拉扎维模拟集成电路精讲ppt第一讲mos器件特性分析

1、第二章第二章 MOSMOS器件物理基础器件物理基础2.1 2.1 基本概念基本概念衬底Ldrawn：沟道总长度Leff：沟道有效长度， Leff Ldrawn2 LDLD：横向扩散长度（bulk、body）N阱 CMOS技术 MOSFET是一个四端器件MOS符号MOS管正常工作的基本条件寄生二极管2.2 MOS2.2 MOS的的I/VI/V特性特性同一衬底上的NMOS和PMOS器件寄生二极管*N-SUB必须接最高电位VDD！*P-SUB必须接最低电位VSS！*阱中MOSFET衬底常接源极SNMOS器件的阈值电压VTH(a)栅压控制的MOSFET (b)耗尽区的形成(c)反型的开始 (d)反型层

2、的形成 阈值电压（ VTH ）定义 NFET的VTH通常定义为界面的电子浓度等于P型衬底的多子浓度时的栅压。 MS是多晶硅栅和硅衬底的功函数之差； q是电子电荷，Nsub是衬底掺杂浓度，Qdep是耗尽区电荷，Cox是单位面积的栅氧化层电容； si表示硅介电常数。 “本征”阈值电压 通过以上公式求得的阈值电压，通常成为“本征”阈值电压. 在器件制造工艺中，通常通过向沟道区注入杂质来调整VTHQd：沟道电荷密度Cox：单位面积栅电容沟道单位长度电荷(C/m)WCox：MOSFET单位长度的总电容Qd(x)：沿沟道点x处的电荷密度V(x)：沟道x点处的电势I/V特性的推导（1）电荷移动速度(m/s)

3、V(x)|x=0=0, V(x)|x=L=VDSdI = Q .vdoxGSTHQ =W C (V- V )doxGSTHQ (x) = WC (V- V(x) - V)I/V特性的推导（2）对于半导体：DoxGSTHI= -WC V- V(x) - V= = E Ed dV V( (x x) )E E( (x x) ) = = - -d dx x且DoxGSTHndV(x)I= WCV- V(x) - VdxdVDSVLDoxnGSTHx=0V=0I d(x) =WCV- V(x) - V DSVL2D0noxGSTH01I x= WC (V- V)V(x) -V(x) 22DnoxGSTH

4、DSDSW1I=C(V- V )V-VL2三极管区的MOSFET（0 VDS VGSVTH）等效为一个压控电阻2DnoxGSTHDSDSW1I=C(V- V )V-VL2DnoxGSTHDSWI=C(V- V )VLDSGSTHV 2(V- V )onnoxGSTH1R=WC(V- V )LI/V特性的推导（3）三极管区(线性区)每条曲线在VDSVGSVTH时取最大值，且大小为：2DnoxGSTHDSDSW1I=C(V- V )V-VL222noxDGSTHCWI=(V- V )LVDSVGSVTH时沟道刚好被夹断饱和区的MOSFET（VDS VGSVT）IDnCoxWL(VGSVTH)VDS

5、12VDS2IDnCox2WL(VGSVTH)2VDSVGSVTH (Pinchoff)Qd(x)WCox(VGSV(x)VTH)当V(x)接近VGS-VT，Qd(x)接近于0，即反型层将在XL处终止，沟道被夹断。NMOS管的电流公式2noxDGSTHDSDSC WI =2(V -V )V-V2L2noxDGSTHC WI=(V- V )2L0DI截至区，VGSVTHVDSVTHVDS VGS - VTHMOSFET的I/V特性Triode RegionVDSVGS-VT沟道电阻随VDS增加而增加导致曲线弯曲曲线斜率开始正比于VGS-VTVDS1,是一个非理想因子)MOS管亚阈值导电特性的sp

6、ice仿真结果VgSlogID仿真条件：VT0.6W/L100/2MOS管亚阈值电流ID一般为几十几百nA。电压限制 栅氧击穿 过高的GS电压。 “穿通”效应 过高的DS电压，漏极周围的耗尽层变宽，会到达源区周围，产生很大的漏电流。MOS器件版图2.4 MOS2.4 MOS器件模型器件模型MOS器件电容减小MOS器件电容的版图结构对于图a:CDB=CSB = WECj + 2(W+E)Cjsw对于图b: CDB=(W/2)ECj+2(W/2)+E)Cjsw CSB=2(W/2)ECj+2(W/2)+E)Cjsw) = WECj +2(W+2E)Cjsw 栅源、栅漏电容随VGS的变化曲线C3=C

7、4=COVW Cov：每单位宽度的交叠电容MOS管关断时: CGD=CGS=CovW, CGB=C1/C2C1=WLCoxMOS管深线性区时: CGD=CGS=C1/2+CovW, CGB=0, 沟道屏蔽MOS管饱和时: CGS= 2C1/3+CovW ,和CGD=CovW, CGB=0, 沟道屏蔽栅极电阻MOS 低频小信号模型DSonoxDDDSD2GSTHV111r = CWII / VI(V-V ) 2L完整的MOS小信号模型 MOS SPICE模型 在电路模拟（simulation）中，SPICE要求每个器件都有一个精确的模型。 种类 1st 代：MOS1，MOS2，MOS3； 2nd代：BSIM，HSPICE level28，BSIM2 3rd代：BSIM3，MOS model9，EKV(Enz-Krummenacher-Vittoz) 目前工艺厂家最常提供的MOS SPICE模型为BSIM3v3（UC Berkeley） 仿真器： HSPICE；SPECTRE；PSPICE 用简单的模型设计（design），用复杂的模型验证（verification）； 模型用于： 大信号静态 (dc variables) 小信号静态 (gains, resistances) 小信号动态 (frequency response, n