CMOS器件模型課件

第３章ＣＭＯＳ器件模型３.１

MOS管大信號(hào)模型

３.２MOS管的小信號(hào)模型

３.３計(jì)算機(jī)仿真模型３.４亞閾值電壓區(qū)MOS模型CMOS模型參數(shù)提取*

第３章ＣＭＯＳ器件模型３.１

MOS管大信號(hào)模型

主要內(nèi)容掌握有源器件大信號(hào)等效模型MOS管的寄生電容；低頻小信號(hào)等效模型和高頻小信號(hào)等效模型；了解MOS器件計(jì)算機(jī)仿真模型了解亞閾值電壓區(qū)MOS模型主要內(nèi)容掌握有源器件３.１MOS管大信號(hào)模型３.１MOS管大信號(hào)模型MOS管大小信號(hào)模型關(guān)系大信號(hào)模型（直流偏置）小信號(hào)模型（交變信號(hào)）MOS管大小信號(hào)模型關(guān)系nmos管的大信號(hào)特性nmos管的大信號(hào)特性輸出特性輸出特性大信號(hào)模型的推導(dǎo)思路假設(shè)：１緩變溝道近似２強(qiáng)反型近似３只考慮漂移電流近似４遷移率為常數(shù)近似１、電流Ｉ＝Ｑd＊vd２、Ｑd＝ＷＣox（Ｖgs－Ｖ（y）－Ｖth）３、vd＝μＥ＝μ［dＶ（y）／dy］４、大信號(hào)模型的推導(dǎo)思路１、電流Ｉ＝Ｑd＊vd飽和特性飽和特性大信號(hào)ＭＯＳ管的工作區(qū)域大信號(hào)ＭＯＳ管的工作區(qū)域

ＮＭＯＳ管的電流方程

NMOS管在截止區(qū)、線性區(qū)、恒流區(qū)的電流方程UGS<UTHN(截止區(qū))UDS<UGS-UTHN(線性區(qū))UDS>UGS-UTHN(恒流區(qū))ＮＭＯＳ管的電流方程UGS<UTHN硅常數(shù)表硅常數(shù)表０.８um工藝參數(shù)０.８um工藝參數(shù)跨導(dǎo)特性跨導(dǎo)特性例題大信號(hào)模型的應(yīng)用例題大信號(hào)模型的應(yīng)用３.２MOS管小信號(hào)模型信號(hào)擺幅與偏置相比很小，對(duì)MOS管的直流工作點(diǎn)的影響可忽略；需要確定直流工作點(diǎn)使用小信號(hào)等效電路進(jìn)行分析突出主要的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)性能的影響３.２MOS管小信號(hào)模型信號(hào)擺幅與偏置相比很小，對(duì)MOS1低頻小信號(hào)模型根據(jù)以上分析，一個(gè)襯底若不和源極短路，則存在體效應(yīng)。同時(shí)考慮溝道調(diào)制效應(yīng)和襯底調(diào)制效應(yīng)(體效應(yīng))的低頻小信號(hào)模型1低頻小信號(hào)模型根據(jù)以上分析，一個(gè)襯底若不和源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。MOS管交流小信號(hào)模型---低頻小信號(hào)是指對(duì)偏置幾個(gè)重要的參數(shù)跨導(dǎo)輸出電阻增益最高工作頻率幾個(gè)重要的參數(shù)飽和區(qū)MOS管的跨導(dǎo)gm

工作在飽和區(qū)的MOS管可等效為一壓控電流源，故可用跨導(dǎo)gm來表示MOS管的電壓轉(zhuǎn)變電流的能力，跨導(dǎo)為漏源電壓一定時(shí)，漏極電流隨柵源電壓的變化率，即：

飽和區(qū)MOS管的跨導(dǎo)gm工作在飽和區(qū)的MOS管可等效飽和區(qū)MOS管的跨導(dǎo)柵跨導(dǎo)隨過驅(qū)動(dòng)電壓以及IDS的變化飽和區(qū)MOS管的跨導(dǎo)柵跨導(dǎo)隨過驅(qū)動(dòng)電壓以及IDS的變化飽和區(qū)MOS管的gmb則襯底電位對(duì)漏極電流的影響可用一個(gè)電流源gmbVBS表示。在飽和區(qū)，gmb能被表示成飽和區(qū)MOS管的gmb則襯底電位對(duì)漏極電流的影響可用一個(gè)電流飽和區(qū)MOS管的gmb而根據(jù)閾值電壓與VBS之間的關(guān)系可得：

因此有：

上式中η=gmb/gm

，gmb正比于γ。

注意gmVGS與gmbVBS具有相同極性，即提高襯底電位與提高柵壓具有同等的效果。飽和區(qū)MOS管的gmb而根據(jù)閾值電壓與VBS之間的關(guān)系可得：飽和區(qū)MOS管的輸出電阻輸出電阻定義為：當(dāng)柵源電壓與襯底電壓為一常數(shù)時(shí)的漏源電壓與漏極電流之比一般有g(shù)m約＝１０gmb約＝１００gds飽和區(qū)MOS管的輸出電阻輸出電阻定義為：當(dāng)柵源電壓與襯底電壓增益AV增益AVMOS管的最高工作頻率

ftMOS管的最高工作頻率定義：對(duì)柵輸入電容的充放電電流和漏源交流電流值相等時(shí)所對(duì)應(yīng)的工作頻率。

MOS管的最高工作頻率ftMOS管的最高工作頻率定義：對(duì)柵

MOS管的最高工作頻率C表示柵極輸入電容，該電容正比于WLCox

。MOS管的最高工作頻率與溝道長度的平方成反比，因此，減小MOS管的溝道長度就能很顯著地提高工作頻率

。MOS管的最高工作頻率MOS管交流小信號(hào)模型---高頻在高頻應(yīng)用時(shí)，MOS管的分布電容不能忽略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MOS管的高頻小信號(hào)電容MOS管的高頻小信號(hào)電容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εox/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C1＝WdCol與柵漏交疊電容C4=WdCol：MOS管的高頻小信號(hào)電容MOS管的高頻小信號(hào)電容MOS管柵源電容－飽和區(qū)

柵漏電容大約為：WCol。漏端夾斷，溝道長度縮短，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。即

=2WLCox(VGS-VTH)/3因此有：

CGS=2WLCox/3+WCol

MOS管柵源電容－飽和區(qū)柵漏電容大約為：WCol。需要記住的電容需要記住的電容0.35um主要參數(shù)0.35um主要參數(shù)討論ＭＯＳ管的設(shè)計(jì)參數(shù)有幾個(gè)，對(duì)ＭＯＳ管的性能有何影響？如何提高M(jìn)OS管的性能？例題:求完整的NMOS管的小信號(hào)模型討論ＭＯＳ管的設(shè)計(jì)參數(shù)有幾個(gè)，對(duì)ＭＯＳ管的性能有何影響？Mos管設(shè)計(jì)考慮Mos管設(shè)計(jì)考慮主要公式(掌握)主要公式(掌握)主要公式(續(xù))主要公式(續(xù))３.３

計(jì)算機(jī)仿真模型ＳＰＩＣＥＬＥＶＥＬ1ＳＰＩＣＥＬＥＶＥＬ2ＳＰＩＣＥＬＥＶＥＬ3

ＢＳＩＭ３Ｖ３（深亞微米）ＬＥＶＥＬ49

BerkeleyShort-ChannelIGFETModel

３.３計(jì)算機(jī)仿真模型ＳＰＩＣＥＬＥＶＥＬ1

ＢＳＩＭ模型參數(shù)變化模型參數(shù)變化尺寸縮小考慮因素短／窄溝道效應(yīng)熱載流子效應(yīng)漏感應(yīng)勢(shì)壘降低效應(yīng)載流子速度飽和效應(yīng)尺寸縮小考慮因素短／窄溝道效應(yīng)MOS的Spice模型參數(shù)

目前許多數(shù)?；旌嫌?jì)算機(jī)仿真軟件的內(nèi)核都是Spice。計(jì)算機(jī)仿真(模擬)的精度很大程度上取決于器件模型參數(shù)的準(zhǔn)確性和算法的科學(xué)先進(jìn)性。了解Spice模型參數(shù)的含義對(duì)于正確設(shè)計(jì)集成電路十分重要。MOS的Spice模型參數(shù)目前許多數(shù)?；旌嫌?jì)算機(jī)仿真MOS管Spice模型參數(shù)MOS管Spice模型參數(shù)第3章CMOS器件模型課件求解過程求解過程

仿真示例仿真示例仿真結(jié)果仿真結(jié)果工藝角不同晶片不同批次不同工藝線有經(jīng)過驗(yàn)證的器件模型典型條件四個(gè)工藝角（SF，F(xiàn)S，SS，F(xiàn)S）滿足以上條件的電路才是合格的保證產(chǎn)品的成品率

工藝角不同晶片不同批次３.４亞閾值電壓區(qū)MOS模型

亞閾值效應(yīng)又稱為弱反型效應(yīng)指數(shù)關(guān)系平方關(guān)系VON３.４亞閾值電壓區(qū)MOS模型亞閾值效應(yīng)又指數(shù)關(guān)系平方關(guān)系V亞閾值工作區(qū)

襯底沒有反型弱反型強(qiáng)反型亞閾值工作區(qū)襯底沒有反型弱反型強(qiáng)反型亞閾值效應(yīng)亞閾值導(dǎo)通，而且ID與VGS呈指數(shù)關(guān)系：其中ｎ>1是一非理想的因子；ID0為特征電流：，m為工藝因子，因此ID0與工藝有關(guān)；而VT稱為熱電壓：

亞閾值效應(yīng)亞閾值導(dǎo)通，而且ID與VGS呈指數(shù)關(guān)系：亞閾值效應(yīng)亞閾值效應(yīng)MOS管亞閾值效應(yīng)MOS管亞閾值效應(yīng)亞閾值效應(yīng)的應(yīng)用模擬電路的低壓低功耗

數(shù)字電路的泄漏電流亞閾值效應(yīng)的應(yīng)用模擬電路的低壓低功耗ＣＭＯＳ器件性能參數(shù)計(jì)算目的通過計(jì)算機(jī)仿真得到ＣＭＯＳ器件模型參數(shù)參數(shù)抽取過程：1.) Extractthesquare-lawmodelparametersforatransistorwithlengthatleast10timesLmin.2.) UsingthevaluesofK’,VT

,

,and

extractthemodelparametersforthemodel

ＣＭＯＳ器件性能參數(shù)計(jì)算目的簡單MOS管的特性飽和區(qū):假設(shè)其中簡單MOS管的特性飽和區(qū):假設(shè)模型參數(shù)的抽取過程

假設(shè)模型參數(shù)的抽取過程假設(shè)關(guān)系曲線關(guān)系曲線K’和

VT

的計(jì)算

先檢查數(shù)據(jù)的線性度K’和VT的計(jì)算

先檢查數(shù)據(jù)的線性度習(xí)題試確定γ值以及NSUB值．習(xí)題試確定γ值以及NSUB值．習(xí)題ＭＯＳ管存在哪些二階效應(yīng)？分別由什么原因引起的？對(duì)ＭＯＳ管的模型有何影響？ＭＯＳ管的設(shè)計(jì)參數(shù)有幾個(gè)，對(duì)ＭＯＳ管的性能有何影響？習(xí)題本章小結(jié)大信號(hào)模型小信號(hào)模型主要參數(shù)仿真模型亞閾值效應(yīng)本章小結(jié)大信號(hào)模型第3章CMOS器件模型課件第３章ＣＭＯＳ器件模型３.１

MOS管大信號(hào)模型

３.２MOS管的小信號(hào)模型

３.３計(jì)算機(jī)仿真模型３.４亞閾值電壓區(qū)MOS模型CMOS模型參數(shù)提取*

第３章ＣＭＯＳ器件模型３.１

MOS管大信號(hào)模型

主要內(nèi)容掌握有源器件大信號(hào)等效模型MOS管的寄生電容；低頻小信號(hào)等效模型和高頻小信號(hào)等效模型；了解MOS器件計(jì)算機(jī)仿真模型了解亞閾值電壓區(qū)MOS模型主要內(nèi)容掌握有源器件３.１MOS管大信號(hào)模型３.１MOS管大信號(hào)模型MOS管大小信號(hào)模型關(guān)系大信號(hào)模型（直流偏置）小信號(hào)模型（交變信號(hào)）MOS管大小信號(hào)模型關(guān)系nmos管的大信號(hào)特性nmos管的大信號(hào)特性輸出特性輸出特性大信號(hào)模型的推導(dǎo)思路假設(shè)：１緩變溝道近似２強(qiáng)反型近似３只考慮漂移電流近似４遷移率為常數(shù)近似１、電流Ｉ＝Ｑd＊vd２、Ｑd＝ＷＣox（Ｖgs－Ｖ（y）－Ｖth）３、vd＝μＥ＝μ［dＶ（y）／dy］４、大信號(hào)模型的推導(dǎo)思路１、電流Ｉ＝Ｑd＊vd飽和特性飽和特性大信號(hào)ＭＯＳ管的工作區(qū)域大信號(hào)ＭＯＳ管的工作區(qū)域

ＮＭＯＳ管的電流方程

NMOS管在截止區(qū)、線性區(qū)、恒流區(qū)的電流方程UGS<UTHN(截止區(qū))UDS<UGS-UTHN(線性區(qū))UDS>UGS-UTHN(恒流區(qū))ＮＭＯＳ管的電流方程UGS<UTHN硅常數(shù)表硅常數(shù)表０.８um工藝參數(shù)０.８um工藝參數(shù)跨導(dǎo)特性跨導(dǎo)特性例題大信號(hào)模型的應(yīng)用例題大信號(hào)模型的應(yīng)用３.２MOS管小信號(hào)模型信號(hào)擺幅與偏置相比很小，對(duì)MOS管的直流工作點(diǎn)的影響可忽略；需要確定直流工作點(diǎn)使用小信號(hào)等效電路進(jìn)行分析突出主要的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)性能的影響３.２MOS管小信號(hào)模型信號(hào)擺幅與偏置相比很小，對(duì)MOS1低頻小信號(hào)模型根據(jù)以上分析，一個(gè)襯底若不和源極短路，則存在體效應(yīng)。同時(shí)考慮溝道調(diào)制效應(yīng)和襯底調(diào)制效應(yīng)(體效應(yīng))的低頻小信號(hào)模型1低頻小信號(hào)模型根據(jù)以上分析，一個(gè)襯底若不和源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。MOS管交流小信號(hào)模型---低頻小信號(hào)是指對(duì)偏置幾個(gè)重要的參數(shù)跨導(dǎo)輸出電阻增益最高工作頻率幾個(gè)重要的參數(shù)飽和區(qū)MOS管的跨導(dǎo)gm

工作在飽和區(qū)的MOS管可等效為一壓控電流源，故可用跨導(dǎo)gm來表示MOS管的電壓轉(zhuǎn)變電流的能力，跨導(dǎo)為漏源電壓一定時(shí)，漏極電流隨柵源電壓的變化率，即：

飽和區(qū)MOS管的跨導(dǎo)gm工作在飽和區(qū)的MOS管可等效飽和區(qū)MOS管的跨導(dǎo)柵跨導(dǎo)隨過驅(qū)動(dòng)電壓以及IDS的變化飽和區(qū)MOS管的跨導(dǎo)柵跨導(dǎo)隨過驅(qū)動(dòng)電壓以及IDS的變化飽和區(qū)MOS管的gmb則襯底電位對(duì)漏極電流的影響可用一個(gè)電流源gmbVBS表示。在飽和區(qū)，gmb能被表示成飽和區(qū)MOS管的gmb則襯底電位對(duì)漏極電流的影響可用一個(gè)電流飽和區(qū)MOS管的gmb而根據(jù)閾值電壓與VBS之間的關(guān)系可得：

因此有：

上式中η=gmb/gm

，gmb正比于γ。

注意gmVGS與gmbVBS具有相同極性，即提高襯底電位與提高柵壓具有同等的效果。飽和區(qū)MOS管的gmb而根據(jù)閾值電壓與VBS之間的關(guān)系可得：飽和區(qū)MOS管的輸出電阻輸出電阻定義為：當(dāng)柵源電壓與襯底電壓為一常數(shù)時(shí)的漏源電壓與漏極電流之比一般有g(shù)m約＝１０gmb約＝１００gds飽和區(qū)MOS管的輸出電阻輸出電阻定義為：當(dāng)柵源電壓與襯底電壓增益AV增益AVMOS管的最高工作頻率

ftMOS管的最高工作頻率定義：對(duì)柵輸入電容的充放電電流和漏源交流電流值相等時(shí)所對(duì)應(yīng)的工作頻率。

MOS管的最高工作頻率ftMOS管的最高工作頻率定義：對(duì)柵

MOS管的最高工作頻率C表示柵極輸入電容，該電容正比于WLCox

。MOS管的最高工作頻率與溝道長度的平方成反比，因此，減小MOS管的溝道長度就能很顯著地提高工作頻率

。MOS管的最高工作頻率MOS管交流小信號(hào)模型---高頻在高頻應(yīng)用時(shí)，MOS管的分布電容不能忽略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MOS管的高頻小信號(hào)電容MOS管的高頻小信號(hào)電容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εox/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C1＝WdCol與柵漏交疊電容C4=WdCol：MOS管的高頻小信號(hào)電容MOS管的高頻小信號(hào)電容MOS管柵源電容－飽和區(qū)

柵漏電容大約為：WCol。漏端夾斷，溝道長度縮短，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。即

=2WLCox(VGS-VTH)/3因此有：

CGS=2WLCox/3+WCol

MOS管柵源電容－飽和區(qū)柵漏電容大約為：WCol。需要記住的電容需要記住的電容0.35um主要參數(shù)0.35um主要參數(shù)討論ＭＯＳ管的設(shè)計(jì)參數(shù)有幾個(gè)，對(duì)ＭＯＳ管的性能有何影響？如何提高M(jìn)OS管的性能？例題:求完整的NMOS管的小信號(hào)模型討論ＭＯＳ管的設(shè)計(jì)參數(shù)有幾個(gè)，對(duì)ＭＯＳ管的性能有何影響？Mos管設(shè)計(jì)考慮Mos管設(shè)計(jì)考慮主要公式(掌握)主要公式(掌握)主要公式(續(xù))主要公式(續(xù))３.３

計(jì)算機(jī)仿真模型ＳＰＩＣＥＬＥＶＥＬ1ＳＰＩＣＥＬＥＶＥＬ2ＳＰＩＣＥＬＥＶＥＬ3

ＢＳＩＭ３Ｖ３（深亞微米）ＬＥＶＥＬ49

BerkeleyShort-ChannelIGFETModel

３.３計(jì)算機(jī)仿真模型ＳＰＩＣＥＬＥＶＥＬ1

ＢＳＩＭ模型參數(shù)變化模型參數(shù)變化尺寸縮小考慮因素短／窄溝道效應(yīng)熱載流子效應(yīng)漏感應(yīng)勢(shì)壘降低效應(yīng)載流子速度飽和效應(yīng)尺寸縮小考慮因素短／窄溝道效應(yīng)MOS的Spice模型參數(shù)

目前許多數(shù)?；旌嫌?jì)算機(jī)仿真軟件的內(nèi)核都是Spice。計(jì)算機(jī)仿真(模擬)的精度很大程度上取決于器件模型參數(shù)的準(zhǔn)確性和算法的科學(xué)先進(jìn)性。了解Spice模型參數(shù)的含義對(duì)于正確設(shè)計(jì)集成電路十分重要。MOS的Spice模型參數(shù)目前許多數(shù)?；旌嫌?jì)算機(jī)仿真MOS管Spice模型參數(shù)MOS管Spice模型參數(shù)第3章CMOS器件模型課件求解過程求解過程

仿真示例仿真示例仿真結(jié)果仿真結(jié)果工藝角不同晶片不同批次不同工藝線有經(jīng)過驗(yàn)證的器件模型典型條件四個(gè)工藝角（SF，F(xiàn)S，SS，F(xiàn)S）滿足以上條件的電路才是合格的保證產(chǎn)品的成品率

工藝角不同晶片不同批次３.４亞閾值電壓區(qū)MOS模型

亞閾值效應(yīng)又稱為弱反型效應(yīng)指數(shù)關(guān)系平方關(guān)系VON３.４亞閾值電壓區(qū)MOS模型亞閾值效應(yīng)又指數(shù)關(guān)系平方關(guān)系V