场效应器件物理14频率5CMOS课件

1、半导体物理与器件西安电子科技大学 XIDIDIAN UNIVERSITY 张丽第11章 MOSFET基础11.4 频率限制特性 11.5 CMOS技术11.6小结第1页，共51页。2022/8/512022/8/5XIDIAN UNIVERSITY 1.4 频率特性 本节内容模型的基本概念MOSFET的小信号等效电路频率限制因素截止频率的定义、推导和影响因素2022/8/52XIDIAN UNIVERSITY 第2页，共51页。1.4 频率特性 模型概述电路设计中为准确预测电路性能，利用电路仿真软件对电路进行仿真验证。常用的电路仿真软件如HSPICE、PSPICE、SPECTRE仿真：围绕器件

2、建立电路的IV关系，是一数学求解的过程。 电路中元器件要用模型和模型参数来替代真正的器件。 模型：反映器件特性，可采用数学表达式、等效电路等形式。常用模型：等效电路模型。 模型参数：描述等效电路中各元件值所用的参数。等效电路模型建立方法： 首先通过器件物理分析确定器件等效电路模型的具体形式， 再把元器件看成一个“黑箱”，测量其端点的电学特性，提取出描述该器件特性的模型参数。得到一等效电路模型代替相应器件。第3页，共51页。2022/8/531.4 频率特性 MOSFET物理模型：交流小信号参数源极串联电阻栅源交叠电容漏极串联电阻栅漏交叠电容漏-衬底pn结电容栅源电容栅漏电容跨导寄生参数本征参数

3、第4页，共51页。2022/8/541.4 频率特性 完整的小信号等效电路共源n沟MOSFET小信号等效电路（VBS=0）总的栅源电容总的栅漏电容第5页，共51页。2022/8/551.4 频率特性 完整的小信号等效电路：VBS影响共源n沟MOSFET小信号等效电路（VBS0）第6页，共51页。2022/8/561.4 频率特性 模型参数模型参数：描述等效电路中各元件值所用的参数。与IDS相关的模型参数：W，L，KP(ucox)，LAMBDA与VT相关的模型参数：VT0，GAMMA， PHI与栅相关的三个电容参数：CGD，CGS，CGB第7页，共51页。2022/8/571.4 频率特性 模型

4、和模型参数特点：部分模型参数的定义和0.5um工艺模型参数的典型值第8页，共51页。2022/8/581.4 频率特性 模型和模型参数特点：随着沟长的缩短，短沟窄沟效应凸现，IV公式和阈值电压公式都需修正，模型的发展级别特别多，模型也越来越复杂。 LEVEL1 最简单，适合长沟道器件，均匀掺杂的预分析 LEVEL2 含详细的器件物理二级模型，但公式复杂，模拟效率低，小尺寸 管符合不好。 LEVEL3 经验模型，公式简单。模拟效率高，精度同LEVEL2。小尺寸管精 度不高。 BSIM1（Berkly Short-channel IGET ModelLEVEL13，28） 经验模型，记入电参数对几

5、何尺寸的依赖性。长沟道管（1um以 上的器件）精度高。第9页，共51页。2022/8/591.4 频率特性 模型和模型参数特点： BSIM2（LEVEL39） 与BSIM1形式基本相同 改进电流公式，L=0.25um以上的器件精度高。 在几何尺寸范围大时，必须分成几个几何尺寸范围，对应几套模 型参数，每套参数适用于一个窄范围。 BSIM3 （LEVEL47、49） 基于物理模型，而不是经验公式。 在保持物理模型的基础上改进精度和计算效率，适用于不同的尺 寸范围。 尽可能减少器件模型参数（BSIM2 60个，BSIM3 33个） 注意不同工作区域的连续性，以使电路模拟时收敛性好。 *基于MOS器

6、件的准二维分析（记入几何和工艺参数）电路设计用到的器件模型、模型参数由晶圆制造厂提供，是工艺厂家根据制备的器件提取。生产工艺线不同、晶圆制造厂不同，器件模型则不同第10页，共51页。2022/8/5101.4 频率特性 简化的小信号等效电路只计入rds第11页，共51页。2022/8/5111.4 频率特性 高频等效电路忽略寄生参数rs, rd, rds ,和 Cds，高频小信号等效电路第12页，共51页。2022/8/5121.4 频率特性 MOSFET频率限制因素限制因素2：栅电容充放电需要的时间限制因素1：沟道载流子的沟道输运时间沟道渡越时间通常不是主要频率限制因素第13页，共51页。2

7、022/8/5131.4 频率特性 电流-频率关系负载电阻输入电流输出电流密勒效应：将跨越输入-输出端的电容等效到输入端，C值会扩大（1K）倍，K为常数第14页，共51页。2022/8/5141.4 频率特性 含有密勒电容等效电路米勒电容：使输入阻抗减小第15页，共51页。2022/8/5151.4 频率特性 截止频率推导第16页，共51页。2022/8/5161.4 频率特性 提高频率特性途径提高迁移率（100方向，工艺优质）缩短L减小寄生电容（硅栅基本取代了铝栅）第17页，共51页。2022/8/5172022/8/5XIDIAN UNIVERSITY 1.4 频率特性 需掌握内容模型的基

8、本概念MOSFET的高低频等效电路思考：饱和区VGS变化，沟道电荷的来源？频率特性的影响因素米勒电容和含CM的等效电路截止频率的定义、推导和影响因素提高截止频率的途径2022/8/518XIDIAN UNIVERSITY 第18页，共51页。2022/8/5XIDIAN UNIVERSITY 1.5 开关特性 本节内容CMOS概念CMOS如何实现低功耗，全电平摆幅CMOS的开关过程及影响因素MOSFET的版图CMOS闩锁效应MOSFET的噪声特性2022/8/519XIDIAN UNIVERSITY 第19页，共51页。1.5 开关特性 开关原理MOS开关相当于一个反相器。CMOS反相器第20

9、页，共51页。2022/8/5201.5 开关特性 什么是CMOS？CMOS（Complentary 互补CMOS）n沟MOSFET与p沟MOSFET互补实现低功耗、全电平摆幅数字逻辑电路的首选工艺第21页，共51页。2022/8/5211.5 开关特性 CMOS反相器NMOS传输高电平会有VTN的损失。原因？PMOS传输低电平会有VTP的损失。原因？CMOS如何实现低功耗，全电平摆幅？CLT:输出端对地总电容，包括下一级负载电容、引线电容、NMOS和PMOS的漏衬PN结电容。全电平摆幅：VOH- VOL=VDD-0=VDD静态功耗：充放电完成后电路的功耗，近似为零: 静态时一管导通，另一管截

10、止，不存在直流通路。动态功耗：输入高低电平转换过程中的功耗。第22页，共51页。2022/8/5221.5开关特性 开关时间开关时间：输出相对于输入的时间延迟，包括导通时间ton和关断时间toff。 来源：载流子沟道输运时间，（本征延迟） 输出端对地电容的充放电时间。（负载延迟）提高开关速度途径（降低开关时间）： 减小沟长L（LXj:很好的保持长沟特性。要求浓度高，形成良好的欧姆接触，减小RSRD。2022/8/539XIDIAN UNIVERSITY 第39页，共51页。2022/8/5XIDIAN UNIVERSITY 1.6 补充 器件设计材料的选择：（1）衬底材料：掺杂浓度：gm、VT

11、、耐压与NB相关，VT与NB关系最密切。若选用离子注入调整VT技术，NB的浓度可适当减小， 可减小寄生电容，增加耐压。衬底晶向：尽量采用（100）晶向 表面态密度小，载流子迁移率较高。（2）栅材料：硅栅优于铝栅（面积、寄生电容），但随着绝缘层高K介质的使用 ，需要选择某些稀有金属（Ni，Co，Ti等）作栅。栅绝缘层材料：最成熟的SiO2，45nm工艺后采用的高K介质HfO2.2022/8/540XIDIAN UNIVERSITY 第40页，共51页。11.7 小结MOSFET的几个简单公式：萨氏方程：MOSFT电流电压特性的经典描述。第41页，共51页。2022/8/54111.7 小结 1M

12、OSFET是一种表面性器件，工作电流延表面横向流动，所以器件特性强烈依赖于沟道表面尺寸W、L。L越小，截止频率和跨导越大，集成度越高。FET仅多子参与导电，无少子存贮、扩散、复合效应（双极里讲过），开关速度高，适于高频高速工作 MOSFET的栅源间有绝缘介质，所以为电容性高输入阻抗，可用来存储信息。（存储电路，mosfet）Sb,db处于反偏（至少0偏），同一衬底上的多MOSFET可实现自隔离效果。硅栅基本取代了铝栅，可实现自对准，减小器件尺寸，提高集成度。第42页，共51页。2022/8/542 11.7 小结 2MOSFET可以分为n沟道、p沟道，增强型、耗尽型。对于不同类型的MOSFET

13、，栅源电压、漏源电压、阈值电压的极性不同。特性曲线和特性函数是描述MOSFET电流-电压特性的主要方式。跨导和截止频率是表征MOSFET性质的两个最重要的参数。根据MOSFET的转移特性（ID-VGS），可分为导通区和截止区；根据MOSFET的输出特性（ID-VDS），可分为线性区、非饱和区和饱和区。影响MOSFET频率特性的因素有栅电容充放电时间和载流子沟道渡越时间，通常前者是决定MOSFET截止频率的主要限制因素。CMOS技术使n沟MOSFET和p沟MOSFET的优势互补，但可能存在闩锁等不良效应。第43页，共51页。2022/8/543 11.7 小结 2MOS电容是MOSFET的核心。

14、随表面势的不同，半导体表面可以处于堆积、平带、耗尽、本征、弱反型、强反型等状态。 MOSFET导通时工作在强反型状态栅压、功函数差、氧化层电荷都会引起半导体表面能带的弯曲或表面势。表面处于平带时的栅压为平带电压，使表面处于强反型的栅压为阈值电压。阈值电压与平带电压、半导体掺杂浓度、氧化层电荷、氧化层厚度等有关。C-V曲线常用于表征MOS电容的性质，氧化层电荷使C-V曲线平移，界面陷阱使C-V曲线变缓MOSFET根据栅压的变化可以处于导通（强反型）或者截止状态，故可用作开关；加在栅源上的信号电压的微小变化可以引起漏源电流的较大变化，故可用作放大。第44页，共51页。2022/8/544课前提问题（1）11.1 MOS电容场效应管通常有哪三个电极？作为放大管使用时，输入信号（或者控制信号）通常加在哪个极？输出信号（或者被控制信号）通常加在哪个极？在集成电路所采用的MOS结构中，M、O、S通常采用何种材料？什么叫半导体的表面势？有哪些原因可能引起半导体的表面势？改变MOS电容二端的电压时，半导体表面可能会处于哪几种状态？请说明平带电压和阈值电压的区别。第45页，共51页。2022/8/54511.2 C-V曲线什么因素会使C-V曲线平移？什么因素会使C-V曲线的变化变缓？11.3 MOSFET原理在结构上MOSFET与MOS电容有何不同？为什么MOSFET