集成電路設(shè)計技術(shù)與工具mos原理補充

1、半導(dǎo)體與器件物理山東科技大學(xué)信息學(xué)院n半導(dǎo)體器件的行為特性n如何用等效電路建立模型二極管(Diode)npn結(jié)nn型區(qū)施主雜質(zhì)np型區(qū)受主雜質(zhì)n單向?qū)щ娦詐nBASiO2AlCross-section of pn -junction in an IC process npABAlABdiode symbolDNANpn結(jié)的耗盡區(qū)n反向偏置(Reverse-biased)n耗盡區(qū)（Depletion region)n內(nèi)建電勢本征載流子濃度n結(jié)兩邊每單位空間的總電荷電量相等，極性相反hole diffusionelectron diffusionpnhole driftelectron drift

2、ChargeDensityDistancex+-ElectricalxFieldxPotentialVW2-W1(a) Current flow.(b) Charge density.(c) Electric field.(d) Electrostaticpotential.2ln0iDAnNNTKmVqkTT30026inKcmni300105 . 1310DANWNW21二極管模型n理想方程n導(dǎo)通固定壓降VDID = IS(eVD/T 1)+VD+VDonID(a) Ideal diode model(b) First-order diode model) 1(/TDVSDeIIDonV勢

3、壘電容（Junction Capacitance)n正向偏置：n反向偏置：n耗盡層電容耗盡區(qū)電荷耗盡區(qū)寬度最大電場)(2(0DNNNNsiDjVqAQDADA)(0221DNNNNqjVWWWDADAsi)(02DNNNNqjVEDADAsi00/1DjDjVCdVdQjC1020)(DADAsiNNNNqDjAC次級效應(yīng)-結(jié)擊穿n耗盡區(qū)最大的電場在結(jié)點處，有n由于耗盡區(qū)附近有少子空穴和電子存在，所有的反偏pn結(jié)多會產(chǎn)生一個反向小電流，在電場作用下，少子穿過耗盡區(qū)，形成結(jié)的漏電流。n當反向偏壓繼續(xù)增加時，最大場強也增大，耗盡區(qū)中載流子攜帶的能量也增加。n在臨界區(qū)里，穿過耗盡區(qū)的載流子攜帶的能量

4、足以與硅原子碰撞產(chǎn)生新的空穴-電子對。n新產(chǎn)生的載流子能造成雪崩效應(yīng)，反偏漏電流急劇增大雪崩擊穿。2/1)(2max1maxDARDAANNVNqNqNEWE雪崩擊穿n結(jié)摻雜濃度 臨界電場 且隨著濃度增加緩慢增加n根據(jù)二極管I-V特性，沒發(fā)生雪崩擊穿時正常反偏電流 ，在擊穿電壓附近，是即反偏電流M為倍增因子，n=36雪崩電流可通過外加電阻來限制v大電流、高功耗永久損壞25.015.05.05.0VD (V)0.1ID (A)0.100Avalanche Breakdown31615/1010cmatomscmV /1035RIRRAMIInBVRVM)(11齊納擊穿n齊納二極管工作在雪崩區(qū)的二

5、極管n齊納擊穿高摻雜的節(jié)中，即使反偏電壓很小也可能產(chǎn)生很強電場，足以把價電子從共價鍵中拉出來，該過程為隧道效應(yīng)穩(wěn)壓金屬氧化物場效應(yīng)管(MOSFET)n開關(guān)特性n寄生電容小n集成密度高n低功耗n工藝相對簡單MOS管靜態(tài)特性-基本工作原理n在工作狀態(tài)下，柵-源電壓可以改變柵極下放區(qū)域的導(dǎo)電能力，從而使得柵極電壓可以控制源極和漏極之間的電流。模擬電路中的增益特性數(shù)字電路中的開關(guān)特性DSGDSGNMOSEnhancement NMOSDepletionGSDDSGPMOSEnhancementBNMOS withBulk ContactNMOS管剖面圖n+n+p-substrateDSGBVGS+-D

6、epletionRegionn-channelMOS管靜態(tài)特性閾值電壓n ，漏極、源極和體接地，漏源電阻極高n當柵極加正向電壓時，正電荷積聚在柵極，負電荷在襯底n耗盡區(qū) 氧化層下方耗盡層寬度 耗盡區(qū)單位面積電量n隨著柵極電壓增加，硅表面電勢達到臨界值，即兩倍費米值時，會產(chǎn)生反型現(xiàn)象。 柵極電壓繼續(xù)增加不再引起耗盡層寬度變化，而是導(dǎo)致氧化物層下方硅表面的耗盡區(qū)中產(chǎn)生一薄層電子層。 反型現(xiàn)象會產(chǎn)生連續(xù)的n型區(qū)域，包括源區(qū)和漏區(qū)，并且在柵源之間形成導(dǎo)電溝道。 增加或減少柵源電壓，可調(diào)整溝道的導(dǎo)電能力。 此時耗盡區(qū)中電子密度是定值： 源極和襯底間加偏置電壓，則當硅表面電勢達到TV0GSV1210AqN

7、dW2AdAqNWqNQ2FABqNQ220)2(SBFV)2(2SBFABVqNQ閾值電壓n開始形成反型層的電壓叫閾值電壓n 包含以下幾個分量 維持耗盡層電荷 所需電壓 柵極金屬與硅之間存在工作壓差 硅表面氧化物中存在正電荷 ，由柵源電壓分量來補償 其中： 是 時的閾值電壓 柵極氧化物單位面積電容量TVBQ)/(2oxBfCQmsssQ)22(20fSBfTCQCQfmsTVVVoxssoxB0TV0SBVoxCoxoxtoxCAtmfFCVoxox100,/45. 3,5 . 022/1ACNqox21TV漏極電流n當 時，產(chǎn)生反型現(xiàn)象，導(dǎo)電溝道形成-場效應(yīng) ，水平電場強度為0，漏源電流也

8、為0 ，產(chǎn)生水平電場，產(chǎn)生漏電流oxoxndtoxnDSDSTGSLWkDdydVndyvdyTGSoxIIdtdQDCkVVVVIyEyEyvdtVyVVCyQWdyQdQI)(2)(, )()(, )()(22)(TGSVV0DSV0DSVDI溝道夾斷（pinch-off)n漏源電壓繼續(xù)增加，漏極導(dǎo)電溝道將會消失-夾斷n夾斷區(qū)，溝道的水平電場強度與漏源電壓無關(guān)，與整個溝道上壓降有關(guān)n飽和區(qū)n+n+SGVGSDVDS VGS - VTVGS - VT+-TGSDSVVV)(TGSVV22)(TGSLWkDVVI溝道長度調(diào)制（Channel-length Modulation)n由于溝道漏極夾

9、斷點和漏區(qū)本身中間存在耗盡區(qū)，所以夾斷區(qū)漏極電壓的變化對漏極電流的影響很小。n漏源電壓增加引起漏區(qū)的耗盡層增加，有效溝道長度減少。n設(shè)耗盡層寬度為 ，則有效溝道長度為n夾斷區(qū)電流：n厄爾利電壓：nMOS管：溝道長度調(diào)制效應(yīng)參數(shù)， n考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)，有dXdeffXLL22)(TGSLWkDVVIeff1/)(DSdDSDDdVdXeffVIIALVAV1)1 ()()1 ()(2222DSTGSLWkVVTGSLWkDVVVVVIADS1005. 005. 0VNMOS管大信號等效模型I-V特性00.511.522.50123456x 10-4VDS (V)ID (A)VGS= 2.5

10、VVGS= 2.0 VVGS= 1.5 VVGS= 1.0 VResistive SaturationVDS = VGS - VTLong ChannelGSDVVSI00.511.522.50123456x 10-4VGS (V)ID (A)00.511.522.500.511.522.5x 10-4VGS (V)ID (A)quadraticquadraticlinearLong ChannelShort ChannelPMOS管I-V特性-2.5-2-1.5-1-0.50-1-0.8-0.6-0.4-0.20 x 10-4VDS (V)ID (A)假設(shè)所有變量為負值!VGS = -1.0

11、VVGS = -1.5VVGS = -2.0VVGS = -2.5VMOS器件電壓限制n結(jié)擊穿n穿通擊穿n熱載流子效應(yīng)n氧化物擊穿MOS管小信號模型n利用小信號模型簡化電路增益以及終端電阻的計算n如圖所示MOS管， 工作在飽和區(qū)或放大區(qū)dDdiII跨導(dǎo)nMOS管跨導(dǎo) 假設(shè) ，有過載電壓MOS模擬電路設(shè)計挑戰(zhàn)：低跨導(dǎo)-電流率n柵源電壓變化引起漏極電流變化 大信號模型假設(shè) ，有 小于過載電壓的20%，小信號分析誤差小于10%mg)1)(DSTGSLWVImVVVkgGSD1DSVDLWTGSLWmIkVVkg2)()/( 2LWkITGSovDVVVTGSDmVVIg21 )()()(222TGS

12、iVVviTGSLWDddTiGSLWkdvVVkIIiVvVIoviVv2imdvgi GSiVv柵源、柵漏固有電容n在一定工作模式下，器件的電容是固有的n在可變電阻區(qū)，導(dǎo)電溝導(dǎo)貫通在源極和漏極之間，n在飽和或放大區(qū)，溝道在達到漏區(qū)之前就被夾斷，因此漏極電壓對溝道以及柵極電荷影響很小， 設(shè)溝道中存儲的總電荷數(shù) ，gdgsCC ,2WLCgdgsoxCC0gdCTQ0)()(32320gdoxVQgsTGSoxTTLGSoxTCWLCCVVWLCQdyVyVVWCQGST輸入電阻和輸出電阻nMOS管中，柵極與溝道間有 絕緣層，因此低頻時柵極電流為0，即輸入電阻無窮大。n由于溝道長度調(diào)制效應(yīng)，漏

13、極電流隨漏源電壓增加而增加，2SiOoIIVIVDSVIDrVIDDADDSDSD1MOS管的基本小信號模型n混合 模型n物理解釋：因為增加?xùn)旁措妷壕蜁黾訙系赖膶?dǎo)電性，從而使漏極電流增加n在NMOS管中，直流漏電流 是由漏極流向源極，因此增加?xùn)旁措妷和瑯訒黾涌偟穆O電流 。DIdI襯底效應(yīng)和襯底跨導(dǎo)n襯底效應(yīng)(次柵效應(yīng))柵源電壓-垂直電場強度-導(dǎo)電溝道導(dǎo)電能力-漏極電流襯底源電壓 -閾值電壓 - 柵源電壓 -漏極電流n襯底與固定電壓源相接小信號電源或交流接地點襯底電壓固定時，源極的變化改變襯底源電壓n當襯底源電壓值不為常數(shù)時，MOS管由兩個跨導(dǎo)來表征mbg3 . 01 . 0,)1)(22

14、)2(2)/( SBfmmbSBfDBSTBSDVggVILWkmbVVDSTGSLWVImbgVVVkg小信號模型的寄生單元n正常工作模式下，MOS管中所有的pn結(jié)都必須反向偏置，且每個pn結(jié)都會表現(xiàn)出與耗盡區(qū)相關(guān)的依賴于電壓的寄生電容n低頻工作時,忽略寄生電阻考慮寄生單元的小信號模型n低頻情況下，忽略寄生電阻MOS管頻率響應(yīng)n特征頻率 ：簡化放大電路中共源電流增益降到單位值時的頻率。n高頻特性由小信號模型中電容因素來控制的 直流柵極電流為零； 高頻特性中柵極電流隨頻率的增加而增加。Tfn ， 對計算沒有影響忽略n小信號輸入電流 忽略流過 的電流， 為了計算頻率響應(yīng)，令 ，則 當 時，小信號

15、電流增益為單位值特征頻率：假設(shè) 器件固有電容 遠大于 有在亞微型MOS工藝中，偏離平方定律，即0dbsbvvdbsbombCCrg,gsgdgbgsivCCCsi)(gdCgsmovgi js )(gdgbgsmioCCCsgiigdgbgsmCCCgTgdgbgsmCCCgTTf2121gsC)(gdgbCC)(5 . 122TGSLTVVfn1 LfT短溝道效應(yīng)（short-channel effect)nMOS管溝道長度小于1um時，就會顯示出顯著的短溝道效應(yīng) MOS管在飽和區(qū)和放大區(qū)的經(jīng)典平方律傳輸特性變得更加線性 要修改前面給的模型 主要來源于水平場中的速率飽和00.511.522.

16、50123456x 10-4VGS (V)ID (A)00.511.522.500.511.522.5x 10-4VGS (V)ID (A)quadraticquadraticlinearLong ChannelShort Channel短溝道效應(yīng)-水平場中的速率飽和n當MOS管工作在三極管區(qū)時，沿溝道的平均水平電場強度 當 較小或L大時，水平電場強度較低，載流子速度與場強建的線性關(guān)系成立 當場強很高時，載流子速率達到熱力學(xué)速率后，載流子加速度會隨著場強的增加而降低，漂移速率會達到一個常數(shù) 極限散射速率 沿溝道較小的電勢差就可以產(chǎn)生一個平均強度為 的電場LVDS/DSVsclV)()(yEyv

17、ndcnEEEdv/1cE (V/m)c = 1.5un (m/s)usat = 105Constant mobility (slope = )Constant velocityIDLong-channel deviceShort-channel deviceVDSVDSATVGS - VTVGS = VDDI-V特性-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= 1.0 VResistive SaturationVDS = VGS - VTLong ChannelShort Channel短溝道效應(yīng)-跨導(dǎo)和特征頻率n跨導(dǎo) 忽略飽和速率時 計算飽和速率時n特征頻率 飽和速率前， 隨 的增加而增加 飽和速率時， 反比于溝道長度)(limTGSLWmEVVkgcscloxmEvWCgc0limLvWLCvWCCgTscloxscloxgsmf21T