MOS器件物理(1).ppt

《MOS器件物理(1).ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《MOS器件物理(1).ppt（31页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、教材及参考书o教材：教材：n吴建辉编著：“CMOS模拟集成电路分析与模拟集成电路分析与设计设计”，电子工业出版社。o参考书：参考书：nRazavi B:Design of analog CMOS integrated circuitsnAllen P E: CMOS Analog Circuit DesignnR. Jacob Baker: CMOS Mixed-Signal Circuit Design引言引言oWhy cmos?n易于集成n可等比缩小n功耗低n工艺水平的提高性能提高o设计流程第一讲第一讲基本基本MOS器件物理器件物理主要内容n本章是本章是CMOS模拟集成电路设计的基础，主要

2、内容为：模拟集成电路设计的基础，主要内容为：o有源器件：有源器件：n主要从主要从MOS晶体管的基本结构出发，分析其阈值电压及基本特晶体管的基本结构出发，分析其阈值电压及基本特性（输入输出特性、转移特性等）；性（输入输出特性、转移特性等）；n介绍介绍MOS管的寄生电容；管的寄生电容；n讲解讲解MOS管的主要的二次效应，进而得出其低频小信号等效模管的主要的二次效应，进而得出其低频小信号等效模型和高频小信号等效模型；型和高频小信号等效模型；n介绍有源电阻的结构与特点。介绍有源电阻的结构与特点。o无源器件：无源器件：n模拟集成电路中常用的电阻、电容的结构及其特点。模拟集成电路中常用的电阻、电容的结构及

3、其特点。o等比例缩小理论；等比例缩小理论；o短沟道效应及狭沟道效应；短沟道效应及狭沟道效应；oMOS器件模型。器件模型。有源器件有源器件MOS管管o结构与几何参数（结构与几何参数（1）o结构结构与几何参数（与几何参数（2）：）：n在栅氧下的衬底区域为器件的有效工作区（即在栅氧下的衬底区域为器件的有效工作区（即MOS管的沟道）。管的沟道）。nMOS管的两个有源区（管的两个有源区（源区与漏区）源区与漏区）在制作时在制作时是几何对称的是几何对称的：o一般根据电荷的输入与输出来定义源区与漏区：一般根据电荷的输入与输出来定义源区与漏区：n源端源端被定义为被定义为输出输出电荷（若为电荷（若为NMOS器件则

4、为电子）的端口；器件则为电子）的端口；n而而漏端漏端则为则为收集收集电荷的端口。电荷的端口。o当该器件三端的电压发生改变时，当该器件三端的电压发生改变时，源区与漏区就可能改变作用源区与漏区就可能改变作用而相互交换定义而相互交换定义。n在模拟在模拟IC中还要考虑中还要考虑衬底（衬底（B）的影响，衬底电位一般是通过一欧的影响，衬底电位一般是通过一欧姆姆p区（区（NMOS的衬底）以及的衬底）以及n区区(PMOS衬底衬底)实现连接的，所实现连接的，所以在模拟集成电路中对于以在模拟集成电路中对于MOS晶体管而言，是一四端口器件。晶体管而言，是一四端口器件。 有源器件有源器件MOS管管o结构结构与几何参数

5、（与几何参数（3）：）：n注意：在数字集成电路设计，由于源注意：在数字集成电路设计，由于源/漏区的结二极管必须为反偏，漏区的结二极管必须为反偏，NMOS晶体管的衬底必须连接到系统的最低电位，而晶体管的衬底必须连接到系统的最低电位，而PMOS晶体管晶体管的衬底（即为的衬底（即为n阱）必须连接到系统的最高电位，即在数字集成电路阱）必须连接到系统的最高电位，即在数字集成电路中中MOS晶体管可看成晶体管可看成三端口器件三端口器件。n对于单阱工艺而言，如对于单阱工艺而言，如n阱工艺，所有的阱工艺，所有的NMOS管具有相同的衬底电管具有相同的衬底电位，而对于位，而对于PMOS管而言可以有一个独立的管而言可

6、以有一个独立的n阱，则可以接不同的阱阱，则可以接不同的阱电位，即其衬底电位可以不同。电位，即其衬底电位可以不同。n现在很多的现在很多的CMOS工艺线采用了双阱工艺，即把工艺线采用了双阱工艺，即把NMOS管与管与PMOS管都制作在各自的阱内：管都制作在各自的阱内：NMOS管在管在p阱内，阱内，PMOS管在管在n阱内；因阱内；因此，对于每一个此，对于每一个NMOS管与管与PMOS管都可以有各自的衬底电位。管都可以有各自的衬底电位。 有源器件有源器件MOS管管o结构与结构与几何参数几何参数（4）：）：n沟道长度沟道长度L：o由于由于CMOS工艺的自对准的特点，其沟道长度定义为漏源之工艺的自对准的特点

7、，其沟道长度定义为漏源之间栅的尺寸，一般其最小尺寸即为制造工艺中所给的特征尺间栅的尺寸，一般其最小尺寸即为制造工艺中所给的特征尺寸；寸；o由于在制造漏由于在制造漏/源结时会发生边缘扩散，所以源漏之间的实际源结时会发生边缘扩散，所以源漏之间的实际距离（称之为有效长度距离（称之为有效长度L）略小于长度）略小于长度L，则有，则有L L2d，其中其中L是漏源之间的总长度，是漏源之间的总长度，d是边缘扩散的长度。是边缘扩散的长度。n沟道宽度沟道宽度W：垂直于沟道长度方向的栅的尺寸。垂直于沟道长度方向的栅的尺寸。n栅氧厚度栅氧厚度tox：则为栅极与衬底之间的二氧化硅的厚度。则为栅极与衬底之间的二氧化硅的厚

8、度。有源器件有源器件MOS管管oMOS管的管的工作原理工作原理及表示符号（及表示符号（1）：nMOS管可分为管可分为增强型与耗尽型增强型与耗尽型两类：两类：o增强型是指在栅源电压增强型是指在栅源电压VGS为为0时没有导电沟道，而时没有导电沟道，而必须依靠栅源电压的作用，才能形成感生沟道的必须依靠栅源电压的作用，才能形成感生沟道的MOS晶体管；晶体管；o耗尽型是指即使在栅源电压耗尽型是指即使在栅源电压VGS为为0时时MOS晶体管晶体管也存在导电沟道。也存在导电沟道。n这两类这两类MOS管的基本工作原理一致，都是利用管的基本工作原理一致，都是利用栅源电压的大小来改变半导体表面感生电荷的栅源电压的大

9、小来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小多少，从而控制漏极电流的大小 。有源器件有源器件MOS管管oMOS管的管的工作原理工作原理及表示符号（及表示符号（2）：）：n当栅源电压当栅源电压VGS=0时，源区（时，源区（n型）、衬底（型）、衬底（p型）和漏区（型）和漏区（n型）型）形成两个背靠背的形成两个背靠背的PN结，不管结，不管VDS的极性如何，其中总有一个的极性如何，其中总有一个PN结结是反偏的，所以源漏之间的电阻主要为是反偏的，所以源漏之间的电阻主要为PN结的反偏电阻，基本上无结的反偏电阻，基本上无电流流过，即漏电流电流流过，即漏电流ID为为0，此时漏源之间的电阻很大，没有

10、形成导，此时漏源之间的电阻很大，没有形成导电沟道。电沟道。n当栅源之间加上正向电压，则栅极和当栅源之间加上正向电压，则栅极和p型硅片之间构成了以二氧化硅型硅片之间构成了以二氧化硅为介质的平板电容器，在正的栅源电压作用下，介质中便产生了一个为介质的平板电容器，在正的栅源电压作用下，介质中便产生了一个垂直于半导体表面的由栅极指向垂直于半导体表面的由栅极指向p型衬底的电场（由于绝缘层很薄，型衬底的电场（由于绝缘层很薄，即使只有几伏的栅源电压即使只有几伏的栅源电压VGS，也可产生高达，也可产生高达105106V/cm数量数量级的强电场），这个电场排斥空穴而吸引电子，因此，使栅极附近的级的强电场），这个

11、电场排斥空穴而吸引电子，因此，使栅极附近的p型衬底中的空穴被排斥，留下不能移动的受主离子（负离子），形型衬底中的空穴被排斥，留下不能移动的受主离子（负离子），形成耗尽层，同时成耗尽层，同时p型衬底中的少子（电子）被吸引到衬底表面。型衬底中的少子（电子）被吸引到衬底表面。有源器件有源器件MOS管管oMOS管的管的工作原理工作原理及表示符号（及表示符号（3）：）：n当正的栅源电压达到一定数值时，这些电子在栅极附近的当正的栅源电压达到一定数值时，这些电子在栅极附近的p型硅表型硅表面便形成了一个面便形成了一个n型薄层，通常把这个在型薄层，通常把这个在p型硅表面形成的型硅表面形成的n型薄层型薄层称为反型

12、层，这个反型层实际上就构成了源极和漏极间的称为反型层，这个反型层实际上就构成了源极和漏极间的n型导电型导电沟道。由于它是栅源正电压感应产生的，所以也称感生沟道。显然，沟道。由于它是栅源正电压感应产生的，所以也称感生沟道。显然，栅源电压栅源电压VGS正得愈多，则作用于半导体表面的电场就愈强，吸引正得愈多，则作用于半导体表面的电场就愈强，吸引到到p型硅表面的电子就愈多，感生沟道（反型层）将愈厚，沟道电型硅表面的电子就愈多，感生沟道（反型层）将愈厚，沟道电阻将愈小。阻将愈小。n感生沟道形成后，原来被感生沟道形成后，原来被p型衬底隔开的两个型衬底隔开的两个n型区（源区和漏区）型区（源区和漏区）就通过感

13、生沟道连在一起了。因此，在正的漏极电压作用下，将产就通过感生沟道连在一起了。因此，在正的漏极电压作用下，将产生漏极电流生漏极电流ID。一般把在漏源电压作用下开始导电时的栅源电压叫。一般把在漏源电压作用下开始导电时的栅源电压叫做开启电压做开启电压Vth。n注意：注意：与双极型晶体管相比，一个与双极型晶体管相比，一个MOS器件即使在无电流流过时器件即使在无电流流过时也可能是开通的也可能是开通的。 有源器件有源器件MOS管管oMOS管的管的工作原理工作原理及表示符号（及表示符号（4）：）：n当当VGSVth时，外加较小的时，外加较小的VDS，ID将随将随VDS上升迅速增大，此时上升迅速增大，此时为线

14、性区，但由于沟道存在电位梯度，因此沟道厚度是不均匀的。为线性区，但由于沟道存在电位梯度，因此沟道厚度是不均匀的。n当当VDS增大到一定数值（例如增大到一定数值（例如VGD=VGS，VDS=Vth），靠近漏端被），靠近漏端被夹断，夹断，VDS继续增加，将形成一夹断区，且夹断点向源极靠近，沟继续增加，将形成一夹断区，且夹断点向源极靠近，沟道被夹断后，道被夹断后，VDS上升时，其增加的电压基本上加在沟道厚度为零上升时，其增加的电压基本上加在沟道厚度为零的耗尽区上，而沟道两端的电压保持不变，所以的耗尽区上，而沟道两端的电压保持不变，所以ID趋于饱和而不再趋于饱和而不再增加。另外，当增加。另外，当VGS

15、增加时，由于沟道电阻的减小，饱和漏极电流增加时，由于沟道电阻的减小，饱和漏极电流会相应增大。会相应增大。在模拟电路集成电路中饱和区是在模拟电路集成电路中饱和区是MOS管的主要工作管的主要工作区区。n若若VDS大于击穿电压大于击穿电压BVDS（二极管的反向击穿电压），漏极与衬底（二极管的反向击穿电压），漏极与衬底之间的之间的PN结发生反向击穿，结发生反向击穿，ID将急剧增加，进入雪崩区，此时漏将急剧增加，进入雪崩区，此时漏极电流不经过沟道，而直接由漏极流入衬底。极电流不经过沟道，而直接由漏极流入衬底。有源器件有源器件MOS管管MOS管的工作原理及管的工作原理及表示符号表示符号（5）有源器件有源器

16、件MOS管管MOS管的高频小信号电容管的高频小信号电容oMOS管的电容（管的电容（1） oMOS管的电容（管的电容（2）：）：n栅与沟道之间的栅与沟道之间的栅氧电容栅氧电容oC2=WLCox，其中，其中Cox为单位面积栅氧电容为单位面积栅氧电容ox/tox；n沟道沟道耗尽层电容耗尽层电容：on交叠电容交叠电容（多晶栅覆盖源漏区所形成的电容，每单位宽度的（多晶栅覆盖源漏区所形成的电容，每单位宽度的交叠电容记为交叠电容记为Col）：）：o包括栅源交叠电容与栅漏交叠电容：由于是环状的电场线，包括栅源交叠电容与栅漏交叠电容：由于是环状的电场线， C1与与C4不能简单地写成不能简单地写成WdCox，需通

17、过更复杂的计算才，需通过更复杂的计算才能得到，且它的值与衬底偏置有关。能得到，且它的值与衬底偏置有关。FsubsiNqWLC43MOS管的高频小信号电容管的高频小信号电容oMOS管的电容（管的电容（3）：）：n源漏区与衬底间的源漏区与衬底间的结电容：结电容：Cbd、Cbso即为漏源对衬底的即为漏源对衬底的PN结势垒电容，这种电容一般由两部分组成：一个结势垒电容，这种电容一般由两部分组成：一个是垂直方向（即源漏区的底部与衬底间）的底层电容是垂直方向（即源漏区的底部与衬底间）的底层电容Cj，另一个是横向，另一个是横向即源漏的四周与衬底间构成的圆周电容即源漏的四周与衬底间构成的圆周电容Cjs，因为不

18、同三极管的几何尺，因为不同三极管的几何尺寸会产生不同的源漏区面积和圆周尺寸值，一般分别定义寸会产生不同的源漏区面积和圆周尺寸值，一般分别定义Cj与与Cjs为单为单位面积的电容与单位长度的电容。而每一个单位面积位面积的电容与单位长度的电容。而每一个单位面积PN结的势垒电容结的势垒电容为：为： Cj0：PN结在零偏时单位底面积结电容（与衬底浓度有关）结在零偏时单位底面积结电容（与衬底浓度有关）VR：通过通过PN结的反偏电压结的反偏电压B ：漏源区与衬底间：漏源区与衬底间PN结接触势垒差（一般取结接触势垒差（一般取0.8V）m：底面电容的梯度因子，一般取介于：底面电容的梯度因子，一般取介于0.3与与

19、0.4间的系数。间的系数。 mBRjjVCC10MOS管的高频小信号电容管的高频小信号电容oMOS管的电容（管的电容（4）：）：n源漏的源漏的总结电容总结电容可表示为：可表示为：H：源、漏区的长度：源、漏区的长度W：源、漏区的宽度。：源、漏区的宽度。n因此在总的宽长比相同的情况下，采用并联结构，因此在总的宽长比相同的情况下，采用并联结构，即即H不变，而每一管的宽为原来的几分之一，则由不变，而每一管的宽为原来的几分之一，则由上式可以发现并联结构的上式可以发现并联结构的MOS管的结电容比原结管的结电容比原结构小构小 。jsjbsbdCHWWHCC)(,MOS管的高频小信号电容管的高频小信号电容MO

20、S管的电容随栅源电压的变化管的电容随栅源电压的变化 MOS管的电容随栅源电压的变化管的电容随栅源电压的变化截止区截止区o漏源之间不存在沟道，则有：漏源之间不存在沟道，则有：n栅源、栅漏之间的电容为：栅源、栅漏之间的电容为：CGD=CGS=ColW；n栅与衬底间的电容为栅氧电容与耗尽区电容之间的串联：栅与衬底间的电容为栅氧电容与耗尽区电容之间的串联：CGB=(WLCox)Cd/(WLCox+ Cd)，L为沟道的有效长度为沟道的有效长度在截止时，耗尽区电容较大，故可忽略，因此在截止时，耗尽区电容较大，故可忽略，因此CGB=WLCox。nCSB与与CDB的值相对于衬底是源漏间电压的函数的值相对于衬底

21、是源漏间电压的函数 FsubsidNqWLC4MOS管的电容随栅源电压的变化管的电容随栅源电压的变化饱和区饱和区 o栅漏电容大约为：栅漏电容大约为：WCol。o漏端夹断，沟道长度缩短，从沟道电荷分布相当于漏端夹断，沟道长度缩短，从沟道电荷分布相当于CGS增大，增大，CGD减小，栅与沟道间的电位差从源区的减小，栅与沟道间的电位差从源区的VGS下降到夹断点的下降到夹断点的VGS-Vth，导致了在栅氧下的沟，导致了在栅氧下的沟道内的垂直电场的不一致。可以证明这种结构栅源的道内的垂直电场的不一致。可以证明这种结构栅源的过覆盖电容的等效电容为：过覆盖电容的等效电容为：2 WLCox /3o因此有：因此有

22、：CGS=2WLCox/3+ WCol MOS管的电容随栅源电压的变化管的电容随栅源电压的变化线性区线性区o漏源之间产生反型层并且沟道与衬底之间形成较厚的漏源之间产生反型层并且沟道与衬底之间形成较厚的耗尽层，产生较小的耗尽层电容，此时栅极电容为：耗尽层，产生较小的耗尽层电容，此时栅极电容为：CGD = CGS = WLCox /2+ WCol o因为因为S和和D具有几乎相等的电压，且栅电压变化具有几乎相等的电压，且栅电压变化V就就会使相同的电荷从源区流向漏区，则其栅与沟道间的会使相同的电荷从源区流向漏区，则其栅与沟道间的电容电容WLCox等于栅源及栅漏间的电容。等于栅源及栅漏间的电容。MOS管

23、的电容随栅源电压的变化管的电容随栅源电压的变化总结总结o注意：注意：o在不同区域之间的转变不能由方程直接提供，只是根据趋势延伸而得在不同区域之间的转变不能由方程直接提供，只是根据趋势延伸而得 。o当工作在三极管区与饱和区时，栅与衬底间的电容常被忽略，这是由于反型层当工作在三极管区与饱和区时，栅与衬底间的电容常被忽略，这是由于反型层在栅与衬底间起着屏蔽作用，也就是说如果栅压发生了改变，电荷的提供主要经在栅与衬底间起着屏蔽作用，也就是说如果栅压发生了改变，电荷的提供主要经由源与漏而不是衬底由源与漏而不是衬底 。MOS管的电特性管的电特性主要指：主要指：o阈值电压阈值电压oI/V特性特性o输入输出转

24、移特性输入输出转移特性o跨导等电特性跨导等电特性 MOS管的电特性管的电特性 阈值电压（阈值电压（NMOS）o在漏源电压的作用下刚开始有电流产生时的在漏源电压的作用下刚开始有电流产生时的VG为阈值电压为阈值电压Vth ：MS：指多晶硅栅与硅衬底间的接触电势差：指多晶硅栅与硅衬底间的接触电势差称为费米势，其中称为费米势，其中q是电子电荷是电子电荷Nsub：衬底的掺杂浓度：衬底的掺杂浓度Qb：耗尽区的电荷密度，其值为，其中：耗尽区的电荷密度，其值为，其中是硅的介电常数是硅的介电常数Cox：单位面积的栅氧电容，：单位面积的栅氧电容，Qss：氧化层中单位面积的正电荷：氧化层中单位面积的正电荷VFB：平

25、带电压，：平带电压，VFB FBfoxboxssV2CQCQ2oxbfMSthCQV)ln()(isubfnNqkTsubfsibNqQ4sioxoxnoxtC/0sioxoxssMSCQMOS管的电特性管的电特性 阈值电压阈值电压o同理同理PMOS管的阈值电压可表示为：管的阈值电压可表示为：o注意：注意：n器件的阈值电压主要通过改变器件的阈值电压主要通过改变衬底掺杂浓度衬底掺杂浓度、衬底表面浓度衬底表面浓度或或改变氧改变氧化层中的电荷密度化层中的电荷密度来调整，对于增强型来调整，对于增强型MOS管，适当增加衬底浓度，管，适当增加衬底浓度，减小氧化层中的正电荷即可使其阈值大于减小氧化层中的正电

26、荷即可使其阈值大于0；而氧化层中的正电荷较；而氧化层中的正电荷较大或衬底浓度太小都可形成耗尽型大或衬底浓度太小都可形成耗尽型NMOS 。n实际上，用以上方程求出的实际上，用以上方程求出的“内在内在”阈值在电路设计过程中可能不适阈值在电路设计过程中可能不适用，在实际设计过程中，常通过改变多晶与硅之间的接触电势即：用，在实际设计过程中，常通过改变多晶与硅之间的接触电势即：在在沟道中注入杂质沟道中注入杂质，或通过，或通过对多晶硅掺杂金属对多晶硅掺杂金属的方法来调整阈值电压。的方法来调整阈值电压。比如：若在比如：若在p型衬底中掺杂三价离子形成一层薄的型衬底中掺杂三价离子形成一层薄的p区，为了实现耗区，

27、为了实现耗尽，其栅电压必须提高，从而提高了阈值电压。尽，其栅电压必须提高，从而提高了阈值电压。FBfoxboxssV2CQCQ2oxbfMSthCQVMOS管的电特性管的电特性输出特性（输出特性（I/V特性）特性） oMOS晶体管的输出电流电压特性的经典描述是萨氏方程。晶体管的输出电流电压特性的经典描述是萨氏方程。o忽略二次效应忽略二次效应，对于，对于NMOS管导通时的萨氏方程为：管导通时的萨氏方程为：VGSVth：MOS管的管的“过驱动电压过驱动电压”L：指沟道的有效长度：指沟道的有效长度W/L称为宽长比称为宽长比，称为，称为NMOS管的导电因子管的导电因子oID的值取决于工艺参数：的值取决

28、于工艺参数：nCox、器件尺寸、器件尺寸W和和L、VDS及及VGS。 2GSN2)2(VK 21)(DSDSthDSDSthGSoxnDVVVVVVVLWCILWCKoxnN21MOS管的电特性管的电特性输出特性（输出特性（I/V特性）特性）o截止区：截止区：VGSVth，ID0；o线性区：线性区：VDSVGSVth，漏极电流即为萨氏方程。漏极电流即为萨氏方程。o深三极管区：深三极管区：VDS2（VGSVth）时称）时称MOS管工作在，萨氏管工作在，萨氏方程可近似为：方程可近似为： o上式表明在上式表明在VDS较小时，较小时，ID是是VDS的线性函数，即这时的线性函数，即这时MOS管可管可等效

29、为一个电阻，其阻值为：等效为一个电阻，其阻值为： o即：处于深三极管区的即：处于深三极管区的MOS管可等效为一个受过驱动电压控制管可等效为一个受过驱动电压控制的可控电阻，当的可控电阻，当VGS一定时，沟道直流导通电阻近似为一恒定的一定时，沟道直流导通电阻近似为一恒定的电阻。电阻。DSthGSNDVVVKI 2thGSNDDSonVVKIVR21MOS管的电特性输出特性（管的电特性输出特性（I/V特性）特性）o饱和区：饱和区：VDSVGSVth：n漏极电流并不是随漏极电流并不是随VDS增大而无限增大的，在增大而无限增大的，在VDSVGSVth时，时，MOS管进入饱和区：此时在沟道中发生了夹断现管进入饱和区：此时在沟道中发生了夹断现象。象。 n萨氏方程两边对萨氏方程两边对VDS求导，可求出当求导，可求出当VDSVGSVth时，电时，电流有最大值，其值为：流有最大值，其值为： n这就是饱和萨氏方程。这就是饱和萨氏方程。 22 21thGSNthGSoxnDVVKVVLWCIMOS管的电特性管的电特性输出特性（输出特性（I/V特性）特性）