集成电路中的器件及模型chap3-1优质PPT.ppt

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执行开关功能执行开关功能;

非常小的寄生效应非常小的寄生效应;

非常高的集成非常高的集成;

相对简单的制造工艺相对简单的制造工艺3.1器件的工作原理器件的工作原理增强型增强型MOSMOS管的管的44种常用符号如图所示，种常用符号如图所示，其中其中NMOSNMOS管的衬底管的衬底BB应接地，应接地，PMOSPMOS管的衬底管的衬底BB接接VVDDDD。

MOSMOS晶体管类型和符号晶体管类型和符号EE1414MOSMOS管阈值电压管阈值电压NMOSNMOS晶体管晶体管VVGSGS为正，为正，显示耗尽区和感应的沟道显示耗尽区和感应的沟道ConditionsConditions阈值电压阈值电压阈值电压阈值电压VTVTMOSMOS管阈值电压管阈值电压（TheThresholdVoltage）衬底费米势衬底费米势功函数差功函数差表面电荷表面电荷衬偏效应系数衬偏效应系数耗尽层电荷耗尽层电荷6体偏置对阈值电压的影响体偏置对阈值电压的影响衬偏效应衬偏效应系数系数当源与体之间加上一个衬底偏置电压时（对于当源与体之间加上一个衬底偏置电压时（对于NN管，管，VVSBSB为正）为正）阈值电压与材料常数如氧化层厚度、费米电势、注入离子剂量等有关阈值电压与材料常数如氧化层厚度、费米电势、注入离子剂量等有关7晶体管线性区晶体管线性区电阻工作区：

设电阻工作区：

设VVVVGSGSGSGSVVVVTTTT,并在漏区和源区间加入一个小并在漏区和源区间加入一个小并在漏区和源区间加入一个小并在漏区和源区间加入一个小电压电压电压电压VVVVDSDSDSDS在沿沟道在沿沟道在沿沟道在沿沟道XXXX处的电压设为处的电压设为处的电压设为处的电压设为V（x）,V（x）,V（x）,V（x）,则在那一点处的栅至沟道电压为：

则在那一点处的栅至沟道电压为：

VVVVGSGSGSGS-V（x）-V（x）-V（x）-V（x）设沿整个沟道该电压设沿整个沟道该电压设沿整个沟道该电压设沿整个沟道该电压VVVVTTTT8电阻工作区电阻工作区在点在点xx处所感应出的每单位面积的沟道电荷处所感应出的每单位面积的沟道电荷CCoxox：

栅氧的单位面积电容：

栅氧的单位面积电容ttoxox：

氧化层厚度：

氧化层厚度Vn（x）:

Vn（x）:

载流子的漂移速度载流子的漂移速度：

沟道宽度：

沟道宽度n:

n:

迁移率的参数迁移率的参数在沟道全长上积分得到电在沟道全长上积分得到电压压电流关系电流关系增益因子增益因子当当VVDSDS的值较小时，的值较小时，VVDSDS和和IIDD成线性关系，称电阻区或线性区成线性关系，称电阻区或线性区电流为载流子的漂移速度和所存在电荷的乘积电流为载流子的漂移速度和所存在电荷的乘积工艺跨导工艺跨导9饱和区饱和区夹断夹断IIDD与与VVGSGS间存在平方关系，相当于一个理想电流源，与间存在平方关系，相当于一个理想电流源，与VVDSDS无关无关MOSFET的电流与电压的关系（长沟道）的电流与电压的关系（长沟道）线性区：

线性区：

工艺跨导参数工艺跨导参数饱和区饱和区沟长调制沟长调制11沟道长度调制沟道长度调制:

沟长调制系数沟长调制系数与沟长成反比，对于沟长较短的晶体与沟长成反比，对于沟长较短的晶体管，沟道的调制效应也更加显著。

管，沟道的调制效应也更加显著。

导电沟道有效长度由所加导电沟道有效长度由所加DSDS调制，增加调制，增加DSDS使漏结耗使漏结耗尽区加大，从而缩短，当长度尽区加大，从而缩短，当长度LL减小时电流会增加减小时电流会增加QuadraticRelationship平方关系00.511.522.50123456x10-4VDS（V）ID（A）VGS=2.5VVGS=2.0VVGS=1.5VVGS=1.0V电阻区饱和VDS=VGS-VTMOSFET的电流与电压的关系（长沟道）的电流与电压的关系（长沟道）3.2MOS器件中的二级效应器件中的二级效应13

（一）短沟效应：

（一）短沟效应：

（11）有效沟道长度：

）有效沟道长度：

（22）耗尽电荷共享）耗尽电荷共享沟道耗尽电荷沟道耗尽电荷=栅耗尽区栅耗尽区+源漏耗尽区源漏耗尽区短沟道因为梯形下面积较小，短沟道因为梯形下面积较小，所以阈值电压也相应减小所以阈值电压也相应减小14

（二）窄沟效应

（二）窄沟效应（11）有效沟道宽度：

）有效沟道宽度：

1.1.鸟嘴鸟嘴2.2.场注场注（22）沟宽方向上的边缘场使耗尽电荷增加）沟宽方向上的边缘场使耗尽电荷增加15（三）迁移率变化（三）迁移率变化（11）影响迁移率的因素）影响迁移率的因素1.1.载流子的类型载流子的类型2.2.随掺杂浓度增加而减小随掺杂浓度增加而减小3.3.随温度增加而减小随温度增加而减小4.4.随沟道纵向、横向电场增加而减小随沟道纵向、横向电场增加而减小（22）迁移率的纵向电场退化）迁移率的纵向电场退化（33）迁移率的横向电场退化）迁移率的横向电场退化16（44）速度饱和）速度饱和xx（V/m）xxc（临界电场）（临界电场）uun（m/s）uusat=105迁移率为常数迁移率为常数（斜率斜率=）速度为常数速度为常数短沟道器件当沟道电场达到某一临界值时，载流子短沟道器件当沟道电场达到某一临界值时，载流子的速度将由于散射效应而趋于保和，速度饱和时对应的速度将由于散射效应而趋于保和，速度饱和时对应的电压为的电压为VVDSatDSat迁移率迁移率参数参数17饱和速度饱和速度VV的计算：

的计算：

BSIMv3BSIMv3取精确的取精确的nn值并采用台劳级数值并采用台劳级数逐段线性近似：

逐段线性近似：

nn为为22时不易求解时不易求解EE手工计算时可取手工计算时可取nn11（足够精确）（足够精确）考虑两个区域连续时：

考虑两个区域连续时：

载流子速度载流子速度18迁移率减小时的电流电压关系：

迁移率减小时的电流电压关系：

VDS=VDSat时达到速度饱和：

时达到速度饱和：

（此时（此时E=EC）当当VGS-VThEcL（VGS1V）时，时，VDSat接近接近VGS-VTh此时饱和电流可近似为：

此时饱和电流可近似为：

线性关系线性关系深亚微米深亚微米MOSFET的电流与电压的关系的电流与电压的关系1920长沟与短沟器件电流比较长沟与短沟器件电流比较ID长沟道器件长沟道器件短沟道器件短沟道器件VDSVDSATVGS-VTVGS=VDD短沟道器件经历的饱和区范围更大，更经常工作短沟道器件经历的饱和区范围更大，更经常工作在饱和状态在饱和状态IIDD与与VVGSGS的关系的关系2122漏极电流和电压关系漏极电流和电压关系-4VDS（V）00.511.522.500.511.522.5x10ID（A）VGS=2.5VVGS=2.0VVGS=1.5VVGS=1.0V00.511.522.50123456x10-4VDS（V）ID（A）VGS=2.5VVGS=2.0VVGS=1.5VVGS=1.0VResistiveSaturationVDS=VGS-VTLongChannel（Ld=10um）ShortChannel（Ld=0.25um）VelocitySaturation饱和电流和饱和电流和VVGSGS关系，长沟道器件中是平方关系关系，长沟道器件中是平方关系短沟道降低短沟道降低VVGSGS不会像长沟晶体管那样显著不会像长沟晶体管那样显著（11）长沟道器件：

沟道夹断饱和）长沟道器件：

沟道夹断饱和（22）短沟道器件：

）短沟道器件：

载流子载流子速度饱和速度饱和1.1.短沟器件中，速度饱和先于夹断饱和短沟器件中，速度饱和先于夹断饱和2.2.速度饱和点在漏端处速度饱和点在漏端处3.3.当源漏电压上升时当源漏电压上升时,饱和点向源端移动饱和点向源端移动23（四）沟道长度调制（四）沟道长度调制24手工分析模型手工分析模型恒流源模型恒流源模型开关模型开关模型假如把假如把MOS晶体管抽象成一个简单和实际的解析模型，晶体管抽象成一个简单和实际的解析模型，即不用复杂的公式又能抓住器件的实质。

（一阶模型）即不用复杂的公式又能抓住器件的实质。

（一阶模型）251.1.恒流源模型恒流源模型SDGB26恒流源模型与恒流源模型与SPICESPICE模拟结果比较模拟结果比较00.511.522.500.511.522.5x10-4VDS（V）ID（A）VelocitySaturatedLinearSaturatedVDSAT=VGTVDS=VDSATVDS=VGTSimplemodelSPICESimulation用手工分析的通用模型所定义的各工作区的边界用手工分析的通用模型所定义的各工作区的边界除了在电阻区和除了在电阻区和速度饱和区之间的速度饱和区之间的过渡区，其它地方过渡区，其它地方对应的很好对应的很好存在差别是由于存在差别是由于采用采用简单的恒流源简单的恒流源模型模型模型模型27PMOSPMOS晶体管晶体管-2.5-2-1.5-1-0.50-1-0.8-0.6-0.4-0.20x10-4VDS（V）ID（A）VGS=-1.0VVGS=-1.5VVGS=-2.0VVGS=-2.5V对典型对典型NMOSNMOS器件器件,所有所有55个参数是正值个参数是正值,而对典型而对典型PMOSPMOS器件则是负值器件则是负值282.NMOS2.NMOS晶体管的开关模型晶体管的开关模型Ron是时变，是时变，与工作点有关与工作点有关在研究数字电路瞬态时在研究数字电路瞬态时,希望希望RonRon是一个常数的线性电阻是一个常数的线性电阻,一一个合理的方法是采用所关心区域上的平均电阻值，更简单是个合理的方法是采用所关心区域上的平均电阻值，更简单是采用瞬态过程起点和终点两个电阻平均值采用瞬态过程起点和终点两个电阻平均值需要简单模型，不仅线性，而且非常直接。

在数字设计中，需要简单模型，不仅线性，而且非常直接。

在数字设计中，晶体管是一个开关，有无穷大断开电阻和有限导通电阻晶体管是一个开关，有无穷大断开电阻和有限导通电阻29例：

充放电一个电容时的等效电阻例：

充放电一个电容时的等效电阻DischargetoVdd/2DischargetoVdd/2电容上电压从电容上电压从VVdddd放电通过放电通过NMOSNMOS管放电到管放电到VVdddd/2/2借助公式推导过渡借助公式推导过渡区器件的平均电阻区器件的平均电阻用过渡区两端点用过渡区两端点电阻进行平均电阻进行平均30Mos管等效电阻与电源电压管等效电阻与电源电压VDD关系关系一个最小尺寸一个最小尺寸0.25umCMOS0.25umCMOS工艺工艺NMOSNMOS晶体管模拟得到的等晶体管模拟得到的等效电阻与电源电压效电阻与电源电压VDDVDD的关系的关系1.1.电阻反比于器件的电阻反比于器件的（W/L）（W/L）。

晶体管的宽度加。

晶体管的宽度加倍则使电阻减半（因倍则使电阻减半（因IDSATIDSAT与与W/LW/L成正比）成正比）2.2.当当VDDVDDVT+VDSATVT+VDSAT时，电阻与电源电压无时，电阻与电源电压无关，