MOS器件物理.ppt

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CMOS模拟集成电路分析与设计模拟集成电路分析与设计教材及参考书教材及参考书o教材：

n吴建辉编著：

“CMOS模拟集成电路分析与设计模拟集成电路分析与设计”（第二版第二版），电子工业出版社。

o参考书：

nRazaviB:

DesignofanalogCMOSintegratedcircuitsnAllenPE:

CMOSAnalogCircuitDesignnR.JacobBaker:

CMOSMixed-SignalCircuitDesign引言引言o模拟电路与模拟集成电路模拟电路与模拟集成电路oWhyCMOS？

o先进工艺下模拟集成电路的挑战？

先进工艺下模拟集成电路的挑战？

半导体材料（衬底）有源器件特性第一讲第一讲基本基本MOS器件物理器件物理本章主要内容本章主要内容n本章是本章是CMOS模拟集成电路设计的基础，主要内容为：

模拟集成电路设计的基础，主要内容为：

1、有源器件：

、有源器件：

n主要从主要从MOS晶体管的基本结构出发，分析其阈值电压及基本特晶体管的基本结构出发，分析其阈值电压及基本特性（输入输出特性、转移特性等）；性（输入输出特性、转移特性等）；n介绍介绍MOS管的寄生电容；管的寄生电容；n讲解讲解MOS管的主要的二次效应，进而得出其低频小信号等效模管的主要的二次效应，进而得出其低频小信号等效模型和高频小信号等效模型；型和高频小信号等效模型；n介绍有源电阻的结构与特点。

介绍有源电阻的结构与特点。

2、无源器件：

、无源器件：

n模拟集成电路中常用的电阻、电容的结构及其特点。

模拟集成电路中常用的电阻、电容的结构及其特点。

3、等比例缩小理论、等比例缩小理论4、短沟道效应及狭沟道效应、短沟道效应及狭沟道效应5、MOS器件模型器件模型1、有源器件、有源器件主要内容：

主要内容：

o几何结构几何结构o工作原理工作原理oMOS管的寄生电容管的寄生电容o电学特性电学特性oMOS管主要的二次效应管主要的二次效应o低频小信号等效模型低频小信号等效模型o高频小信号等效模型高频小信号等效模型o有源电阻有源电阻有源器件有源器件MOS管管o结构与几何参数（结构与几何参数

（1）o结构与几何参数（结构与几何参数

（2）：

）：

n在栅氧下的衬底区域为器件的有效工作区（即在栅氧下的衬底区域为器件的有效工作区（即MOS管的沟道）。

管的沟道）。

nMOS管的两个有源区（管的两个有源区（源区与漏区）源区与漏区）在制作时是在制作时是几何对称的：

几何对称的：

o一般根据电荷的输入与输出来定义源区与漏区：

一般根据电荷的输入与输出来定义源区与漏区：

n源端源端被定义为被定义为输出输出电荷（若为电荷（若为NMOS器件则为电子）的端口；器件则为电子）的端口；n而而漏端漏端则为则为收集收集电荷的端口。

电荷的端口。

o当该器件三端的电压发生改变时，当该器件三端的电压发生改变时，源区与漏区就可能改变作用源区与漏区就可能改变作用而相互交换定义而相互交换定义。

n在模拟在模拟IC中还要考虑中还要考虑衬底（衬底（B）的影响，衬底电位一般是通过一欧的影响，衬底电位一般是通过一欧姆姆p区（区（NMOS的衬底）以及的衬底）以及n区区（PMOS衬底衬底）实现连接的，所实现连接的，所以在模拟集成电路中对于以在模拟集成电路中对于MOS晶体管而言，是一四端口器件。

晶体管而言，是一四端口器件。

有源器件有源器件MOS管管o结构与几何参数（结构与几何参数（3）：

）：

n注意：

在数字集成电路设计，由于源注意：

在数字集成电路设计，由于源/漏区的结二极管必须为反偏，漏区的结二极管必须为反偏，NMOS晶体管的衬底必须连接到系统的最低电位，而晶体管的衬底必须连接到系统的最低电位，而PMOS晶体管晶体管的衬底（即为的衬底（即为n阱）必须连接到系统的最高电位，即在数字集成电路阱）必须连接到系统的最高电位，即在数字集成电路中中MOS晶体管可看成晶体管可看成三端口器件三端口器件。

n对于单阱工艺而言，如对于单阱工艺而言，如n阱工艺，所有的阱工艺，所有的NMOS管具有相同的衬底管具有相同的衬底电位，而对于电位，而对于PMOS管而言可以有一个独立的管而言可以有一个独立的n阱，则可以接不同阱，则可以接不同的阱电位，即其衬底电位可以不同。

的阱电位，即其衬底电位可以不同。

n现在很多的现在很多的CMOS工艺线采用了双阱工艺，即把工艺线采用了双阱工艺，即把NMOS管与管与PMOS管都制作在各自的阱内：

管都制作在各自的阱内：

NMOS管在管在p阱内，阱内，PMOS管在管在n阱内；因此，对于每一个阱内；因此，对于每一个NMOS管与管与PMOS管都可以有各自的衬底管都可以有各自的衬底电位。

电位。

有源器件有源器件MOS管管o结构与几何参数（结构与几何参数（4）：

）：

n沟道长度沟道长度L：

o由于由于CMOS工艺的自对准的特点，其沟道长度定义为漏源之工艺的自对准的特点，其沟道长度定义为漏源之间栅的尺寸，一般其最小尺寸即为制造工艺中所给的特征尺间栅的尺寸，一般其最小尺寸即为制造工艺中所给的特征尺寸；寸；o由于在制造漏由于在制造漏/源结时会发生边缘扩散，所以源漏之间的实源结时会发生边缘扩散，所以源漏之间的实际距离（称之为有效长度际距离（称之为有效长度L）略小于长度）略小于长度L，则有，则有LL2d，其中，其中L是漏源之间的总长度，是漏源之间的总长度，d是边缘扩散的长度。

是边缘扩散的长度。

n沟道宽度沟道宽度W：

垂直于沟道长度方向的栅的尺寸。

垂直于沟道长度方向的栅的尺寸。

n栅氧厚度栅氧厚度tox：

则为栅极与衬底之间的二氧化硅的厚度。

则为栅极与衬底之间的二氧化硅的厚度。

有源器件有源器件MOS管管oMOS管的工作原理及表示符号（管的工作原理及表示符号

（1）：

）：

nMOS管可分为管可分为增强型与耗尽型增强型与耗尽型两类：

两类：

o增强型是指在栅源电压增强型是指在栅源电压VGS为为0时没有导电沟道，而时没有导电沟道，而必须依靠栅源电压的作用，才能形成感生沟道的必须依靠栅源电压的作用，才能形成感生沟道的MOS晶体管；晶体管；o耗尽型是指即使在栅源电压耗尽型是指即使在栅源电压VGS为为0时时MOS晶体管晶体管也存在导电沟道。

也存在导电沟道。

n这两类这两类MOS管的基本工作原理一致，都是利用管的基本工作原理一致，都是利用栅源电压的大小来改变半导体表面感生电荷的栅源电压的大小来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小多少，从而控制漏极电流的大小。

有源器件有源器件MOS管管oMOS管的管的工作原理工作原理及表示符号（及表示符号

（2）：

）：

n当栅源电压当栅源电压VGS=0时，源区（时，源区（n型）、衬底（型）、衬底（p型）和漏区（型）和漏区（n型）型）形成两个背靠背的形成两个背靠背的PN结，不管结，不管VDS的极性如何，其中总有一个的极性如何，其中总有一个PN结结是反偏的，所以源漏之间的电阻主要为是反偏的，所以源漏之间的电阻主要为PN结的反偏电阻，基本上无结的反偏电阻，基本上无电流流过，即漏电流电流流过，即漏电流ID为为0，此时漏源之间的电阻很大，没有形成导，此时漏源之间的电阻很大，没有形成导电沟道。

电沟道。

n当栅源之间加上正向电压，则栅极和当栅源之间加上正向电压，则栅极和p型硅片之间构成了以二氧化硅型硅片之间构成了以二氧化硅为介质的平板电容器，在正的栅源电压作用下，介质中便产生了一个为介质的平板电容器，在正的栅源电压作用下，介质中便产生了一个垂直于半导体表面的由栅极指向垂直于半导体表面的由栅极指向p型衬底的电场（由于绝缘层很薄，型衬底的电场（由于绝缘层很薄，即使只有几伏的栅源电压即使只有几伏的栅源电压VGS，也可产生高达，也可产生高达105106V/cm数量数量级的强电场），这个电场排斥空穴而吸引电子，因此，使栅极附近的级的强电场），这个电场排斥空穴而吸引电子，因此，使栅极附近的p型衬底中的空穴被排斥，留下不能移动的受主离子（负离子），形型衬底中的空穴被排斥，留下不能移动的受主离子（负离子），形成耗尽层，同时成耗尽层，同时p型衬底中的少子（电子）被吸引到衬底表面。

型衬底中的少子（电子）被吸引到衬底表面。

有源器件有源器件MOS管管oMOS管的管的工作原理工作原理及表示符号（及表示符号（3）：

）：

n当正的栅源电压达到一定数值时，这些电子在栅极附近的当正的栅源电压达到一定数值时，这些电子在栅极附近的p型硅表型硅表面便形成了一个面便形成了一个n型薄层，通常把这个在型薄层，通常把这个在p型硅表面形成的型硅表面形成的n型薄层型薄层称为反型层，这个反型层实际上就构成了源极和漏极间的称为反型层，这个反型层实际上就构成了源极和漏极间的n型导电型导电沟道。

由于它是栅源正电压感应产生的，所以也称感生沟道。

显然，沟道。

由于它是栅源正电压感应产生的，所以也称感生沟道。

显然，栅源电压栅源电压VGS正得愈多，则作用于半导体表面的电场就愈强，吸引正得愈多，则作用于半导体表面的电场就愈强，吸引到到p型硅表面的电子就愈多，感生沟道（反型层）将愈厚，沟道电型硅表面的电子就愈多，感生沟道（反型层）将愈厚，沟道电阻将愈小。

阻将愈小。

n感生沟道形成后，原来被感生沟道形成后，原来被p型衬底隔开的两个型衬底隔开的两个n型区（源区和漏区）型区（源区和漏区）就通过感生沟道连在一起了。

因此，在正的漏极电压作用下，将产就通过感生沟道连在一起了。

因此，在正的漏极电压作用下，将产生漏极电流生漏极电流ID。

一般把在漏源电压作用下开始导电时的栅源电压叫。

一般把在漏源电压作用下开始导电时的栅源电压叫做开启电压做开启电压Vth。

n注意：

注意：

与双极型晶体管相比，一个与双极型晶体管相比，一个MOS器件即使在无电流流过时也器件即使在无电流流过时也可能是开通的可能是开通的。

有源器件有源器件MOS管管oMOS管的管的工作原理工作原理及表示符号（及表示符号（4）：

）：

n当当VGSVth时，外加较小的时，外加较小的VDS，ID将随将随VDS上升迅速增大，此时上升迅速增大，此时为线性区，但由于沟道存在电位梯度，因此沟道厚度是不均匀的。

为线性区，但由于沟道存在电位梯度，因此沟道厚度是不均匀的。

n当当VDS增大到一定数值（例如增大到一定数值（例如VGD=VGS，VDS=Vth），靠近漏端被），靠近漏端被夹断，夹断，VDS继续增加，将形成一夹断区，且夹断点向源极靠近，沟继续增加，将形成一夹断区，且夹断点向源极靠近，沟道被夹断后，道被夹断后，VDS上升时，其增加的电压基本上加在沟道厚度为零上升时，其增加的电压基本上加在沟道厚度为零的耗尽区上，而沟道两端的电压保持不变，所以的耗尽区上，而沟道两端的电压保持不变，所以ID趋于饱和而不再趋于饱和而不再增加。

另外，当增加。

另外，当VGS增加时，由于沟道电阻的减小，饱和漏极电流增加时，由于沟道电阻的减小，饱和漏极电流会相应增大。

会相应增大。

在模拟电路集成电路中饱和区是在模拟电路集成电路中饱和区是MOS管的主要工作区管的主要工作区。

n若若VDS大于击穿电压大于击穿电压BVDS（二极管的反向击穿电压），漏极与衬底（二极管的反向击穿电压），漏极与衬底之间的之间的PN结发生反向击穿，结发生反向击穿，ID将急剧增加，进入雪崩区，此时漏将急剧增加，进入雪崩区，此时漏极电流不经过沟道，而直接由漏极流入衬底。

极电流不经过沟道，而直接由漏极流入衬底。

有源器件有源器件MOS管管MOS管的工作原理及管的工作原理及表示符号表示符号（5）有源器件有源器件MOS管管MOS管的高频小信号电容管的高频小信号电容oMOS管的电容（管的电容

（1）oMOS管的电容（管的电容

（2）：

）：

n栅与沟道之间的栅与沟道之间的栅氧电容栅氧电容oC2=WLCox，其中，其中Cox为单位面积栅氧电容为单位面积栅氧电容ox/tox；n沟道沟道耗尽层电容耗尽层电容：

on交叠电容交叠电容（多晶栅覆盖源漏区所形成的电容，每单位宽度的（多晶栅覆盖源漏区所形成的电容，每单位宽度的交叠电容记为交叠电容记为Col）：

）：

o包括栅源交叠电容包括栅源交叠电容C1WdCol与栅漏交叠电容与栅漏交叠电容C4=WdCol：

由于是环状的电场线，：

由于是环状的电场线，C1与与C