IC设计器件物理基础

1、模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 1第二章 MOS器件物理基础授课教师：鲁文高Email: 模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 2本讲内容 基本概念基本概念 结构、符号结构、符号 I/V特性特性 阈值电压阈值电压 I-V关系式关系式 跨导跨导 二级效应二级效应 体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性 器件模型器件模型 版图、电容、小信号模型等版图、电容、小信号模型等模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 3MOSFET的简化模型简化模型简化模型开关开关由由VG控制的一个开关控制的一个开关模拟集成电路设计与分析 Dev

2、iceCh.2 # 4MOSFET的结构（1）提供载流子的端口为提供载流子的端口为源源，收集载流子的端口为，收集载流子的端口为漏漏源漏在物理结构上是完全对称的，靠什么区分开？源漏在物理结构上是完全对称的，靠什么区分开？Bulk（body）最重要的工作区域？最重要的工作区域？受受V VG G控制的沟道区控制的沟道区模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 5MOSFET的结构（2）PMOSNMOSPMOS模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 6MOSFET的符号四端器件四端器件省掉省掉B端端模拟电路一般用(a)或者(b)画图 数字电路用(c)画图？电流方向电流方向模拟集成电路

3、设计与分析 DeviceCh.2 # 7本讲内容 基本概念基本概念 结构、符号结构、符号 I/V特性特性 阈值电压阈值电压 I-V关系式关系式 跨导跨导 二级效应二级效应 体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性 器件模型器件模型 版图、电容、小信号模型等版图、电容、小信号模型等模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 8MOSFET沟道的形成过程模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 9阈值电压调调整整！定定的的，设设计计者者无无法法自自由由阈阈值值电电压压是是由由工工艺艺量量确确是是耗耗尽尽区区电电荷荷是是衬衬底底掺掺杂杂浓浓度度，是是

4、多多晶晶硅硅栅栅和和功功函函数数差差subFsidepdepsubMSisubFoxdepFMSthNqQQNnNqkTCQV4ln2模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 10MOSFET的I-V特性（1）模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 11MOSFET的I-V特性（2）thGSoxonDSthGSoxDDSDSthGSoxDthGSoxDVVLWCRVVVLWCIVVVVLWCIVVLWCI1212122线性电阻：深线性区：线性区：饱和区：模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 12深线性区MOSFET等效为电阻IDnCo xWL(VGS VTH)VD

5、S12VDS2IDnCoxWL(VGSVTH)VDS, VDS2(VGSVTH)(1THGSLWoxnONVVCR等效为一个线性电阻等效为一个线性电阻深三极管区深三极管区模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 13饱和区MOSFET（1）2)(2THGSoxnDVVLWCIPinch-off区区Active区区Saturation区区电流近似只与电流近似只与W/L和和VGS有关，有关， 不随不随VDS变化变化模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 14饱和区MOSFET（2）用作电流源或者电流沉用作电流源或者电流沉模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 15PMO

6、SthGSoxponDSthGSoxpDDSDSthGSoxpDthGSoxpDVVLWCRVVVLWCIVVVVLWCIVVLWCI1212122线性电阻：深线性区：线性区：饱和区：PMOSPMOS管电流驱动能力比管电流驱动能力比NMOSNMOS管差管差迁移率约为迁移率约为NMOSNMOS管的管的1/31/3左右左右模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 16跨导（1）：饱和区LWCIVIVLWCggVVLWCVIgVVVVVLWCIoxDdsatDdsatoxmmthGSoxGSDmthGSdsatthGSoxD22212的三个表达式饱和区：模拟集成电路设计与分析 DeviceC

7、h.2 # 17跨导的三个表达式THGSDoxDTHGSoxmVVILWCIVVLWCg22模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 18跨导（2）：线性区DSoxnDSDSthGSoxnGSmVLWCVVVVLWCVg221)(饱和区饱和区gm大，大，通常用饱和区通常用饱和区MOS管做信号放大管做信号放大模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 19饱和区条件thGDthSGSDthGSdsatDSVVVVVVVVVVVVNMOS饱和区条件thGDthGSDSthGSdsatDSVVVVVVVVVVVVPMOS饱和区条件二极管接法的二极管接法的MOSFETMOSFET总是处于

8、饱和区！总是处于饱和区！模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 20本讲内容 基本概念基本概念 结构、符号结构、符号 I/V特性特性 阈值电压阈值电压 I-V关系式关系式 跨导跨导 二级效应二级效应 体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性 器件模型器件模型 版图、电容、小信号模型等版图、电容、小信号模型等模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 21体效应oxsubsiFSBFTHTHCNqVVV2 , 220 体效应系数体效应系数 ，典型值，典型值0.3-0.4V-1/2模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 22体效应的影响

9、（1）考虑体效应设计某些电路时，必须所以结反偏，管：所以结反偏，管：0000PNPMOS0PNNMOS2 , 22THTHSBTHTHSBoxsubsiFSBFTHTHVVVVVVCNqVVV模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 23体效应会导致设计参量复杂化，体效应会导致设计参量复杂化， 通常不希望体效应通常不希望体效应但也有利用体效应工作的电路！但也有利用体效应工作的电路！体效应的影响（2）模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 24利用体效应工作的电路实例VsnVgpVinMp1Mp2MnVrefIoIoutV-I转换电路转换电路 US Patent：5998777

10、模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 25沟道长度调制效应（1）LLDSthGSoxnthGSoxnDDSDSDSVVVLWCVVLWCIVLLLLLVLLVLLLLL1)(21)(211111122，定义，假设模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 26沟道长度调制效应（2）DSthGSoxnDVVVLWCI1)(212DSthGSoxnDVVVLWCI1)(212thGSDDSDoxnDSthGSoxnmVVIVILWCVVVLWCg2121跨导的三个表达式模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 27沟道长度调制效应（3）4/11L1)(2111)(2122

11、2降为原来的倍，增加则等保持不变、若其中DSDDSDthGSthGSoxnDSDDSthGSoxnDVILLVIVVWVVLWCVILVVVLWCI斜率越小，输出阻抗越大斜率越小，输出阻抗越大模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 28亚阈值特性（1） 前面的分析前面的分析 VGSVTH：反型：反型 VGSVTH：截至：截至 VGS VTH：？ 真实的情况真实的情况 VGS VTH：弱反型区，存在源漏电流：弱反型区，存在源漏电流 VGSVTH：漏电流并非无穷小：漏电流并非无穷小 这种效应成为这种效应成为“亚阈值导电亚阈值导电” 亚阈值区也称弱反型区亚阈值区也称弱反型区模拟集成电路设计

12、与分析 DeviceCh.2 # 29亚阈值特性（2）mV2003)(78326的最小值通常取为常温下强反条件：室温条件下弱反条件：，室温条件下令中反强反工作区域：截至弱反THGSTTHGSTTHGSTTVVVVVmVVVVmVVqkTV模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 30亚阈值特性（3）thGSDmTDmnVVDDSVVIgnVIgeIImVVTGS22000饱和区比较！处于强反型的因此）为：电流公式（弱反型区（亚阈值区）模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 31本讲内容 基本概念基本概念 结构、符号结构、符号 I/V特性特性 阈值电压阈值电压 I-V关系式关系

13、式 跨导跨导 二级效应二级效应 体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性 器件模型器件模型 版图、电容、小信号模型等版图、电容、小信号模型等模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 32MOS器件版图斜视图（斜视图（birds eye ，angled view） 俯视图（俯视图（vertical view）栅接触孔为什么开在沟道区外？栅接触孔为什么开在沟道区外？希望源漏寄生电容小！希望源漏寄生电容小！Why？模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 33MOS电路版图：器件及互连模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 34MOSFE

14、T的电容 分析分析MOS管交流特性时必须考虑电容影响管交流特性时必须考虑电容影响耗尽层电容氧化层电容FsubsioxNqWLCWLCC421C3、C4：覆盖电容；不能简单等于：覆盖电容；不能简单等于WLDCOX(边缘电力线边缘电力线)C5、C6：结电容：结电容=底电容底电容+侧壁电容侧壁电容氧化层电容oxWLCC 1耗尽层电容FsubsiNqWLC42模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 35MOS管中的电容 寄生电容往往随偏置电压的变化而变化 EDA工具在寄生参数提取时会自动提取每个节点精确的寄生电容值模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 36减小MOSFET的寄生电

15、容折叠结构的版图折叠结构的版图漏端寄生电容小漏端寄生电容小jswjSBjswjDBjswjSBDBCEWWECCCEWECWCCEWWECCC)2(2)2(22b)(2a：图：图模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 37MOSFET的电容：截至区截至区为结电容、为耗尽层电容，其中DBSBFsubsiddoxdoxGBovGSGDCCNqWLCCWLCCWLCCWCCC4模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 38MOSFET的电容：饱和区饱和区与衬底之间起屏蔽作用被忽略！反型层在栅GBovGDoxovGSCWCCWLCWCC32模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2

16、 # 39MOSFET的电容：深线性区深线性区与衬底之间起屏蔽作用被忽略！反型层在栅GBoxovGDGSCWLCWCCC21模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 40MOSFET大信号和小信号模型 大信号模型大信号模型 由I-V特性关系式、CGS等电容的电容值构成 小信号模型小信号模型 gm、 gmb、rO等 高频时应考虑寄生电容模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 41MOSFET小信号模型（1） VBS=0时的低频低频小信号模型 用于计算输出电阻、低频小信号增益模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 42MOSFET小信号模型（2） DDDSoDTHGSo

17、xDSDDDSoDSTHGSoxDIIVrIVVLWCVIIVrVVVLWCI12112122所以，因为模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 43MOSFET小信号模型（3） 考虑衬偏效应时的低频小信号模型 用于计算输出电阻、低频小信号增益模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 44MOSFET小信号模型（4） SBFmSBFTHGSoxBSTHTHGSoxBSDmbDSTHGSoxDVgVVVLWCVVVVLWCVIgVVVLWCI22221212，其中mbmggoxsubsiFSBFTHTHCNqVVV2 220模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 45M

18、OSFET的寄生电容模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 46MOSFET的截至频率fTGHzHzfVVNMOSLHzVmHzVmVACVACLVCgfiifFCVLWCgWLCCTdsatpnoxpoxndsatGSmTDSGSoxdsatoxnmoxGS8 . 325. 028. 62 . 01020232 . 0:5 . 010101020,/30/602232MOSFET/3329min29292222，反推得，的截至频率时，而模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 47高增益vs高速模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 48常用的表达式 SBFmmb

19、THGSDTHGSDomDoTHGSDoxDTHGSoxmDSTHGSoxDVggVVIVVIrgIrVVILWCIVVLWCgLVVVLWCI2221212211212，其中，其中模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 49MOS小信号模型中的电阻 通常忽略 合理设计版图合理设计版图能减小电阻能减小电阻 折叠结构折叠结构 减小栅电阻！减小栅电阻！ 减小漏电容！减小漏电容！模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 50完整的MOSFET小信号模型 用于计算各节点的时间常数 找出极点模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 51MOSFET的SPICE模型（1） 模型精度决定电路仿真精度、速度 最简单的模型Level 1，适于手算模拟集成电路设计与分析 DeviceCh.2 # 52MOSFET的SPI