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1、模拟CMOS集成电路设计：时 间：2009年12月10日,Email:Tel:62283724,第2章 MOS器件物理基础,2.1 基本概念2.2 I/V特性2.3 二级效应2.4 MOS器件模型,MOS器件物理基础,3,工作区,饱和区,三级管区,二级效应,体效应,沟道长度调制,亚阈值导电性,引入了简化假设,更接近实际情况,NMOS管的电流公式,截止区，VgsVTH,线性区,Vgs VTHVDS Vgs-VTH,饱和区,Vgs VTHVDS Vgs-VTH,MOS管的开启电压VTH及体效应,前提：假设晶体管的衬底和源是接地的。假如NFET的衬底电压减小到低于源电压时Vb0，会影响器件的工作性能
2、。,MOS管的开启电压VTH及体效应,若Vs=Vd=0,且栅压Vg略小于Vt使得栅下形成耗尽层，但没有反型层。由于Vb0,会使耗尽层变得更宽,MOS管的开启电压VTH及体效应,MS：多晶硅栅与硅衬底功函数之差,Qdep耗尽区的电荷,是衬源电压VBS的函数,Cox：单位面积栅氧化层电容,体效应：阈值电压是耗尽层电荷总数的函数，随着Vb下降，Qd增加，阈值电压也增加,MOS管的开启电压VT及体效应,体效应系数，VBS0时，0,一般在0.3V0.5-0.4V0.5,例2.3 P21,Vgs=1.2VVds=2VVTH0=0.6V=0.4V0.52F=0.7VVX（衬底电势）从负无穷小到0变化，画出漏
3、电流曲线,分析：(1)截止：VTHVgs(2)VTHVgs,MOS管的开启电压VTH及体效应,为了保证I恒定，Vin-Vout会增大（意味着输出范围的减小）,源和衬底之间的电压会增大，导致阈值电压上升一般希望通过调整掺杂浓度和栅电容避免体效应。,漏电流恒等于I1VGS=Vin-Vout恒定,假设衬底接地，体效应显著，源与衬底之间的电压增大时，阈值电压增大，仍会产生体效应,考虑体效应衬底跨导 gmb,MOS管体效应的Pspice仿真结果,Vb=0.5v,Vb=0v,Vb=-0.5v,Id,Vg,体效应的应用：利用衬底作为MOS管的第3个输入端利用VTH减小用于低压电源电路设计,沟道夹断（VGSV
4、DS VTH）,当V(x)接近VGS-VTH，Qd(x)接近于0，即反型层将在XL处终止，沟道被夹断。,当,沟道长度调制,当栅和漏之间的电压差过大时，实际的反型沟道长度逐渐减小。减小幅度和Vds相关，实际沟道长度是Vds的函数,MOSFET的沟道调制效应,L,L,沟道调制函数，表示Vds增加引起的沟道长度的相对变化量，沟道越长，其值越小,饱和区,MOS管沟道调制效应的Pspice仿真结果,VGS-VT=0.15V,W=100,ID/VDS/L1/L2,=2,=6,=4,沟道调制影响到D和S之间电流源的性能。若栅-源过驱动电压给定，L越长，电流源越理想,MOS管跨导gm不同表示法比较,上式中:,
5、亚阈值导电特性,(1,是一个非理想因子),前面一直假设当Vgs小于阈值电压时，器件会突然关断。但实际上此时仍存在一个弱反型层，因而会有漏电流的存在。该电流与Vgs相关（指数关系），此效应称为“亚阈值导电”影响：会导致较大的功能损耗，比如内存,亚阈值导电特性,(1,是一个非理想因子),Vgs低于阈值电压时，漏电流不会突然消失，而是逐渐减小，该范围大致为80mV,MOS管亚阈值导电特性的Pspice仿真结果,VgS,logID,仿真条件：,VT0.6,W/L100/2,MOS管亚阈值电流ID一般为几十几百nA,常用于低功耗放大器、带隙基准设计。,gm=ID/(VT),电压限制,击穿效应：如果MOS
6、FETs端电压超过某一特定值，会发生各种击穿效应，不可恢复。穿通效应：在短沟道器件中，源漏电压过大会使耗尽层变宽，耗尽层会延伸到源区周围，产生大的漏电流,第2章 MOS器件物理基础,2.1 基本概念2.2 I/V特性2.3 二级效应2.4 MOS器件模型,MOS器件版图,MOS 低频小信号模型,大信号模型：用于信号会显著影响偏置工作点的时候，尤其是非线性效应的情况。小信号模型：工作点附近的大信号模型的近似，当信号对偏置的影响小的时候。小信号模型的建立：可以在偏置点上产生一个小的增量，并计算其所引起的其他偏置参数的增量来建立。,MOS 低频小信号模型,大部分模拟电路均工作在饱和区,所以考虑建立饱
7、和区的小信号模型基本的小信号模型：由于漏电流是栅源电压的函数，所以可以用压控电流源来近似，其大小为gmVGS,MOS 低频小信号模型,沟道长度调制效应模型：由于沟道调制，漏电流会随着漏-源变化而变化，也可以用压控电流源来表示。该压控电流值与其两端电压成正比，所以可以等效为一个线性阻抗。,连接源漏之间的电阻的大小：,例：求下列电路的低频小信号输出电阻(0),所以,MOS 低频小信号模型,体效应模型：由于体效应存在，它影响阈值电压，因此也会影响栅-源的过驱动电压。在所有其他端保持恒定电压的情况下，漏电流是衬底电压的函数。所以衬底相当于另一个栅。可用连接于漏源之间的电流源来模拟这一关系，电流大小gm
8、bVBS,例：求下列电路的低频小信号输出电阻(0),例：求下列电路的低频小信号输出电阻(0),小信号电阻总结（0）,对于图（A）：,对于图（B）：,对于图（C）：,MOS器件电容,在考虑CMOS交流特性时，需要考虑器件电容栅和沟道之间的电容衬底和沟道之间的电容多晶硅与源和漏交叠部分产生的电容源漏与衬底之间的电容（分成下极板电容和侧极板电容两部分）,Ch.1#33,MOS电容器的结构,。,减小MOS器件电容的版图结构,对于图a:CDB=CSB=WECj+2(W+E)Cjsw,对于图b:CDB=(W/2)ECj+2(W/2)+E)Cjsw CSB=2(W/2)ECj+2(W/2)+E)Cjsw=W
9、ECj+2(W+2E)Cjsw,Ch.1#35,栅源、栅漏电容随VGS的变化曲线,C3=C4=COVW Cov：每单位宽度的交叠电容,MOS管关断时:CGD=CGS=CovW,CGB=C1/C2,C1=WLCox,MOS管深线性区时:CGD=CGS=C1/2+CovW,CGB=0,C2被沟道屏蔽,MOS管饱和时:CGS=2C1/3+CovW,CGD=CovW,CGB=0,C2被沟道屏蔽,Ch.1#36,栅极电阻,Ch.1#37,完整的MOS小信号模型,NMOS器件的电容-电压特性,积累区,强反型,例：若W/L50/0.5，|ID|500uA，分别求:NMOS、PMOS的跨导及输出阻抗以及本征增
10、益gmr0（tox=9e-9 n=0.1,p=0.2,n=350cm2/V/s,p=100cm2/V/s）,tox=50,Cox6.9fF/m2(1=10-10 m,1fF=10-15 F),tox=90,Cox6.9*50/90=3.83fF/m2,同理可求得PMOS的参数如下：gmP 1.96mA/V，r0P 10K，gmP r0P 19.6,40,MOS管的常见模型,Level1模型：是最早的MOS管模型，也叫Shichman-Hodges模型BSIM模型：Berkeley提出的短沟道绝缘栅场效应管模型Berkeley Short-channel IGFET ModelHspice模型：
11、包含多个MOS管模型，统一编号为Level x参考：hspice_mosmod.pdf,41,SPICE集成电路分析程序与MOSFET模型,HSpice中常用的几种MOSFET模型Level=1Shichman-Hodges Level=2基于几何图形的分析模型 Grove-Frohman Model(SPICE 2G)Level=3半经验短沟道模型(SPICE 2G)Level=49BSIM3V3BSIM,3rd,Version 3Level=50Philips MOS9,42,MOSFET一级模型直流特性涉及的模型参数,VTOVTO衬底零偏置时源阈值电压KP本征跨导参数GAMMA 体效应阈
12、值系数PHI 2F强反型使的表面势垒高度LAMBDA 沟道长度调制系数UO o/n表面迁移率L沟道长度LD沟道长度方向上横向扩散长度W沟道宽度TOX TOX栅氧化层厚度TPG栅材料类型NSUB NSUB衬底(阱)掺杂浓度NSS NSS表面态密度.,VTO,KP,GAMMA,PHI,LAMBDA是器件参数.TOX,TPG,NSUB,NSS是工艺参数.若用户仅给出了工艺参数,SPICE会计算出相应的器件参数.,MOSFET一级模型直流特性涉及的模型参数,IS:衬底结饱和电流(省缺值为0)JS衬底结饱和电流密度N:衬底PN结发射系数AS:源区面积PS:源区周长AD:漏区面积PD:漏区周长JSSW:衬
13、底PN结侧壁单位长度的电流,例如：M1 3 6 7 0 NCH W=100U L=1U,MOS管名称，漏、栅、源和衬底连接的节点，节点后是器件的模型名。U表示10-6,44,本章基本要求,掌握MOSFET电流公式及跨导公式。2.掌握MOSFET小信号等效电路。3.掌握MOSFET的二级效应。4.掌握MOS管的开关特性。,思考题,1.MOSFET的I/V特性公式及跨导的概念，以及如何使用MOSFET设计一个压控电阻。2.MOSFET的二级效应有哪些？它们分别是由什么原因造成的？3.器件模型的描述方法,思考题2（选）,1.MOSFET的小信号模型与等效电阻的计算（例题PPT27与PPT29）2.HSPICE模型中各参数含义（PPT42）,
