第2章MOS器件物理.ppt

CMOS模擬集成電路分析與設(shè)計(jì),主講教師：吳建輝TEL：83793265-8411Email:wjh,教材及參考書,教材：吳建輝編著：“CMOS模擬集成電路分析與設(shè)計(jì)”，電子工業(yè)出版社。參考書：RazaviB:DesignofanalogCMOSintegratedcircuitsAllenPE:CMOSAnalogCircuitDesignR.JacobBaker:CMOSMixed-SignalCircuitDesign,半導(dǎo)體材料(襯底)有源器件特性,第一講,基本MOS器件物理,本章主要內(nèi)容,本章是CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，主要內(nèi)容為：1、有源器件：主要從MOS晶體管的基本結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析其閾值電壓及基本特性（輸入輸出特性、轉(zhuǎn)移特性等）；介紹MOS管的寄生電容；講解MOS管的主要的二次效應(yīng)，進(jìn)而得出其低頻小信號(hào)等效模型和高頻小信號(hào)等效模型；介紹有源電阻的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)。2、無源器件：模擬集成電路中常用的電阻、電容的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)。3、等比例縮小理論；4、短溝道效應(yīng)及狹溝道效應(yīng)；5、MOS器件模型。,1、有源器件,主要內(nèi)容：幾何結(jié)構(gòu)工作原理MOS管的寄生電容電學(xué)特性MOS管主要的二次效應(yīng)低頻小信號(hào)等效模型高頻小信號(hào)等效模型有源電阻,有源器件MOS管,結(jié)構(gòu)與幾何參數(shù)（1）,結(jié)構(gòu)與幾何參數(shù)（2）：在柵氧下的襯底區(qū)域?yàn)槠骷挠行Чぷ鲄^(qū)（即MOS管的溝道）。MOS管的兩個(gè)有源區(qū)（源區(qū)與漏區(qū)）在制作時(shí)是幾何對(duì)稱的：一般根據(jù)電荷的輸入與輸出來定義源區(qū)與漏區(qū)：源端被定義為輸出電荷（若為NMOS器件則為電子）的端口；而漏端則為收集電荷的端口。當(dāng)該器件三端的電壓發(fā)生改變時(shí)，源區(qū)與漏區(qū)就可能改變作用而相互交換定義。在模擬IC中還要考慮襯底（B）的影響，襯底電位一般是通過一歐姆p區(qū)（NMOS的襯底）以及n區(qū)(PMOS襯底)實(shí)現(xiàn)連接的，所以在模擬集成電路中對(duì)于MOS晶體管而言，是一四端口器件。,有源器件MOS管,結(jié)構(gòu)與幾何參數(shù)（3）：注意：在數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)，由于源/漏區(qū)的結(jié)二極管必須為反偏，NMOS晶體管的襯底必須連接到系統(tǒng)的最低電位，而PMOS晶體管的襯底（即為n阱）必須連接到系統(tǒng)的最高電位，即在數(shù)字集成電路中MOS晶體管可看成三端口器件。對(duì)于單阱工藝而言，如n阱工藝，所有的NMOS管具有相同的襯底電位，而對(duì)于PMOS管而言可以有一個(gè)獨(dú)立的n阱，則可以接不同的阱電位，即其襯底電位可以不同?，F(xiàn)在很多的CMOS工藝線采用了雙阱工藝，即把NMOS管與PMOS管都制作在各自的阱內(nèi)：NMOS管在p阱內(nèi)，PMOS管在n阱內(nèi)；因此，對(duì)于每一個(gè)NMOS管與PMOS管都可以有各自的襯底電位。,有源器件MOS管,結(jié)構(gòu)與幾何參數(shù)（4）：溝道長(zhǎng)度L：由于CMOS工藝的自對(duì)準(zhǔn)的特點(diǎn)，其溝道長(zhǎng)度定義為漏源之間柵的尺寸，一般其最小尺寸即為制造工藝中所給的特征尺寸；由于在制造漏/源結(jié)時(shí)會(huì)發(fā)生邊緣擴(kuò)散，所以源漏之間的實(shí)際距離（稱之為有效長(zhǎng)度L）略小于長(zhǎng)度L，則有LL2d，其中L是漏源之間的總長(zhǎng)度，d是邊緣擴(kuò)散的長(zhǎng)度。溝道寬度W：垂直于溝道長(zhǎng)度方向的柵的尺寸。柵氧厚度tox：則為柵極與襯底之間的二氧化硅的厚度。,有源器件MOS管,MOS管的工作原理及表示符號(hào)（1）：MOS管可分為增強(qiáng)型與耗盡型兩類：增強(qiáng)型是指在柵源電壓VGS為0時(shí)沒有導(dǎo)電溝道，而必須依靠柵源電壓的作用，才能形成感生溝道的MOS晶體管；耗盡型是指即使在柵源電壓VGS為0時(shí)MOS晶體管也存在導(dǎo)電溝道。這兩類MOS管的基本工作原理一致，都是利用柵源電壓的大小來改變半導(dǎo)體表面感生電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。,有源器件MOS管,MOS管的工作原理及表示符號(hào)（2）：當(dāng)柵源電壓VGS=0時(shí)，源區(qū)（n型）、襯底（p型）和漏區(qū)（n型）形成兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，不管VDS的極性如何，其中總有一個(gè)PN結(jié)是反偏的，所以源漏之間的電阻主要為PN結(jié)的反偏電阻，基本上無電流流過，即漏電流ID為0，此時(shí)漏源之間的電阻很大，沒有形成導(dǎo)電溝道。當(dāng)柵源之間加上正向電壓，則柵極和p型硅片之間構(gòu)成了以二氧化硅為介質(zhì)的平板電容器，在正的柵源電壓作用下，介質(zhì)中便產(chǎn)生了一個(gè)垂直于半導(dǎo)體表面的由柵極指向p型襯底的電場(chǎng)（由于絕緣層很薄，即使只有幾伏的柵源電壓VGS，也可產(chǎn)生高達(dá)105106V/cm數(shù)量級(jí)的強(qiáng)電場(chǎng)），這個(gè)電場(chǎng)排斥空穴而吸引電子，因此，使柵極附近的p型襯底中的空穴被排斥，留下不能移動(dòng)的受主離子（負(fù)離子），形成耗盡層，同時(shí)p型襯底中的少子（電子）被吸引到襯底表面。,有源器件MOS管,MOS管的工作原理及表示符號(hào)（3）：當(dāng)正的柵源電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，這些電子在柵極附近的p型硅表面便形成了一個(gè)n型薄層，通常把這個(gè)在p型硅表面形成的n型薄層稱為反型層，這個(gè)反型層實(shí)際上就構(gòu)成了源極和漏極間的n型導(dǎo)電溝道。由于它是柵源正電壓感應(yīng)產(chǎn)生的，所以也稱感生溝道。顯然，柵源電壓VGS正得愈多，則作用于半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)就愈強(qiáng)，吸引到p型硅表面的電子就愈多，感生溝道（反型層）將愈厚，溝道電阻將愈小。感生溝道形成后，原來被p型襯底隔開的兩個(gè)n型區(qū)（源區(qū)和漏區(qū)）就通過感生溝道連在一起了。因此，在正的漏極電壓作用下，將產(chǎn)生漏極電流ID。一般把在漏源電壓作用下開始導(dǎo)電時(shí)的柵源電壓叫做開啟電壓Vth。注意：與雙極型晶體管相比，一個(gè)MOS器件即使在無電流流過時(shí)也可能是開通的。,有源器件MOS管,MOS管的工作原理及表示符號(hào)（4）：當(dāng)VGSVth時(shí)，外加較小的VDS，ID將隨VDS上升迅速增大，此時(shí)為線性區(qū)，但由于溝道存在電位梯度，因此溝道厚度是不均勻的。當(dāng)VDS增大到一定數(shù)值（例如VGD=VGS，VDS=Vth），靠近漏端被夾斷，VDS繼續(xù)增加，將形成一夾斷區(qū)，且夾斷點(diǎn)向源極靠近，溝道被夾斷后，VDS上升時(shí)，其增加的電壓基本上加在溝道厚度為零的耗盡區(qū)上，而溝道兩端的電壓保持不變，所以ID趨于飽和而不再增加。另外，當(dāng)VGS增加時(shí)，由于溝道電阻的減小，飽和漏極電流會(huì)相應(yīng)增大。在模擬電路集成電路中飽和區(qū)是MOS管的主要工作區(qū)。若VDS大于擊穿電壓BVDS（二極管的反向擊穿電壓），漏極與襯底之間的PN結(jié)發(fā)生反向擊穿，ID將急劇增加，進(jìn)入雪崩區(qū)，此時(shí)漏極電流不經(jīng)過溝道，而直接由漏極流入襯底。,有源器件MOS管,MOS管的工作原理及表示符號(hào)（5）,有源器件MOS管,MOS管的高頻小信號(hào)電容,MOS管的電容（1）,MOS管的電容（2）：柵與溝道之間的柵氧電容C2=WLCox，其中Cox為單位面積柵氧電容ox/tox；溝道耗盡層電容：交疊電容（多晶柵覆蓋源漏區(qū)所形成的電容，每單位寬度的交疊電容記為Col）：包括柵源交疊電容C1WdCol與柵漏交疊電容C4=WdCol：由于是環(huán)狀的電場(chǎng)線，C1與C4不能簡(jiǎn)單地寫成WdCox，需通過更復(fù)雜的計(jì)算才能得到，且它的值與襯底偏置有關(guān)。,MOS管的高頻小信號(hào)電容,MOS管的電容（3）：源漏區(qū)與襯底間的結(jié)電容：Cbd、Cbs即為漏源對(duì)襯底的PN結(jié)勢(shì)壘電容，這種電容一般由兩部分組成：一個(gè)是垂直方向（即源漏區(qū)的底部與襯底間）的底層電容Cj，另一個(gè)是橫向即源漏的四周與襯底間構(gòu)成的圓周電容Cjs，因?yàn)椴煌龢O管的幾何尺寸會(huì)產(chǎn)生不同的源漏區(qū)面積和圓周尺寸值，一般分別定義Cj與Cjs為單位面積的電容與單位長(zhǎng)度的電容。而每一個(gè)單位面積PN結(jié)的勢(shì)壘電容為：Cj0：PN結(jié)在零偏時(shí)單位底面積結(jié)電容（與襯底濃度有關(guān)）VR：通過PN結(jié)的反偏電壓B：漏源區(qū)與襯底間PN結(jié)接觸勢(shì)壘差（一般取0.8V）m：底面電容的梯度因子，一般取介于0.3與0.4間的系數(shù)。,MOS管的高頻小信號(hào)電容,MOS管的電容（4）：源漏的總結(jié)電容可表示為：H：源、漏區(qū)的長(zhǎng)度W：源、漏區(qū)的寬度。因此在總的寬長(zhǎng)比相同的情況下，采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，即H不變，而每一管的寬為原來的幾分之一，則由上式可以發(fā)現(xiàn)并聯(lián)結(jié)構(gòu)的MOS管的結(jié)電容比原結(jié)構(gòu)小。,MOS管的高頻小信號(hào)電容,MOS管的電容隨柵源電壓的變化,MOS管的電容隨柵源電壓的變化截止區(qū),漏源之間不存在溝道，則有：柵源、柵漏之間的電容為：CGD=CGS=ColW；柵與襯底間的電容為柵氧電容與耗盡區(qū)電容之間的串聯(lián)：CGB=(WLCox)Cd/(WLCox+Cd)，L為溝道的有效長(zhǎng)度在截止時(shí)，耗盡區(qū)電容較大，故可忽略，因此CGB=WLCox。CSB與CDB的值相對(duì)于襯底是源漏間電壓的函數(shù),MOS管的電容隨柵源電壓的變化飽和區(qū),柵漏電容大約為：WCol。漏端夾斷，溝道長(zhǎng)度縮短，從溝道電荷分布相當(dāng)于CGS增大，CGD減小，柵與溝道間的電位差從源區(qū)的VGS下降到夾斷點(diǎn)的VGS-Vth，導(dǎo)致了在柵氧下的溝道內(nèi)的垂直電場(chǎng)的不一致?？梢宰C明這種結(jié)構(gòu)柵源的過覆蓋電容的等效電容為：2WLCox/3因此有：CGS=2WLCox/3+WCol,MOS管的電容隨柵源電壓的變化線性區(qū),漏源之間產(chǎn)生反型層并且溝道與襯底之間形成較厚的耗盡層，產(chǎn)生較小的耗盡層電容，此時(shí)柵極電容為：CGD=CGS=WLCox/2+WCol因?yàn)镾和D具有幾乎相等的電壓，且柵電壓變化V就會(huì)使相同的電荷從源區(qū)流向漏區(qū)，則其柵與溝道間的電容WLCox等于柵源及柵漏間的電容。,MOS管的電容隨柵源電壓的變化總結(jié),注意：在不同區(qū)域之間的轉(zhuǎn)變不能由方程直接提供，只是根據(jù)趨勢(shì)延伸而得。當(dāng)工作在三極管區(qū)與飽和區(qū)時(shí)，柵與襯底間的電容常被忽略，這是由于反型層在柵與襯底間起著屏蔽作用，也就是說如果柵壓發(fā)生了改變，電荷的提供主要經(jīng)由源與漏而不是襯底。,MOS管的電特性,主要指：閾值電壓I/V特性輸入輸出轉(zhuǎn)移特性跨導(dǎo)等電特性,MOS管的電特性閾值電壓（NMOS）,在漏源電壓的作用下剛開始有電流產(chǎn)生時(shí)的VG為閾值電壓Vth：MS：指多晶硅柵與硅襯底間的接觸電勢(shì)差稱為費(fèi)米勢(shì)，其中q是電子電荷Nsub：襯底的摻雜濃度Qb：耗盡區(qū)的電荷密度，其值為，其中是硅的介電常數(shù)Cox：?jiǎn)挝幻娣e的柵氧電容，Qss：氧化層中單位面積的正電荷VFB：平帶電壓，VFB,MOS管的電特性閾值電壓,同理PMOS管的閾值電壓可表示為：注意：器件的閾值電壓主要通過改變襯底摻雜濃度、襯底表面濃度或改變氧化層中的電荷密度來調(diào)整，對(duì)于增強(qiáng)型MOS管，適當(dāng)增加襯底濃度，減小氧化層中的正電荷即可使其閾值大于0；而氧化層中的正電荷較大或襯底濃度太小都可形成耗盡型NMOS。實(shí)際上，用以上方程求出的“內(nèi)在”閾值在電路設(shè)計(jì)過程中可能不適用，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，常通過改變多晶與硅之間的接觸電勢(shì)即：在溝道中注入雜質(zhì)，或通過對(duì)多晶硅摻雜金屬的方法來調(diào)整閾值電壓。比如：若在p型襯底中摻雜三價(jià)離子形成一層薄的p區(qū)，為了實(shí)現(xiàn)耗盡，其柵電壓必須提高，從而提高了閾值電壓。,MOS管的電特性輸出特性（I/V特性）,MOS晶體管的輸出電流電壓特性的經(jīng)典描述是薩氏方程。忽略二次效應(yīng)，對(duì)于NMOS管導(dǎo)通時(shí)的薩氏方程為：VGSVth：MOS管的“過驅(qū)動(dòng)電壓”L：指溝道的有效長(zhǎng)度W/L稱為寬長(zhǎng)比，稱為NMOS管的導(dǎo)電因子ID的值取決于工藝參數(shù)：nCox、器件尺寸W和L、VDS及VGS。,MOS管的電特性輸出特性（I/V特性）,截止區(qū)：VGSVth，ID0；線性區(qū)：VDSVGSVth，漏極電流即為薩氏方程。深三極管區(qū)：VDS1，所以gmID/VT，即MOS管的最大跨導(dǎo)比雙極型晶體管（IC/VT）小。且根據(jù)跨導(dǎo)的定義，ID不變而增大器件寬W可以提高跨導(dǎo)，但I(xiàn)D保持不變的條件是必須降低MOS管的過驅(qū)動(dòng)電壓。,亞閾值效應(yīng),因此在亞閾值區(qū)域，大器件寬度（存在大的寄生電容）或小的漏極電流的MOS管具有較高的增益。為了得到亞閾值區(qū)的MOS管的大的跨導(dǎo)，其工作速度受限（大的器件尺寸引入了大的寄生電容）。,溫度效應(yīng),溫度效應(yīng)對(duì)MOS管的性能的影響主要體現(xiàn)在閾值電壓Vth與載流子遷移率隨溫度的變化。閾值電壓Vth隨溫度的變化：以NMOS管為例，閾值電壓表達(dá)式兩邊對(duì)溫度T求導(dǎo)可以得到,溫度效應(yīng),上式一直為負(fù)值，即閾值電壓隨溫度上升而下降。對(duì)于PMOS管則dVth/dT總為正值，即閾值電壓隨溫度的上升而增大。,溫度效應(yīng),載流子遷移率隨溫度的變化實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于MOS管，如果其表面電場(chǎng)小于105V/cm，則溝道中電子與空穴的有效遷移率近似為常數(shù)，并約為半導(dǎo)體體內(nèi)遷移率的一半。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，在器件工作的正常溫度范圍內(nèi)，遷移率與溫度近似成反比關(guān)系。,溫度效應(yīng),漏源電流IDS隨溫度的變化根據(jù)以上的分析，溫度的變化會(huì)引起閾值電壓與遷移率的變化，進(jìn)而影響其漏源電流。由薩氏公式兩邊對(duì)T求導(dǎo)得：,溫度效應(yīng),則有：由于溫度的變化對(duì)閾值電壓與遷移率的影響正好是反向的，漏源電流IDS隨溫度的變化取決于這兩項(xiàng)的綜合，因此，MOS管的電性能的溫度穩(wěn)定性比雙極型的晶體管好。,MOS管的小信號(hào)模型,MOS管交流小信號(hào)模型-低頻,小信號(hào)是指對(duì)偏置的影響非常小的信號(hào)。由于在很多模擬電路中，MOS管被偏置在飽和區(qū)，所以主要推導(dǎo)出在飽和區(qū)的小信號(hào)模型。在飽和區(qū)時(shí)MOS管的漏極電流是柵源電壓的函數(shù)，即為一個(gè)壓控電流源，電流值為gmVGS，且由于柵源之間的低頻阻抗很高，因此可得到一個(gè)理想的MOS管的小信號(hào)模型，如圖所示。,MOS管交流小信號(hào)模型-低頻,(a)(b),MOS管交流小信號(hào)模型-低頻,其中（a）為理想的小信號(hào)模型。實(shí)際的模擬集成電路中MOS管存在著二階效應(yīng)，而由于溝道調(diào)制效應(yīng)等效于漏源之間的電阻ro；而襯底偏置效應(yīng)則體現(xiàn)為背柵效應(yīng)，即可用漏源之間的等效壓控電流源gmbVBS表示，因此MOS管在飽和時(shí)的小信號(hào)等效模型如圖(b)所示。上圖所示的等效電路是最基本的，根據(jù)MOS管在電路中不同的接法可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化。,MOS管交流小信號(hào)模型-高頻,在高頻應(yīng)用時(shí)，MOS管的分布電容就不能忽略。即在考慮高頻交流小信號(hào)工作時(shí)必須考慮MOS管的分布電容對(duì)電路性的影響，所以MOS管的高頻小信號(hào)等效電路可以在其低頻小信號(hào)等效電路的基礎(chǔ)上加入MOS管的級(jí)間電容實(shí)現(xiàn)，如圖所示。,MOS管交流小信號(hào)模型-高頻,MOS管交流小信號(hào)模型-高頻,不同工作狀態(tài)（截止、飽和、線性）時(shí)MOS管的分布電容值不同，因此若進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算比較困難，但可以通過軟件模擬進(jìn)行分析。另外，在高頻電路中必須注意其工作頻率受MOS管的最高工作頻率的限制（即電路的工作頻率如高于MOS管的最高工作頻率時(shí)，電路不能正常工作）。,CMOS中的有源電阻,有源電阻,MOS管的適當(dāng)連接使其工作在一定狀態(tài)（飽和區(qū)或是線性區(qū)），利用其直流電阻與交流電阻可以作為電路中的電阻元件使用。1MOS二極管作電阻MOS二極管是指把MOS晶體管的柵極與漏極相互短接構(gòu)成二端器件，如圖所示。,有源電阻,由上圖可知，MOS二極管的柵極與漏極具有同的電位，MOS管總是工作在飽和區(qū)，根據(jù)飽和薩氏方程可知其轉(zhuǎn)移特性曲線（漏極電流柵源電壓間的關(guān)系曲線）如下圖所示。,NMOSPMOS,有源電阻,(一)直流電阻此時(shí)NMOS管的直流電阻為：PMOS管的直流電阻為：由以上兩式可以發(fā)現(xiàn)：MOS二極管的直流電阻與器件的尺寸相關(guān)，并且還取決于VGS的值。,有源電阻,（二）交流電阻交流電阻可以視為MOS管的輸出特性曲線在VDSVGS時(shí)的斜率，對(duì)于理想的情況，即忽略溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)，其值為無窮大?？紤]溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)，交流電阻是一有限值，但遠(yuǎn)大于在該工作點(diǎn)上的直流電阻，且其值基本恒定。,有源電阻,1）忽略襯底偏置效應(yīng)首先根據(jù)飽和薩氏方程，可得到其電壓與電流特性：則有：上式說明當(dāng)流過三極管的電流確定后，MOS管的二端壓降僅與幾何尺寸有關(guān)。,有源電阻,再根據(jù)MOS二極管的低頻小信號(hào)模型，有：V1V和IV/rogmV。所以小信號(hào)工作時(shí)MOS二極管可近似為一個(gè)兩端電阻，其值為：