横向扩散（有效沟道长度）（2 2）沟道长度调制系数）沟道长度调制系数 （3 3）衬偏效应）衬偏效应483.3 3.3 MOSMOS器件模型器件模型二、二、MOS2 MOS2 模型（二维解析模型）模型（二维解析模型）1 1、适合于适合于6 7 6 7 m m2 2、考虑以下效应：考虑以下效应：（1 1）沟道长度对阈值的影响）沟道长度对阈值的影响（2 2）沟道宽度对阈值的影响）沟道宽度对阈值的影响（3 3）迁移率随表面电场的变化）迁移率随表面电场的变化（4 4）沟道夹断引起的沟长调制效应）沟道夹断引起的沟长调制效应（5 5）载流子速度饱和引起源漏电流饱和）载流子速度饱和引起

30、源漏电流饱和（6 6）弱反型导电）弱反型导电（7 7）漏区静电反馈对阈值的影响）漏区静电反馈对阈值的影响493.3 3.3 MOSMOS器件模型器件模型3 3、收敛性与效率：收敛性与效率：（1 1）载流子速度饱和引起源漏电流饱和的模型）载流子速度饱和引起源漏电流饱和的模型在饱和区和线在饱和区和线性区的边界处引入导数不连续性区的边界处引入导数不连续，使计算不精确，会引起不收，使计算不精确，会引起不收敛。敛。（2 2）弱反型导电可使电流在处连续，但导数不连续，在模拟）弱反型导电可使电流在处连续，但导数不连续，在模拟强反型区到弱反型区之间的强反型区到弱反型区之间的过渡区时过渡区时精度不高。精度不高。

31、503.3 3.3 MOSMOS器件模型器件模型三、三、MOS3 模型（半经验模型）模型（半经验模型）1 1、适合短沟道器件（、适合短沟道器件（2 2 m m左右或以上）左右或以上）2 2、MOS3 MOS3 模型考虑以下效应：模型考虑以下效应：（1 1） 沟道长度对阈值的影响沟道长度对阈值的影响（2 2） 沟道宽度对阈值的影响沟道宽度对阈值的影响（3 3） 纵向（栅）电场对迁移率的调制纵向（栅）电场对迁移率的调制（4 4） 载流子速度饱和使迁移率下降载流子速度饱和使迁移率下降（5 5） 速度饱和点移动造成沟长调制速度饱和点移动造成沟长调制（6 6） 漏端感应源端势垒下降（漏端感应源端势垒下降

32、（DIBLDIBL）（7 7） 弱反型导电弱反型导电（8 8） 衬偏效应衬偏效应（9 9） 源漏串联寄生电阻源漏串联寄生电阻（1010）饱和电压下降）饱和电压下降513.3 3.3 MOSMOS器件模型器件模型3、 MOS3模型参数大多与模型参数大多与MOS2相同，但相同，但其阈值电压、饱和电流其阈值电压、饱和电流、沟道调制效应和漏源电流表达式等都是半经验公式、沟道调制效应和漏源电流表达式等都是半经验公式，并引入了，并引入了新的模型参数：新的模型参数：（EAT）、）、（THETA）和）和（KAPPA）。）。（1）阈值电压的半经验公式）阈值电压的半经验公式BSFNBSFS3OX22FFBTH22

33、1015. 82VFVFLCVV式中，式中，是模拟静电反馈效应的经验模型参数，是模拟静电反馈效应的经验模型参数， FS为短沟道效应的校正因子。为短沟道效应的校正因子。 523.3 3.3 MOSMOS器件模型器件模型（2）表面迁移率调制）表面迁移率调制 表示迁移率和栅电场关系的经验公式为：表示迁移率和栅电场关系的经验公式为：THGS0S1VV式中经验模型参数式中经验模型参数称为迁移率调制系数称为迁移率调制系数 。533.3 3.3 MOSMOS器件模型器件模型（3）沟道长度调制减小量的半经验公式）沟道长度调制减小量的半经验公式 当当VDS大于大于VDSAT时，载流子速度饱和点的位置逐渐移向源时

34、，载流子速度饱和点的位置逐渐移向源区，造成沟道区，造成沟道长度调制效应长度调制效应。沟道长度的减小量。沟道长度的减小量L为：为： 222DPDSATDS2D22DPDXEVVXXEXL上式中，上式中，EP为夹断点处的横向电场，为夹断点处的横向电场，为饱和电场系数为饱和电场系数。543.3 3.3 MOSMOS器件模型器件模型四、四、MOS4 （BSIM1）模型）模型（二）（二）MOS4 考虑以下效应：考虑以下效应：1. 沟道长度对阈值的影响沟道长度对阈值的影响2. 沟道宽度对阈值的影响沟道宽度对阈值的影响3. 垂直电场对载流子迁移率的影响垂直电场对载流子迁移率的影响4. 载流子速度饱和载流子速

35、度饱和5. 沟道长度调制效应沟道长度调制效应6. 漏端感应引起表面势垒下降漏端感应引起表面势垒下降7. 弱反型（次开启）导电弱反型（次开启）导电8. 衬偏效应衬偏效应9. 源漏寄生串联电阻源漏寄生串联电阻10. 离子注入后的非均匀杂质分布离子注入后的非均匀杂质分布11. 参数随几何尺寸变化参数随几何尺寸变化12. 参数随衬偏电压变化参数随衬偏电压变化（一）专为短沟道开发的模型（一）专为短沟道开发的模型 （适合（适合L1 m 、 tOX15 nm器件）器件）553.3 3.3 MOSMOS器件模型器件模型（三）特点：（三）特点：1. BSIM1的大信号模型根据的大信号模型根据电荷守衡定律及沟道电

36、荷电荷守衡定律及沟道电荷划分的方法得出；划分的方法得出；2. BSIM1的小信号模型通过对的小信号模型通过对直流和大信号模型线性化直流和大信号模型线性化得出；得出；3. BSIM1将直流电学参数与工艺参数联系起来。将直流电学参数与工艺参数联系起来。（四）缺点：（四）缺点：1使用经验参数模拟沟道长度调制效应使用经验参数模拟沟道长度调制效应不能正确预测输出电阻；不能正确预测输出电阻；2过渡区电流由强反型和弱反型成分之和组成，小电流工作时会引起误差；过渡区电流由强反型和弱反型成分之和组成，小电流工作时会引起误差；3用经验常数用经验常数e1.8调整强反型与次开启区阈值电压的微小差别不符合实际。调整强反

37、型与次开启区阈值电压的微小差别不符合实际。 （阈值电压与工艺尺寸有关）（阈值电压与工艺尺寸有关）563.3 3.3 MOSMOS器件模型器件模型五、五、BSIM2 模型（深亚微米模型）模型（深亚微米模型）1、适合沟道长度小至、适合沟道长度小至0.25 m 、栅氧化层的厚度薄至、栅氧化层的厚度薄至3.6 nm2、BSIM2 考虑以下效应：考虑以下效应：（1）沟道长度对阈值的影响）沟道长度对阈值的影响（2）沟道宽度对阈值的影响）沟道宽度对阈值的影响（3）垂直电场对载流子迁移率的影响）垂直电场对载流子迁移率的影响（4）载流子速度饱和）载流子速度饱和（5）沟道长度调制效应）沟道长度调制效应（6）漏端感

38、应引起表面势垒下降）漏端感应引起表面势垒下降（7）弱反型（次开启）导电）弱反型（次开启）导电（8） 衬偏效应衬偏效应（9） 源漏寄生串联电阻源漏寄生串联电阻（10）离子注入后的非均匀杂质分布）离子注入后的非均匀杂质分布（11）参数随几何尺寸变化）参数随几何尺寸变化（12）参数随衬偏电压变化）参数随衬偏电压变化（13）热电子引起输出电阻下降）热电子引起输出电阻下降（14）反型区电容效应）反型区电容效应573.3 3.3 MOSMOS器件模型器件模型3、对、对BSIM1 的修改：的修改：（1 1）修改阈值电压公式中漏端感应引势垒下降的系数）修改阈值电压公式中漏端感应引势垒下降的系数（2 2）改进迁

39、移率与垂直场的关系式（引入二次项使与实验数据相符并包含）改进迁移率与垂直场的关系式（引入二次项使与实验数据相符并包含 源漏寄生电阻影响）源漏寄生电阻影响）（3 3）修改载流子速度与迁移率的关系使漏源电流方程的一阶导数连续）修改载流子速度与迁移率的关系使漏源电流方程的一阶导数连续（4 4）线性区的源漏电流公式中将垂直场的迁移率下降项与速度饱和项从相）线性区的源漏电流公式中将垂直场的迁移率下降项与速度饱和项从相 乘改为相加，使更精确乘改为相加，使更精确（5 5）饱和区的源漏电流公式采用线性公式但用）饱和区的源漏电流公式采用线性公式但用V VDSATDSAT代替代替V VDSDS（6 6）采用电荷薄

40、层近似（）采用电荷薄层近似（Charge-sheet approximationCharge-sheet approximation）推导次开启区）推导次开启区 电流公式，采用弥合系数反映强反型区与次开启区阈值电压的偏离电流公式，采用弥合系数反映强反型区与次开启区阈值电压的偏离（7 7）考虑反型层电容的影响并引入栅电压描述过渡区，使源漏电流从弱反）考虑反型层电容的影响并引入栅电压描述过渡区，使源漏电流从弱反 型区到强反型区过渡光滑型区到强反型区过渡光滑（8 8）饱和区输出电阻受三种机理影响）饱和区输出电阻受三种机理影响 ( a ) ( a ) 漏端感应引起表面势垒下降漏端感应引起表面势垒下降

41、( b ) ( b ) 沟道长度调制效应沟道长度调制效应 ( c ) ( c ) 热电子引起输出电阻下降热电子引起输出电阻下降583.3 3.3 MOSMOS器件模型器件模型六、六、BSIM3 模型模型1、BSIM1、BSIM2集中解决精度和简化公式，引入大量参数以集中解决精度和简化公式，引入大量参数以 提高精度。提高精度。而而BSIM3着重物理机制，考虑尺寸及工艺参数影着重物理机制，考虑尺寸及工艺参数影 响，响，力求可预测，力求可预测， 并尽可能减少参数并尽可能减少参数。2、采用统一的电流、采用统一的电流-电压模型：电压模型：（1 1）统一的沟道电荷密度公式）统一的沟道电荷密度公式（2 2）

42、统一的迁移率公式）统一的迁移率公式（3 3）统一的线性区电流公式）统一的线性区电流公式（4 4）统一的饱和电压公式）统一的饱和电压公式（5 5）统一的饱和区电流公式）统一的饱和区电流公式（6 6）所有工作区电流公式）所有工作区电流公式593.3 3.3 MOSMOS器件模型器件模型3、BSIM3 考虑以下效应：考虑以下效应：（1 1）沟道长度对阈值的影响）沟道长度对阈值的影响（2 2）沟道宽度对阈值的影响）沟道宽度对阈值的影响（3 3）垂直电场引起载流子迁移率下降）垂直电场引起载流子迁移率下降（4 4）载流子速度饱和）载流子速度饱和（5 5）沟道长度调制效应）沟道长度调制效应（6 6）漏端感应

43、引起表面势垒下降）漏端感应引起表面势垒下降（7 7）次开启导电）次开启导电（8 8）衬偏效应）衬偏效应（9 9）漏寄生串联电阻）漏寄生串联电阻（1010）横向和纵向的非均匀掺杂）横向和纵向的非均匀掺杂（1111）衬底电流引起衬偏效应）衬底电流引起衬偏效应（1212）参数随几何尺寸变化）参数随几何尺寸变化（1313）参数随衬偏电压变化）参数随衬偏电压变化（1414）输出电阻变化）输出电阻变化（1515）反型区电容效应）反型区电容效应（1616）多晶栅耗尽层效应）多晶栅耗尽层效应（1717）体电荷效应）体电荷效应603.3 3.3 MOSMOS器件模型器件模型七、七、BSIM4 模型（模型（200

44、0年）年）考虑了新的物理效应的影响：考虑了新的物理效应的影响：（1 1）栅极感应漏端漏电（）栅极感应漏端漏电（Gate Induced Drain Leakage )Gate Induced Drain Leakage )（2 2）栅极直接隧穿漏电（）栅极直接隧穿漏电（Gate Direct Tunneling LeakageGate Direct Tunneling Leakage）（3 3）反型层量子效应（）反型层量子效应（Inversion Layer QuantizationInversion Layer Quantization）（4 4）有限电荷层效应（）有限电荷层效应（Finit

45、e Charge Layer EffectFinite Charge Layer Effect）（5 5）MOSFET MOSFET 寄生参数的寄生参数的HF HF 影响影响（6 6）源端和漏端电阻的不对称性）源端和漏端电阻的不对称性 进一步研究在进一步研究在BSIM3中已考虑过的一些物理效应，中已考虑过的一些物理效应，提高了模型精度提高了模型精度623.3 3.3 MOSMOS器件模型器件模型633.4 MOS3.4 MOS管的动态特性管的动态特性MOSFETMOSFET管的动态响应只取决于：充（放管的动态响应只取决于：充（放）电这个器件的本征寄生电容和由互连线）电这个器件的本征寄生电容和由

46、互连线及负载引起的额外电容所需要的时间及负载引起的额外电容所需要的时间本征寄生电容有三个来源本征寄生电容有三个来源 : :?基本的基本的MOSMOS结构：结构： 结构电容结构电容?沟道电荷沟道电荷：沟道电容：沟道电容?源和漏反向偏置的源和漏反向偏置的pnpn结耗尽区结耗尽区 : :结电容结电容 除结构电容外，其他两个电容是非线性且随除结构电容外，其他两个电容是非线性且随所加的电压而变化所加的电压而变化6465MOSMOS管结构电容管结构电容toxn+n+截面图截面图L栅氧栅氧xdxdLd多晶硅栅多晶硅栅顶视图顶视图栅栅-体体覆盖覆盖Sourcen+Drainn+WWCWxCCCdoxGDOGS

47、O0 由于横向扩散，源和漏都由于横向扩散，源和漏都会在氧化层下延长一个数量会在氧化层下延长一个数量xd,xd,因此晶体管的有效沟长因此晶体管的有效沟长L L比画出的沟长短比画出的沟长短2x2xd d. .这引起这引起了栅和源（漏）之间的寄生了栅和源（漏）之间的寄生电容，称为覆盖电容电容，称为覆盖电容这个电容是线性的并这个电容是线性的并具有固定的值具有固定的值X Xd d是由工艺决定的是由工艺决定的C0C0：每单位晶体管宽度的覆盖电容：每单位晶体管宽度的覆盖电容栅氧每单位面积结电容：栅氧每单位面积结电容：oxoxoxtC/66沟道电容（栅至沟道电容沟道电容（栅至沟道电容CGCCGC）SDGCGC

48、SDGCGCSDGCGCCgb:Cgb:栅到体栅到体Cgs:Cgs:栅至源栅至源CgdCgd: :栅至漏栅至漏在数字设计中最重要的区域是：在数字设计中最重要的区域是：饱和和截止饱和和截止截止：无导电沟道存在截止：无导电沟道存在CGCCGC出现在栅和体之间出现在栅和体之间电阻区：栅与体被沟道屏蔽电阻区：栅与体被沟道屏蔽对称性使这一电容在源与漏之对称性使这一电容在源与漏之间平均分布间平均分布饱和：栅至漏和体的饱和：栅至漏和体的电容为电容为0 0，所有电容在，所有电容在栅与源之间栅与源之间67CGCCGCS = CGCDCGCBWLCoxWLCox2VGSWLCoxWLCox22WLCox3CGCC

49、GCSVDS/(VGS-VT)CGCD01V VT T当当V VGSGS0 0，晶体管截止，晶体管截止增加增加V VGSGS，在栅上形成耗尽层，像，在栅上形成耗尽层，像是使栅的耗尽层加厚是使栅的耗尽层加厚当当V VGSGSV VT T，沟道形成，沟道形成由于由于V VDSDS0 0，器件工作在电阻模式，器件工作在电阻模式C CGCGC与饱和程度的关系与饱和程度的关系晶体管一旦导通，栅电容晶体管一旦导通，栅电容的分布取决于饱和程度，的分布取决于饱和程度，饱和程度增加饱和程度增加总的栅电容总的栅电容会减少会减少V VDSDS0 0时，电容随时，电容随V VGSGS变化曲线变化曲线68结电容（耗尽层电容）结电容（耗尽层电容）底板底板侧壁侧壁侧壁侧壁沟道沟道源源ND沟道阻挡注入沟道阻挡注入 NA+衬底衬底NAWxjLSsjbottomWLCC: : 单位面积的结电容单位面积的结电容底板底板PNPN结：由源区和衬