集成電路中器件及模型chap3-1

1、MOSMOS晶體管結(jié)構(gòu)和基本原理晶體管結(jié)構(gòu)和基本原理MOSMOS中二級效應(yīng)中二級效應(yīng)MOSMOS晶體管的模型參數(shù)晶體管的模型參數(shù)MOSMOS晶體管的電阻和電容晶體管的電阻和電容 第第3 3章章 集成電路中的元器件集成電路中的元器件2MOSFET(MOS):MOSFET(MOS):?metal-oxide-semiconductor field-effect transistor.metal-oxide-semiconductor field-effect transistor.（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管）（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管）主要性能主要性能( (從數(shù)字設(shè)計觀點從數(shù)字設(shè)計觀點): ):?

2、執(zhí)行開關(guān)功能執(zhí)行開關(guān)功能; ;?非常小的寄生效應(yīng)非常小的寄生效應(yīng); ;?非常高的集成非常高的集成; ;?相對簡單的制造工藝相對簡單的制造工藝3.13.1 器件的工作原理器件的工作原理DBSGNMOSSBDGPMOS(a)DNMOSBGSSPMOSBGD(b)DSNMOSSDGPMOS(c)DNMOSGSSPMOSGD(d)G增強型增強型MOSMOS管的管的4 4種常用符號如圖所示，種常用符號如圖所示， 其中其中NMOSNMOS管的襯底管的襯底B B應(yīng)接地，應(yīng)接地， PMOSPMOS管的襯底管的襯底B B接接V VDDDD。MOSMOS晶體管類型和符號晶體管類型和符號EE1414n+n+p-su

3、bstrateDSGBVGS+-DepletionRegionn-channelMOSMOS管閾值電壓管閾值電壓NMOSNMOS晶體管晶體管V VGSGS為正，為正，顯示耗盡區(qū)和感應(yīng)的溝道顯示耗盡區(qū)和感應(yīng)的溝道MOSMOS管閾值電壓管閾值電壓( (The Threshold Voltage)The Threshold Voltage)襯底費米勢襯底費米勢功函數(shù)差功函數(shù)差表面電荷表面電荷襯偏效應(yīng)系數(shù)襯偏效應(yīng)系數(shù)耗盡層電荷耗盡層電荷6體偏置對閾值電壓的影響體偏置對閾值電壓的影響-2.5-2-1.5-1-0.500.40.450.50.550.60.650.70.750.80.850.9VBS (V

4、)VT (V)VF6 . 025 . 04 . 0 V襯偏效應(yīng)襯偏效應(yīng)系數(shù)系數(shù))2)2(0FSBFTTVVV當(dāng)源與體之間加上一個襯底偏置電壓時（對于當(dāng)源與體之間加上一個襯底偏置電壓時（對于N N管，管，V VSBSB為正）為正）閾值電壓與材料常數(shù)如氧化層厚度、費米電勢、注入離子劑量等有關(guān)閾值電壓與材料常數(shù)如氧化層厚度、費米電勢、注入離子劑量等有關(guān)7晶體管線性區(qū)晶體管線性區(qū)n+n+p-substrateDSGBVGSxLV(x)+VDSIDMOS transistor and its bias conditions8電阻工作區(qū)電阻工作區(qū)WxQxvIinD)()(dxdVxExvnnn)()(WV

5、xVVCdxdVITgsxonD)(2)(2)(22DSDSTgsnDSDSTgsxonDVVVVLWkVVVVLWCITgsoxiVxVVCxQ)()(oxoxoxtC在點在點x x處所感應(yīng)出的每單位面積的溝道電荷處所感應(yīng)出的每單位面積的溝道電荷C Coxox：柵氧的單位面積電容：柵氧的單位面積電容t toxox：氧化層厚度：氧化層厚度Vn(x):Vn(x):載流子的漂移速度載流子的漂移速度：溝道寬度：溝道寬度n:n:遷移率的參數(shù)遷移率的參數(shù)在溝道全長上積分得到電在溝道全長上積分得到電壓壓電流關(guān)系電流關(guān)系增益因子增益因子當(dāng)當(dāng)V VDSDS的值較小時，的值較小時，V VDSDS和和I ID D

6、成線性關(guān)系，稱電阻區(qū)或線性區(qū)成線性關(guān)系，稱電阻區(qū)或線性區(qū)電流為載流子的漂移速度和所存在電荷的乘積電流為載流子的漂移速度和所存在電荷的乘積LWkknn工藝跨導(dǎo)工藝跨導(dǎo)9飽和區(qū)飽和區(qū)n+n+SGVGSDVDS VGS - VTVGS - VT+-2)(2)(22DSDSTgsnDSDSTgsxonDVVVVLWkVVVVLWCI夾斷夾斷GSTDSVVV用代替22TGSnDVVLWkII ID D與與V VGSGS間存在平方關(guān)系，相當(dāng)于一個理想電流源，與間存在平方關(guān)系，相當(dāng)于一個理想電流源，與V VDSDS無關(guān)無關(guān)MOSFETMOSFET的電流與電壓的關(guān)系（長溝道）的電流與電壓的關(guān)系（長溝道）線性區(qū)

7、：線性區(qū)：工藝跨導(dǎo)參數(shù)工藝跨導(dǎo)參數(shù)飽和區(qū)飽和區(qū)溝長調(diào)制溝長調(diào)制11溝道長度調(diào)制溝道長度調(diào)制22TGSnDVVLWkI)1 ( DSDDVII:溝長調(diào)制系數(shù)溝長調(diào)制系數(shù)與溝長成反比，對于溝長較短的晶體與溝長成反比，對于溝長較短的晶體管，溝道的調(diào)制效應(yīng)也更加顯著。管，溝道的調(diào)制效應(yīng)也更加顯著。 導(dǎo)電溝道有效長度由所加導(dǎo)電溝道有效長度由所加DSDS調(diào)制，增加調(diào)制，增加DSDS使漏結(jié)使漏結(jié)耗盡區(qū)加大，從而縮短，當(dāng)長度耗盡區(qū)加大，從而縮短，當(dāng)長度L L減小時電流會增加減小時電流會增加QuadraticRelationship平方關(guān)系00.511.522.50123456x 10-4VDS (V)ID (

8、A)VGS= 2.5 VVGS= 2.0 VVGS= 1.5 VVGS= 1.0 V電阻區(qū)飽和VDS = VGS - VTMOSFET的電流與電壓的關(guān)系（長溝道）的電流與電壓的關(guān)系（長溝道）3.2 3.2 MOS MOS 器件中的二級效應(yīng)器件中的二級效應(yīng)13（一）短溝效應(yīng)：（一）短溝效應(yīng)：（1 1 ）有效溝道長度：）有效溝道長度： （2 2 ）耗盡電荷共享）耗盡電荷共享溝道耗盡電荷溝道耗盡電荷= = 柵耗盡區(qū)柵耗盡區(qū)+ + 源漏耗盡區(qū)源漏耗盡區(qū)短溝道因為梯形下面積較小，短溝道因為梯形下面積較小，所以閾值電壓也相應(yīng)減小所以閾值電壓也相應(yīng)減小14（二）窄溝效應(yīng)（二）窄溝效應(yīng)（1 1 ）有效溝道寬度

9、：）有效溝道寬度： 1. 1. 鳥嘴鳥嘴2. 2. 場注場注（2 2 ）溝寬方向上的邊緣場使耗盡電荷增加）溝寬方向上的邊緣場使耗盡電荷增加15（三）遷移率變化（三）遷移率變化（1 1 ）影響遷移率的因素）影響遷移率的因素1. 1. 載流子的類型載流子的類型2. 2. 隨摻雜濃度增加而減小隨摻雜濃度增加而減小3. 3. 隨溫度增加而減小隨溫度增加而減小4. 4. 隨溝道縱向、橫向電場增加而減小隨溝道縱向、橫向電場增加而減小（2 2 ）遷移率的縱向電場退化）遷移率的縱向電場退化（3 3 ）遷移率的橫向電場退化）遷移率的橫向電場退化16（4 4）速度飽和）速度飽和x x (V/m)x xc （臨界電

10、場）（臨界電場）u un (m/s)u usat = 105遷移率為常數(shù)遷移率為常數(shù) (斜率斜率= )速度為常數(shù)速度為常數(shù)dxdVxExvnnn)()( 短溝道器件當(dāng)溝道電場達(dá)到某一臨界值時，載流子短溝道器件當(dāng)溝道電場達(dá)到某一臨界值時，載流子的速度將由于散射效應(yīng)而趨于保和，速度飽和時對應(yīng)的速度將由于散射效應(yīng)而趨于保和，速度飽和時對應(yīng)的電壓為的電壓為V VDSatDSat遷移率遷移率參數(shù)參數(shù)17飽和速度飽和速度V V 的計算：的計算：BSIMv3 BSIMv3 取精確的取精確的n n 值并采用臺勞級數(shù)值并采用臺勞級數(shù)逐段線性近似：逐段線性近似：n n 為為2 2 時不易求解時不易求解E E手工計

11、算時可取手工計算時可取n n 1 1 （足夠精確）（足夠精確）考慮兩個區(qū)域連續(xù)時：考慮兩個區(qū)域連續(xù)時：載流子速度載流子速度18遷移率減小時的電流電壓關(guān)系：遷移率減小時的電流電壓關(guān)系：VDS= VDSat時達(dá)到速度飽和：時達(dá)到速度飽和：（此時（此時E =EC ）當(dāng)當(dāng)V GS-V Th EcL ( VGS 1V) 時，時，V DSat 接近接近V GS-V Th此時飽和電流可近似為：此時飽和電流可近似為：線性關(guān)系線性關(guān)系深亞微米深亞微米MOSFETMOSFET的電流與電壓的關(guān)的電流與電壓的關(guān)系系1920長溝與短溝器件電流比較長溝與短溝器件電流比較ID長溝道器件長溝道器件短溝道器件短溝道器件VDSV

12、DSATVGS - VTVGS = VDD 短溝道器件經(jīng)歷的飽和區(qū)范圍更大，更經(jīng)常工作短溝道器件經(jīng)歷的飽和區(qū)范圍更大，更經(jīng)常工作在飽和狀態(tài)在飽和狀態(tài)2)(2DSATDSATTgsxonDVVVVLWCII ID D與與V VGSGS 的關(guān)系的關(guān)系2122漏極電流和電壓關(guān)系漏極電流和電壓關(guān)系-4VDS (V)00.511.522.500.511.522.5x 10ID (A)VGS= 2.5 VVGS= 2.0 VVGS= 1.5 VVGS= 1.0 V00.511.522.50123456x 10-4VDS (V)ID (A)VGS= 2.5 VVGS= 2.0 VVGS= 1.5 VVGS=

13、 1.0 VResistive SaturationVDS = VGS - VTLong Channel(Ld=10um)Short Channel(Ld=0.25um)VelocitySaturation飽和電流和飽和電流和V VGSGS關(guān)系，長溝道器件中是平方關(guān)系關(guān)系，長溝道器件中是平方關(guān)系短溝道降低短溝道降低V VGSGS不會像長溝晶體管那樣顯著不會像長溝晶體管那樣顯著（1 1 ）長溝道器件：溝道夾斷飽和）長溝道器件：溝道夾斷飽和（2 2 ）短溝道器件：）短溝道器件：載流子載流子速度飽和速度飽和1. 1. 短溝器件中，速度飽和先于夾斷飽和短溝器件中，速度飽和先于夾斷飽和2. 2. 速度飽

14、和點在漏端處速度飽和點在漏端處3. 3. 當(dāng)源漏電壓上升時當(dāng)源漏電壓上升時, , 飽和點向源端移動飽和點向源端移動23（四）溝道長度調(diào)制（四）溝道長度調(diào)制24手工分析模型手工分析模型恒流源模型恒流源模型開關(guān)模型開關(guān)模型 假如把假如把MOS晶體管抽象成一個簡單和實際的解析模型，晶體管抽象成一個簡單和實際的解析模型，即不用復(fù)雜的公式又能抓住器件的實質(zhì)。（一階模型）即不用復(fù)雜的公式又能抓住器件的實質(zhì)。（一階模型）251.1. 恒流源模型恒流源模型SDGB26恒流源模型與恒流源模型與SPICESPICE模擬結(jié)果比較模擬結(jié)果比較00.511.522.500.511.522.5x 10-4VDS (V)I

15、D (A)VelocitySaturatedLinearSaturatedVDSAT=VGTVDS=VDSATVDS=VGTSimple modelSPICE Simulation用手工分析的通用模型所定義的各工作區(qū)的邊界用手工分析的通用模型所定義的各工作區(qū)的邊界 除了在電阻區(qū)和除了在電阻區(qū)和速度飽和區(qū)之間的速度飽和區(qū)之間的過渡區(qū)，其它地方過渡區(qū)，其它地方對應(yīng)的很好對應(yīng)的很好 存在差別是由于存在差別是由于采用采用簡單的恒流源簡單的恒流源模型模型模型模型27PMOSPMOS晶體管晶體管-2.5-2-1.5-1-0.50-1-0.8-0.6-0.4-0.20 x 10-4VDS (V)ID (A)

16、VGS = -1.0VVGS = -1.5VVGS = -2.0VVGS = -2.5V對典型對典型NMOSNMOS器件器件, ,所有所有5 5個參數(shù)是正值個參數(shù)是正值, ,而對典型而對典型PMOSPMOS器件則是負(fù)值器件則是負(fù)值282.NMOS2.NMOS晶體管的開關(guān)模型晶體管的開關(guān)模型VGS VTRonSDRon是時變，是時變，與工作點有與工作點有關(guān)關(guān))()(21)()(1)(1)(211212.212121tRtRdttItVttdttRtttRaverageRononttDDSttonjonttteq 在研究數(shù)字電路瞬態(tài)時在研究數(shù)字電路瞬態(tài)時, ,希望希望RonRon是一個常數(shù)的線性電

17、阻是一個常數(shù)的線性電阻, ,一一個合理的方法是采用所關(guān)心區(qū)域上的平均電阻值，更簡單是個合理的方法是采用所關(guān)心區(qū)域上的平均電阻值，更簡單是采用瞬態(tài)過程起點和終點兩個電阻平均值采用瞬態(tài)過程起點和終點兩個電阻平均值 需要簡單模型，不僅線性，而且非常直接。在數(shù)字設(shè)計中需要簡單模型，不僅線性，而且非常直接。在數(shù)字設(shè)計中，晶體管是一個開關(guān)，有無窮大斷開電阻和有限導(dǎo)通電阻，晶體管是一個開關(guān)，有無窮大斷開電阻和有限導(dǎo)通電阻29IDVDSVGS = VDDVDD/2VDDR0Rmid)971 (43)1 (2/12/DDDSATDDVVDSATDDeqVIVdVVIVVRDDDD例：充放電一個電容時的等效電阻例

18、：充放電一個電容時的等效電阻Discharge to Vdd/2Discharge to Vdd/2VGS VTRonSD電容上電壓從電容上電壓從V Vdddd放電通過放電通過NMOSNMOS管放電到管放電到V Vdddd/2/2借助公式推導(dǎo)過渡借助公式推導(dǎo)過渡區(qū)器件的平均電阻區(qū)器件的平均電阻用過渡區(qū)兩端點用過渡區(qū)兩端點電阻進行平均電阻進行平均300.511.522.501234567x 105VDD (V)Req (Ohm)MosMos管等效電阻與電源電壓管等效電阻與電源電壓V VDDDD關(guān)系關(guān)系 一個最小尺寸一個最小尺寸0.25um CMOS0.25um CMOS工藝工藝NMOSNMOS晶

19、體管模擬得到的等晶體管模擬得到的等效電阻與電源電壓效電阻與電源電壓VDDVDD的關(guān)系的關(guān)系1. 1.電阻反比于器件的電阻反比于器件的(W/L)(W/L)。晶體管的寬度。晶體管的寬度加倍則使電阻減半（因加倍則使電阻減半（因IDSATIDSAT與與W/LW/L成正比）成正比）2. 2.當(dāng)當(dāng)VDDVDDVT+VDSATVT+VDSAT時，電阻與電源電壓無時，電阻與電源電壓無關(guān)，但由于溝長調(diào)制效關(guān)，但由于溝長調(diào)制效應(yīng)則減小應(yīng)則減小3. 3.若電源電壓接近若電源電壓接近VTVT，電阻會急劇增加電阻會急劇增加31晶體管的開關(guān)模型晶體管的開關(guān)模型通用通用0.25umCMOS0.25umCMOS工藝的在不同的

20、工藝的在不同的VDDVDD時等效電阻值時等效電阻值32五、漏感應(yīng)勢壘下降及源漏穿通（五、漏感應(yīng)勢壘下降及源漏穿通（DIBL）1、溝道長度縮短會使源端勢壘下降，電流增加，即閾值電壓下降。、溝道長度縮短會使源端勢壘下降，電流增加，即閾值電壓下降。2、VDS增加會使源端勢壘下降，增加會使源端勢壘下降， VDS越大，閾值電壓下降越大。越大，閾值電壓下降越大。3、源漏穿通：、源漏穿通： 發(fā)射流加大并以擴散形式發(fā)射流加大并以擴散形式 到達(dá)漏端，不受柵壓控制到達(dá)漏端，不受柵壓控制33六、器件漏電六、器件漏電3435 V VDSDS增加增加V Vt t減少使亞閾減少使亞閾特性向左偏移，從而特性向左偏移，從而使

21、相應(yīng)的使相應(yīng)的I Ioffoff （ V VGSGS =0=0時的時的I IDSDS ）增加；）增加； 當(dāng)當(dāng)V VDSDS大到一定程度后大到一定程度后，微小器件的亞閾特，微小器件的亞閾特性增加，即使在關(guān)態(tài)性增加，即使在關(guān)態(tài)器件仍具有相當(dāng)大的器件仍具有相當(dāng)大的I Ioffoff ； 如果此時如果此時I Ioffoff已接近或已接近或超過定義的開啟電壓超過定義的開啟電壓，則器件穿通。，則器件穿通。36七、熱載流子效應(yīng)七、熱載流子效應(yīng)1、原因：、原因： （1）漏端強電場引起高能熱電子與晶格碰撞產(chǎn)生電子）漏端強電場引起高能熱電子與晶格碰撞產(chǎn)生電子/空穴空穴對，引起襯底電流。對，引起襯底電流。 （2）電

22、子在強縱向電場作用下穿過柵氧，引起柵電流）電子在強縱向電場作用下穿過柵氧，引起柵電流2、影響、影響: （1）使器件參數(shù)變差，特性不穩(wěn)，電路失效）使器件參數(shù)變差，特性不穩(wěn)，電路失效 （2）襯底電流引起噪聲，）襯底電流引起噪聲，Latch-up, 以及動態(tài)節(jié)點漏電以及動態(tài)節(jié)點漏電3、解決方法：、解決方法：LDD (lightly doped drain) : 在源漏區(qū)與溝道在源漏區(qū)與溝道 間加一段電阻率較高的輕摻雜間加一段電阻率較高的輕摻雜 n 區(qū)區(qū) （1）優(yōu)點：可減小熱電子效應(yīng)，提高源漏電壓）優(yōu)點：可減小熱電子效應(yīng)，提高源漏電壓 （2）缺點：）缺點：n 區(qū)使器件跨導(dǎo)和區(qū)使器件跨導(dǎo)和 IDS 減小

23、減小模擬的長溝和短溝模擬的長溝和短溝MOSFETMOSFET的等電位線的等電位線長溝道與短溝道長溝道與短溝道MOSFET的關(guān)鍵區(qū)別在于短溝道的關(guān)鍵區(qū)別在于短溝道MOSFET耗盡區(qū)的等電位線是二維的而長溝的則是一耗盡區(qū)的等電位線是二維的而長溝的則是一維的。維的。體硅體硅CMOSCMOS中的閂鎖效應(yīng)中的閂鎖效應(yīng)39八、體效應(yīng)：（八、體效應(yīng)：（Body Effect）1、襯偏引起體效應(yīng)：、襯偏引起體效應(yīng)： 開啟電壓隨襯偏變化開啟電壓隨襯偏變化2、襯底電流感應(yīng)體效應(yīng)：、襯底電流感應(yīng)體效應(yīng)：（SCBE Substrate Current Induced Body Effect ） 襯底電流在襯底電阻上的

24、壓降造成襯偏電壓襯底電流在襯底電阻上的壓降造成襯偏電壓40九、輸出電阻九、輸出電阻41十、源漏寄生電阻十、源漏寄生電阻 RS ，RD源漏電阻取決于：源漏電阻取決于： 1. 源漏區(qū)源漏區(qū)PN 結(jié)電阻結(jié)電阻 2. 接觸孔電阻接觸孔電阻42十一、反型層電容分壓十一、反型層電容分壓1、反型層表面電勢、反型層表面電勢S隨柵壓隨柵壓VG而變化而變化2、當(dāng)、當(dāng)tOX縮小時，縮小時，COX可與溝道電容比擬可與溝道電容比擬 使跨導(dǎo)減小使跨導(dǎo)減小43十二、橫向和縱向的非均勻摻雜十二、橫向和縱向的非均勻摻雜1、橫向非均勻摻雜：隨溝道縮短，溝道中平均摻雜濃度增加，、橫向非均勻摻雜：隨溝道縮短，溝道中平均摻雜濃度增加，

25、 使使閾值上升閾值上升2、縱向非均勻摻雜引起、縱向非均勻摻雜引起VTH與與 之間存在非線性關(guān)系之間存在非線性關(guān)系BSPVV 44十三、其它十三、其它1、體電荷效應(yīng)、體電荷效應(yīng)2、耗盡層寬度不均勻引起閾值電壓沿溝道分布不均勻、耗盡層寬度不均勻引起閾值電壓沿溝道分布不均勻3、參數(shù)隨幾何尺寸變化、參數(shù)隨幾何尺寸變化4、參數(shù)取決于源漏電壓、參數(shù)取決于源漏電壓453.3 3.3 MOSMOS器件模型器件模型建立模型的目的與意義建立模型的目的與意義 為減少設(shè)計時間和制造成本，需有效、精確的模型為減少設(shè)計時間和制造成本，需有效、精確的模型對模型的要求：對模型的要求： 1、精確：適合全工作范圍，電流及其它小信

26、號參數(shù)、精確：適合全工作范圍，電流及其它小信號參數(shù) 2、有物理基礎(chǔ)：、有物理基礎(chǔ)： 全面理解物理過程，能預(yù)測器件性能全面理解物理過程，能預(yù)測器件性能 3、可擴展性：能預(yù)見不同尺寸器件的性能、可擴展性：能預(yù)見不同尺寸器件的性能 4、高效率：、高效率： 收斂，連續(xù)，減少迭代次數(shù)和模擬時間收斂，連續(xù)，減少迭代次數(shù)和模擬時間463.3 3.3 MOSMOS器件模型器件模型 MOSMOS管的結(jié)構(gòu)尺寸縮小到亞微米范圍后，多維的物理效管的結(jié)構(gòu)尺寸縮小到亞微米范圍后，多維的物理效應(yīng)和寄生效應(yīng)使得對應(yīng)和寄生效應(yīng)使得對MOSMOS管的模型描述帶來了困難。模管的模型描述帶來了困難。模型越復(fù)雜，模型參數(shù)越多，其模擬的

27、精度越高。但型越復(fù)雜，模型參數(shù)越多，其模擬的精度越高。但高高精度與模擬的效率相矛盾。精度與模擬的效率相矛盾。依據(jù)不同需要，常將依據(jù)不同需要，常將MOSMOS模模型分成不同級別。型分成不同級別。SPICE2SPICE2中提供了幾種中提供了幾種MOSMOS場效應(yīng)管模場效應(yīng)管模型，并用變量型，并用變量LEVELLEVEL來指定所用的模型。來指定所用的模型。 LEVELLEVEL1 MOS11 MOS1模型模型 Shichman-HodgesShichman-Hodges模型模型 LEVELLEVEL2 MOS22 MOS2模型模型 二維解析模型二維解析模型 LEVELLEVEL3 MOS33 MOS

28、3模型模型 半經(jīng)驗短溝道模型半經(jīng)驗短溝道模型 LEVELLEVEL4 MOS44 MOS4模型模型 BSIMBSIM（Berkeley short-Berkeley short-channel IGFET modelchannel IGFET model）模型）模型473.3 3.3 MOSMOS器件模型器件模型一、一、MOS1 MOS1 模型（模型（Shichman-Hodges Shichman-Hodges 模型）模型）1 1、一階模型，適合精度要求不高的長溝道、一階模型，適合精度要求不高的長溝道 （1010 m m ）MOS MOS 管管2 2、考慮以下效應(yīng)：、考慮以下效應(yīng)：（1 1）

29、橫向擴散（有效溝道長度）橫向擴散（有效溝道長度）（2 2）溝道長度調(diào)制系數(shù)）溝道長度調(diào)制系數(shù) （3 3）襯偏效應(yīng)）襯偏效應(yīng)483.3 3.3 MOSMOS器件模型器件模型二、二、MOS2 MOS2 模型（二維解析模型）模型（二維解析模型）1 1、適合于適合于6 7 6 7 m m2 2、考慮以下效應(yīng)：考慮以下效應(yīng)：（1 1）溝道長度對閾值的影響）溝道長度對閾值的影響（2 2）溝道寬度對閾值的影響）溝道寬度對閾值的影響（3 3）遷移率隨表面電場的變化）遷移率隨表面電場的變化（4 4）溝道夾斷引起的溝長調(diào)制效應(yīng)）溝道夾斷引起的溝長調(diào)制效應(yīng)（5 5）載流子速度飽和引起源漏電流飽和）載流子速度飽和引起

30、源漏電流飽和（6 6）弱反型導(dǎo)電）弱反型導(dǎo)電（7 7）漏區(qū)靜電反饋對閾值的影響）漏區(qū)靜電反饋對閾值的影響493.3 3.3 MOSMOS器件模型器件模型3 3、收斂性與效率：收斂性與效率：（1 1）載流子速度飽和引起源漏電流飽和的模型）載流子速度飽和引起源漏電流飽和的模型在飽和區(qū)和線在飽和區(qū)和線性區(qū)的邊界處引入導(dǎo)數(shù)不連續(xù)性區(qū)的邊界處引入導(dǎo)數(shù)不連續(xù)，使計算不精確，會引起不收，使計算不精確，會引起不收斂。斂。（2 2）弱反型導(dǎo)電可使電流在處連續(xù)，但導(dǎo)數(shù)不連續(xù)，在模擬）弱反型導(dǎo)電可使電流在處連續(xù)，但導(dǎo)數(shù)不連續(xù)，在模擬強反型區(qū)到弱反型區(qū)之間的強反型區(qū)到弱反型區(qū)之間的過渡區(qū)時過渡區(qū)時精度不高。精度不高。

31、503.3 3.3 MOSMOS器件模型器件模型三、三、MOS3 模型（半經(jīng)驗?zāi)Ｐ停┠Ｐ停ò虢?jīng)驗?zāi)Ｐ停? 1、適合短溝道器件（、適合短溝道器件（2 2 m m左右或以上）左右或以上）2 2、MOS3 MOS3 模型考慮以下效應(yīng)：模型考慮以下效應(yīng)：（1 1） 溝道長度對閾值的影響溝道長度對閾值的影響（2 2） 溝道寬度對閾值的影響溝道寬度對閾值的影響（3 3） 縱向（柵）電場對遷移率的調(diào)制縱向（柵）電場對遷移率的調(diào)制（4 4） 載流子速度飽和使遷移率下降載流子速度飽和使遷移率下降（5 5） 速度飽和點移動造成溝長調(diào)制速度飽和點移動造成溝長調(diào)制（6 6） 漏端感應(yīng)源端勢壘下降（漏端感應(yīng)源端勢壘下降

32、（DIBLDIBL）（7 7） 弱反型導(dǎo)電弱反型導(dǎo)電（8 8） 襯偏效應(yīng)襯偏效應(yīng)（9 9） 源漏串聯(lián)寄生電阻源漏串聯(lián)寄生電阻（1010）飽和電壓下降）飽和電壓下降513.3 3.3 MOSMOS器件模型器件模型3、 MOS3模型參數(shù)大多與模型參數(shù)大多與MOS2相同，但相同，但其閾值電壓、飽和電流其閾值電壓、飽和電流、溝道調(diào)制效應(yīng)和漏源電流表達(dá)式等都是半經(jīng)驗公式、溝道調(diào)制效應(yīng)和漏源電流表達(dá)式等都是半經(jīng)驗公式，并引入了，并引入了新的模型參數(shù)：新的模型參數(shù)：（EAT）、）、（THETA）和）和（KAPPA）。）。（1）閾值電壓的半經(jīng)驗公式）閾值電壓的半經(jīng)驗公式BSFNBSFS3OX22FFBTH22

33、1015. 82VFVFLCVV式中，式中，是模擬靜電反饋效應(yīng)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛥?shù)，是模擬靜電反饋效應(yīng)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛥?shù)， FS為短溝道效應(yīng)的校正因子。為短溝道效應(yīng)的校正因子。 523.3 3.3 MOSMOS器件模型器件模型（2）表面遷移率調(diào)制）表面遷移率調(diào)制 表示遷移率和柵電場關(guān)系的經(jīng)驗公式為：表示遷移率和柵電場關(guān)系的經(jīng)驗公式為：THGS0S1VV式中經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛥?shù)式中經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛥?shù)稱為遷移率調(diào)制系數(shù)稱為遷移率調(diào)制系數(shù) 。533.3 3.3 MOSMOS器件模型器件模型（3）溝道長度調(diào)制減小量的半經(jīng)驗公式）溝道長度調(diào)制減小量的半經(jīng)驗公式 當(dāng)當(dāng)VDS大于大于VDSAT時，載流子速度飽和點的位置逐漸移向源時

34、，載流子速度飽和點的位置逐漸移向源區(qū)，造成溝道區(qū)，造成溝道長度調(diào)制效應(yīng)長度調(diào)制效應(yīng)。溝道長度的減小量。溝道長度的減小量L為：為： 222DPDSATDS2D22DPDXEVVXXEXL上式中，上式中，EP為夾斷點處的橫向電場，為夾斷點處的橫向電場，為飽和電場系數(shù)為飽和電場系數(shù)。543.3 3.3 MOSMOS器件模型器件模型四、四、MOS4 （BSIM1）模型）模型（二）（二）MOS4 考慮以下效應(yīng)：考慮以下效應(yīng)：1. 溝道長度對閾值的影響溝道長度對閾值的影響2. 溝道寬度對閾值的影響溝道寬度對閾值的影響3. 垂直電場對載流子遷移率的影響垂直電場對載流子遷移率的影響4. 載流子速度飽和載流子速

35、度飽和5. 溝道長度調(diào)制效應(yīng)溝道長度調(diào)制效應(yīng)6. 漏端感應(yīng)引起表面勢壘下降漏端感應(yīng)引起表面勢壘下降7. 弱反型（次開啟）導(dǎo)電弱反型（次開啟）導(dǎo)電8. 襯偏效應(yīng)襯偏效應(yīng)9. 源漏寄生串聯(lián)電阻源漏寄生串聯(lián)電阻10. 離子注入后的非均勻雜質(zhì)分布離子注入后的非均勻雜質(zhì)分布11. 參數(shù)隨幾何尺寸變化參數(shù)隨幾何尺寸變化12. 參數(shù)隨襯偏電壓變化參數(shù)隨襯偏電壓變化（一）專為短溝道開發(fā)的模型（一）專為短溝道開發(fā)的模型 （適合（適合L1 m 、 tOX15 nm器件）器件）553.3 3.3 MOSMOS器件模型器件模型（三）特點：（三）特點：1. BSIM1的大信號模型根據(jù)的大信號模型根據(jù)電荷守衡定律及溝道電

36、荷電荷守衡定律及溝道電荷劃分的方法得出；劃分的方法得出；2. BSIM1的小信號模型通過對的小信號模型通過對直流和大信號模型線性化直流和大信號模型線性化得出；得出；3. BSIM1將直流電學(xué)參數(shù)與工藝參數(shù)聯(lián)系起來。將直流電學(xué)參數(shù)與工藝參數(shù)聯(lián)系起來。（四）缺點：（四）缺點：1使用經(jīng)驗參數(shù)模擬溝道長度調(diào)制效應(yīng)使用經(jīng)驗參數(shù)模擬溝道長度調(diào)制效應(yīng)不能正確預(yù)測輸出電阻；不能正確預(yù)測輸出電阻；2過渡區(qū)電流由強反型和弱反型成分之和組成，小電流工作時會引起誤差；過渡區(qū)電流由強反型和弱反型成分之和組成，小電流工作時會引起誤差；3用經(jīng)驗常數(shù)用經(jīng)驗常數(shù)e1.8調(diào)整強反型與次開啟區(qū)閾值電壓的微小差別不符合實際。調(diào)整強反

37、型與次開啟區(qū)閾值電壓的微小差別不符合實際。 （閾值電壓與工藝尺寸有關(guān)）（閾值電壓與工藝尺寸有關(guān)）563.3 3.3 MOSMOS器件模型器件模型五、五、BSIM2 模型（深亞微米模型）模型（深亞微米模型）1、適合溝道長度小至、適合溝道長度小至0.25 m 、柵氧化層的厚度薄至、柵氧化層的厚度薄至3.6 nm2、BSIM2 考慮以下效應(yīng)：考慮以下效應(yīng)：（1）溝道長度對閾值的影響）溝道長度對閾值的影響（2）溝道寬度對閾值的影響）溝道寬度對閾值的影響（3）垂直電場對載流子遷移率的影響）垂直電場對載流子遷移率的影響（4）載流子速度飽和）載流子速度飽和（5）溝道長度調(diào)制效應(yīng)）溝道長度調(diào)制效應(yīng)（6）漏端感

38、應(yīng)引起表面勢壘下降）漏端感應(yīng)引起表面勢壘下降（7）弱反型（次開啟）導(dǎo)電）弱反型（次開啟）導(dǎo)電（8） 襯偏效應(yīng)襯偏效應(yīng)（9） 源漏寄生串聯(lián)電阻源漏寄生串聯(lián)電阻（10）離子注入后的非均勻雜質(zhì)分布）離子注入后的非均勻雜質(zhì)分布（11）參數(shù)隨幾何尺寸變化）參數(shù)隨幾何尺寸變化（12）參數(shù)隨襯偏電壓變化）參數(shù)隨襯偏電壓變化（13）熱電子引起輸出電阻下降）熱電子引起輸出電阻下降（14）反型區(qū)電容效應(yīng)）反型區(qū)電容效應(yīng)573.3 3.3 MOSMOS器件模型器件模型3、對、對BSIM1 的修改：的修改：（1 1）修改閾值電壓公式中漏端感應(yīng)引勢壘下降的系數(shù)）修改閾值電壓公式中漏端感應(yīng)引勢壘下降的系數(shù)（2 2）改進遷

39、移率與垂直場的關(guān)系式（引入二次項使與實驗數(shù)據(jù)相符并包含）改進遷移率與垂直場的關(guān)系式（引入二次項使與實驗數(shù)據(jù)相符并包含 源漏寄生電阻影響）源漏寄生電阻影響）（3 3）修改載流子速度與遷移率的關(guān)系使漏源電流方程的一階導(dǎo)數(shù)連續(xù)）修改載流子速度與遷移率的關(guān)系使漏源電流方程的一階導(dǎo)數(shù)連續(xù)（4 4）線性區(qū)的源漏電流公式中將垂直場的遷移率下降項與速度飽和項從相）線性區(qū)的源漏電流公式中將垂直場的遷移率下降項與速度飽和項從相 乘改為相加，使更精確乘改為相加，使更精確（5 5）飽和區(qū)的源漏電流公式采用線性公式但用）飽和區(qū)的源漏電流公式采用線性公式但用V VDSATDSAT代替代替V VDSDS（6 6）采用電荷薄

40、層近似（）采用電荷薄層近似（Charge-sheet approximationCharge-sheet approximation）推導(dǎo)次開啟區(qū)）推導(dǎo)次開啟區(qū) 電流公式，采用彌合系數(shù)反映強反型區(qū)與次開啟區(qū)閾值電壓的偏離電流公式，采用彌合系數(shù)反映強反型區(qū)與次開啟區(qū)閾值電壓的偏離（7 7）考慮反型層電容的影響并引入柵電壓描述過渡區(qū)，使源漏電流從弱反）考慮反型層電容的影響并引入柵電壓描述過渡區(qū)，使源漏電流從弱反 型區(qū)到強反型區(qū)過渡光滑型區(qū)到強反型區(qū)過渡光滑（8 8）飽和區(qū)輸出電阻受三種機理影響）飽和區(qū)輸出電阻受三種機理影響 ( a ) ( a ) 漏端感應(yīng)引起表面勢壘下降漏端感應(yīng)引起表面勢壘下降

41、( b ) ( b ) 溝道長度調(diào)制效應(yīng)溝道長度調(diào)制效應(yīng) ( c ) ( c ) 熱電子引起輸出電阻下降熱電子引起輸出電阻下降583.3 3.3 MOSMOS器件模型器件模型六、六、BSIM3 模型模型1、BSIM1、BSIM2集中解決精度和簡化公式，引入大量參數(shù)以集中解決精度和簡化公式，引入大量參數(shù)以 提高精度。提高精度。而而BSIM3著重物理機制，考慮尺寸及工藝參數(shù)影著重物理機制，考慮尺寸及工藝參數(shù)影 響，響，力求可預(yù)測，力求可預(yù)測， 并盡可能減少參數(shù)并盡可能減少參數(shù)。2、采用統(tǒng)一的電流、采用統(tǒng)一的電流-電壓模型：電壓模型：（1 1）統(tǒng)一的溝道電荷密度公式）統(tǒng)一的溝道電荷密度公式（2 2）

42、統(tǒng)一的遷移率公式）統(tǒng)一的遷移率公式（3 3）統(tǒng)一的線性區(qū)電流公式）統(tǒng)一的線性區(qū)電流公式（4 4）統(tǒng)一的飽和電壓公式）統(tǒng)一的飽和電壓公式（5 5）統(tǒng)一的飽和區(qū)電流公式）統(tǒng)一的飽和區(qū)電流公式（6 6）所有工作區(qū)電流公式）所有工作區(qū)電流公式593.3 3.3 MOSMOS器件模型器件模型3、BSIM3 考慮以下效應(yīng)：考慮以下效應(yīng)：（1 1）溝道長度對閾值的影響）溝道長度對閾值的影響（2 2）溝道寬度對閾值的影響）溝道寬度對閾值的影響（3 3）垂直電場引起載流子遷移率下降）垂直電場引起載流子遷移率下降（4 4）載流子速度飽和）載流子速度飽和（5 5）溝道長度調(diào)制效應(yīng)）溝道長度調(diào)制效應(yīng)（6 6）漏端感應(yīng)

43、引起表面勢壘下降）漏端感應(yīng)引起表面勢壘下降（7 7）次開啟導(dǎo)電）次開啟導(dǎo)電（8 8）襯偏效應(yīng)）襯偏效應(yīng)（9 9）漏寄生串聯(lián)電阻）漏寄生串聯(lián)電阻（1010）橫向和縱向的非均勻摻雜）橫向和縱向的非均勻摻雜（1111）襯底電流引起襯偏效應(yīng)）襯底電流引起襯偏效應(yīng)（1212）參數(shù)隨幾何尺寸變化）參數(shù)隨幾何尺寸變化（1313）參數(shù)隨襯偏電壓變化）參數(shù)隨襯偏電壓變化（1414）輸出電阻變化）輸出電阻變化（1515）反型區(qū)電容效應(yīng)）反型區(qū)電容效應(yīng)（1616）多晶柵耗盡層效應(yīng)）多晶柵耗盡層效應(yīng)（1717）體電荷效應(yīng)）體電荷效應(yīng)603.3 3.3 MOSMOS器件模型器件模型七、七、BSIM4 模型（模型（200

44、0年）年）考慮了新的物理效應(yīng)的影響：考慮了新的物理效應(yīng)的影響：（1 1）柵極感應(yīng)漏端漏電（）柵極感應(yīng)漏端漏電（Gate Induced Drain Leakage )Gate Induced Drain Leakage )（2 2）柵極直接隧穿漏電（）柵極直接隧穿漏電（Gate Direct Tunneling LeakageGate Direct Tunneling Leakage）（3 3）反型層量子效應(yīng)（）反型層量子效應(yīng)（Inversion Layer QuantizationInversion Layer Quantization）（4 4）有限電荷層效應(yīng)（）有限電荷層效應(yīng)（Finit

45、e Charge Layer EffectFinite Charge Layer Effect）（5 5）MOSFET MOSFET 寄生參數(shù)的寄生參數(shù)的HF HF 影響影響（6 6）源端和漏端電阻的不對稱性）源端和漏端電阻的不對稱性 進一步研究在進一步研究在BSIM3中已考慮過的一些物理效應(yīng)，中已考慮過的一些物理效應(yīng)，提高了模型精度提高了模型精度623.3 3.3 MOSMOS器件模型器件模型633.4 MOS3.4 MOS管的動態(tài)特性管的動態(tài)特性MOSFETMOSFET管的動態(tài)響應(yīng)只取決于：充（放管的動態(tài)響應(yīng)只取決于：充（放）電這個器件的本征寄生電容和由互連線）電這個器件的本征寄生電容和由

46、互連線及負(fù)載引起的額外電容所需要的時間及負(fù)載引起的額外電容所需要的時間本征寄生電容有三個來源本征寄生電容有三個來源 : :?基本的基本的MOSMOS結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)： 結(jié)構(gòu)電容結(jié)構(gòu)電容?溝道電荷溝道電荷：溝道電容：溝道電容?源和漏反向偏置的源和漏反向偏置的pnpn結(jié)耗盡區(qū)結(jié)耗盡區(qū) : :結(jié)電容結(jié)電容 除結(jié)構(gòu)電容外，其他兩個電容是非線性且隨除結(jié)構(gòu)電容外，其他兩個電容是非線性且隨所加的電壓而變化所加的電壓而變化6465MOSMOS管結(jié)構(gòu)電容管結(jié)構(gòu)電容toxn+n+截面圖截面圖L柵氧柵氧xdxdLd多晶硅柵多晶硅柵頂視圖頂視圖柵柵-體體覆蓋覆蓋Sourcen+Drainn+WWCWxCCCdoxGDOGS

47、O0 由于橫向擴散，源和漏都由于橫向擴散，源和漏都會在氧化層下延長一個數(shù)量會在氧化層下延長一個數(shù)量xd,xd,因此晶體管的有效溝長因此晶體管的有效溝長L L比畫出的溝長短比畫出的溝長短2x2xd d. .這引起這引起了柵和源（漏）之間的寄生了柵和源（漏）之間的寄生電容，稱為覆蓋電容電容，稱為覆蓋電容這個電容是線性的并這個電容是線性的并具有固定的值具有固定的值X Xd d是由工藝決定的是由工藝決定的C0C0：每單位晶體管寬度的覆蓋電容：每單位晶體管寬度的覆蓋電容柵氧每單位面積結(jié)電容：柵氧每單位面積結(jié)電容：oxoxoxtC/66溝道電容（柵至溝道電容溝道電容（柵至溝道電容CGCCGC）SDGCGC

48、SDGCGCSDGCGCCgb:Cgb:柵到體柵到體Cgs:Cgs:柵至源柵至源CgdCgd: :柵至漏柵至漏在數(shù)字設(shè)計中最重要的區(qū)域是：在數(shù)字設(shè)計中最重要的區(qū)域是：飽和和截止飽和和截止截止：無導(dǎo)電溝道存在截止：無導(dǎo)電溝道存在CGCCGC出現(xiàn)在柵和體之間出現(xiàn)在柵和體之間電阻區(qū)：柵與體被溝道屏蔽電阻區(qū)：柵與體被溝道屏蔽對稱性使這一電容在源與漏之對稱性使這一電容在源與漏之間平均分布間平均分布飽和：柵至漏和體的飽和：柵至漏和體的電容為電容為0 0，所有電容在，所有電容在柵與源之間柵與源之間67CGCCGCS = CGCDCGCBWLCoxWLCox2VGSWLCoxWLCox22WLCox3CGCC

49、GCSVDS/(VGS-VT)CGCD01V VT T當(dāng)當(dāng)V VGSGS0 0，晶體管截止，晶體管截止增加增加V VGSGS，在柵上形成耗盡層，像，在柵上形成耗盡層，像是使柵的耗盡層加厚是使柵的耗盡層加厚當(dāng)當(dāng)V VGSGSV VT T，溝道形成，溝道形成由于由于V VDSDS0 0，器件工作在電阻模式，器件工作在電阻模式C CGCGC與飽和程度的關(guān)系與飽和程度的關(guān)系晶體管一旦導(dǎo)通，柵電容晶體管一旦導(dǎo)通，柵電容的分布取決于飽和程度，的分布取決于飽和程度，飽和程度增加飽和程度增加總的柵電容總的柵電容會減少會減少V VDSDS0 0時，電容隨時，電容隨V VGSGS變化曲線變化曲線68結(jié)電容（耗盡層電容）結(jié)電容（耗盡層電容）底板底板側(cè)壁側(cè)壁側(cè)壁側(cè)壁溝道溝道源源ND溝道阻擋注入溝道阻擋注入 NA+襯底襯底NAWxjLSsjbottomWLCC: : 單位面積的結(jié)電容單位面積的結(jié)電容底板底板PNPN結(jié)：由源區(qū)和襯