半導(dǎo)體物理與器件西安電子科技大學(xué)XIDIDIANUNIVERSITY張麗第11章MOSFET基礎(chǔ)11.4頻率限制特性11.5CMOS技術(shù)11.6小結(jié)2024/4/31完整版課件ppt半導(dǎo)體物理與器件西安電子科技大學(xué)XIDIDIAN2024/4/3XIDIANUNIVERSITY1.4頻率特性

本節(jié)內(nèi)容模型的基本概念MOSFET的小信號等效電路頻率限制因素截止頻率的定義、推導(dǎo)和影響因素2024/4/32完整版課件ppt2024/4/2XIDIANUNIVERSITY1.41.4頻率特性模型概述電路設(shè)計中為準(zhǔn)確預(yù)測電路性能，利用電路仿真軟件對電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證。常用的電路仿真軟件如HSPICE、PSPICE、SPECTRE仿真：圍繞器件建立電路的IV關(guān)系，是一數(shù)學(xué)求解的過程。電路中元器件要用模型和模型參數(shù)來替代真正的器件。

模型：反映器件特性，可采用數(shù)學(xué)表達(dá)式、等效電路等形式。常用模型：等效電路模型。模型參數(shù)：描述等效電路中各元件值所用的參數(shù)。等效電路模型建立方法：首先通過器件物理分析確定器件等效電路模型的具體形式，再把元器件看成一個“黑箱”，測量其端點(diǎn)的電學(xué)特性，提取出描述該器件特性的模型參數(shù)。得到一等效電路模型代替相應(yīng)器件。2024/4/33完整版課件ppt1.4頻率特性1.4頻率特性MOSFET物理模型：交流小信號參數(shù)源極串聯(lián)電阻柵源交疊電容漏極串聯(lián)電阻柵漏交疊電容漏-襯底pn結(jié)電容柵源電容柵漏電容跨導(dǎo)寄生參數(shù)本征參數(shù)2024/4/34完整版課件ppt1.4頻率特性MOSFET物理模型：交流小信號參數(shù)1.4頻率特性完整的小信號等效電路共源n溝MOSFET小信號等效電路（VBS=0）總的柵源電容總的柵漏電容2024/4/35完整版課件ppt1.4頻率特性完整的小信1.4頻率特性完整的小信號等效電路：VBS影響共源n溝MOSFET小信號等效電路（VBS<0）2024/4/36完整版課件ppt1.4頻率特性完整的小信號等效電路：VBS影響共1.4頻率特性模型參數(shù)模型參數(shù)：描述等效電路中各元件值所用的參數(shù)。與IDS相關(guān)的模型參數(shù)：W，L，KP(ucox)，LAMBDA與VT相關(guān)的模型參數(shù)：VT0，GAMMA，PHI與柵相關(guān)的三個電容參數(shù)：CGD，CGS，CGB2024/4/37完整版課件ppt1.4頻率特性1.4頻率特性模型和模型參數(shù)特點(diǎn)：部分模型參數(shù)的定義和0.5um工藝模型參數(shù)的典型值2024/4/38完整版課件ppt1.4頻率特性1.4頻率特性模型和模型參數(shù)特點(diǎn)：隨著溝長的縮短，短溝窄溝效應(yīng)凸現(xiàn)，IV公式和閾值電壓公式都需修正，模型的發(fā)展級別特別多，模型也越來越復(fù)雜。?LEVEL1

–最簡單，適合長溝道器件，均勻摻雜的預(yù)分析?LEVEL2

–含詳細(xì)的器件物理二級模型，但公式復(fù)雜，模擬效率低，小尺寸

管符合不好。?LEVEL3

–經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，公式簡單。模擬效率高，精度同LEVEL2。小尺寸管精

度不高。?BSIM1（BerklyShort-channelIGETModelLEVEL13，28）

–經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，記入電參?shù)對幾何尺寸的依賴性。長溝道管（1um以

上的器件）精度高。2024/4/39完整版課件ppt1.4頻率特性1.4頻率特性模型和模型參數(shù)特點(diǎn)：?BSIM2（LEVEL39）

–與BSIM1形式基本相同

–改進(jìn)電流公式，L=0.25um以上的器件精度高。

–在幾何尺寸范圍大時，必須分成幾個幾何尺寸范圍，對應(yīng)幾套模

型參數(shù)，每套參數(shù)適用于一個窄范圍。?BSIM3（LEVEL47、49）

–基于物理模型，而不是經(jīng)驗(yàn)公式。

–在保持物理模型的基礎(chǔ)上改進(jìn)精度和計算效率，適用于不同的尺

寸范圍。

–盡可能減少器件模型參數(shù)（BSIM260個，BSIM333個）

–注意不同工作區(qū)域的連續(xù)性，以使電路模擬時收斂性好。

–*基于MOS器件的準(zhǔn)二維分析（記入幾何和工藝參數(shù)）電路設(shè)計用到的器件模型、模型參數(shù)由晶圓制造廠提供，是工藝廠家根據(jù)制備的器件提取。生產(chǎn)工藝線不同、晶圓制造廠不同，器件模型則不同2024/4/310完整版課件ppt1.4頻率特性1.4頻率特性簡化的小信號等效電路只計入rds2024/4/311完整版課件ppt1.4頻率特性簡1.4頻率特性高頻等效電路忽略寄生參數(shù)rs,rd,rds,和Cds，高頻小信號等效電路2024/4/312完整版課件ppt1.4頻率特性1.4頻率特性

MOSFET頻率限制因素限制因素2：柵電容充放電需要的時間限制因素1：溝道載流子的溝道輸運(yùn)時間溝道渡越時間通常不是主要頻率限制因素2024/4/313完整版課件ppt1.4頻率特性1.4頻率特性電流-頻率關(guān)系負(fù)載電阻輸入電流輸出電流密勒效應(yīng)：將跨越輸入-輸出端的電容等效到輸入端，C值會擴(kuò)大（1＋K）倍，K為常數(shù)2024/4/314完整版課件ppt1.4頻率特性1.4頻率特性含有密勒電容等效電路米勒電容：使輸入阻抗減小2024/4/315完整版課件ppt1.4頻率特性1.4頻率特性截止頻率推導(dǎo)2024/4/316完整版課件ppt1.4頻率特性1.4頻率特性提高頻率特性途徑提高遷移率（100方向，工藝優(yōu)質(zhì)）縮短L減小寄生電容（硅柵基本取代了鋁柵）2024/4/317完整版課件ppt1.4頻率特性2024/4/3XIDIANUNIVERSITY1.4頻率特性

需掌握內(nèi)容模型的基本概念MOSFET的高低頻等效電路思考：飽和區(qū)VGS變化，溝道電荷的來源？頻率特性的影響因素米勒電容和含CM的等效電路截止頻率的定義、推導(dǎo)和影響因素提高截止頻率的途徑2024/4/318完整版課件ppt2024/4/2XIDIANUNIVERSITY1.42024/4/3XIDIANUNIVERSITY1.5

開關(guān)特性

本節(jié)內(nèi)容CMOS概念CMOS如何實(shí)現(xiàn)低功耗，全電平擺幅CMOS的開關(guān)過程及影響因素MOSFET的版圖CMOS閂鎖效應(yīng)MOSFET的噪聲特性2024/4/319完整版課件ppt2024/4/2XIDIANUNIVERSITY1.51.5開關(guān)特性開關(guān)原理MOS開關(guān)相當(dāng)于一個反相器。CMOS反相器2024/4/320完整版課件ppt1.5開關(guān)特性1.5開關(guān)特性

什么是CMOS？CMOS（Complentary互補(bǔ)CMOS）n溝MOSFET與p溝MOSFET互補(bǔ)實(shí)現(xiàn)低功耗、全電平擺幅數(shù)字邏輯電路的首選工藝2024/4/321完整版課件ppt1.5開關(guān)特性1.5開關(guān)特性CMOS反相器NMOS傳輸高電平會有VTN的損失。原因？PMOS傳輸?shù)碗娖綍蠽TP的損失。原因？CMOS如何實(shí)現(xiàn)低功耗，全電平擺幅？CLT:輸出端對地總電容，包括下一級負(fù)載電容、引線電容、NMOS和PMOS的漏襯PN結(jié)電容。全電平擺幅：VOH-VOL=VDD-0=VDD靜態(tài)功耗：充放電完成后電路的功耗，近似為零:靜態(tài)時一管導(dǎo)通，另一管截止，不存在直流通路。動態(tài)功耗：輸入高低電平轉(zhuǎn)換過程中的功耗。2024/4/322完整版課件ppt1.5開關(guān)特性1.5開關(guān)特性

開關(guān)時間開關(guān)時間：輸出相對于輸入的時間延遲，包括導(dǎo)通時間ton和關(guān)斷時間toff。來源：載流子溝道輸運(yùn)時間，（本征延遲）輸出端對地電容的充放電時間。（負(fù)載延遲）提高開關(guān)速度途徑（降低開關(guān)時間）：減小溝長L（L<5um,開關(guān)速度由負(fù)載延遲決定）減小對地總電容：引線電容、NOMSPMOS的DB間PN結(jié)電容等寄生電容。增加跨導(dǎo)，提高充放電電流。（跨導(dǎo)和I都正比于增益因子）2024/4/323完整版課件ppt1.5開關(guān)特性1.5開關(guān)特性

CMOS實(shí)現(xiàn)n溝MOSFETp溝MOSFET場氧：用作管間隔離，因存在場區(qū)寄生晶體管柵氧（用作MOS電容的介質(zhì)）通常接電路最低電位通常接電路最高電位2024/4/324完整版課件ppt1.5開關(guān)特性1.5開關(guān)特性

CMOS的工藝類型P阱n阱雙阱2024/4/325完整版課件ppt1.5開關(guān)特性CM1.5開關(guān)特性版圖ASIC設(shè)計流程：系統(tǒng)設(shè)計→邏輯設(shè)計→電路設(shè)計→版圖設(shè)計→制造版圖：相互套合的圖形，用來制備掩膜版，掩膜版用于芯片光刻、擴(kuò)散等工藝；不同物理層對應(yīng)不同掩模版同類型的SD區(qū)、柵區(qū)、金屬區(qū)、接觸孔對應(yīng)四層掩模板。一個MOS器件版圖至少是四層掩模板圖形的套合淀積金屬前，芯片表面有絕緣物。若使M和S在源漏區(qū)形成歐姆接觸，需利用接觸孔掩模板在源漏區(qū)上方刻蝕掉絕緣物，以使M和S直接接觸。2024/4/326完整版課件ppt1.5開關(guān)特性1.5開關(guān)特性

MOSFET版圖版圖由電路所要求電特性和工藝要求的設(shè)計規(guī)則共同決定。電特性：ID、gm等參數(shù)決定了W/L（設(shè)計參數(shù)）。工藝要求的設(shè)計規(guī)則：圖形和圖形之間的尺寸要求。防止因掩模圖形的斷裂和碰接而造成電路的開路和短路。2024/4/327完整版課件ppt1.5開關(guān)特性1.5開關(guān)特性反相器版圖2024/4/328完整版課件ppt1.5開關(guān)特性1.5開關(guān)特性CMOS與非門

與非門:全1得0見0得12024/4/329完整版課件ppt1.5開關(guān)特性1.5開關(guān)特性CMOS或非

或非門:全0得1見1得02024/4/330完整版課件ppt1.5開關(guān)特性1.5開關(guān)特性

CMOS閂鎖效應(yīng)p+源區(qū)n阱p型襯底n+源區(qū)Ig：大的電源脈沖干擾或受輻照產(chǎn)生。閂鎖效應(yīng)（Latchup）：寄生的可控硅結(jié)構(gòu)在外界因素觸發(fā)導(dǎo)通，在電源和地之間形成大電流的通路現(xiàn)象。2024/4/331完整版課件ppt1.5開關(guān)特性1.5開關(guān)特性

CMOS閂鎖效應(yīng)SOI（Silicon-On-Insulator，絕緣襯底上的硅）：是在頂層硅和背襯底之間引入了一層埋氧化層。通過在絕緣體上形成半導(dǎo)體薄膜，制作器件。優(yōu)點(diǎn)：可以實(shí)現(xiàn)集成電路中元器件的介質(zhì)隔離，徹底消除了體硅CMOS電路中的寄生閂鎖效應(yīng)。2024/4/332完整版課件ppt1.5開關(guān)特性2024/4/3XIDIANUNIVERSITY1.5

開關(guān)特性

需掌握內(nèi)容CMOS如何實(shí)現(xiàn)低功耗，全電平擺幅CMOS的開關(guān)過程及影響因素思考：單管MOSFET作傳輸門時輸出VT的損失？CMOS閂鎖效應(yīng)過程2024/4/333完整版課件ppt2024/4/2XIDIANUNIVERSITY1.51.6補(bǔ)充

溫度特性MOSFET可通過選擇合適的（VGS－VT），ID溫度系數(shù)可為0。u和溫度關(guān)系：柵壓使半導(dǎo)體表面強(qiáng)反型時，u隨溫度上升呈下降趨勢。在－55°～＋150°溫度范圍內(nèi)，u∝T-1；負(fù)溫度系數(shù)VT與溫度關(guān)系：VT表達(dá)式對T求偏導(dǎo)，主要來源于費(fèi)米勢隨溫度的變化。N溝：負(fù)的；P溝：正的。

ID與溫度關(guān)系：與（VGS－VT）相關(guān)（VGS－VT）較大時，ID隨溫度變化由遷移率溫度系數(shù)決定，為負(fù)。（VGS－VT）較小時，ID隨溫度變化由－（VT溫度系數(shù)）決定，為正。2024/4/334完整版課件ppt1.6補(bǔ)充1.6補(bǔ)充噪聲特性

MOSFET的噪聲主要來源：溝道熱噪聲和閃爍噪聲。溝道熱噪聲：溝道載流子的無規(guī)則熱運(yùn)動造成，通過溝道電阻生成熱噪聲電壓，使溝道電勢分布發(fā)生起伏，致使有效柵壓發(fā)生波動，從而導(dǎo)致漏電流出現(xiàn)漲落。閃爍噪聲：載流子在溝道內(nèi)漂移時，會對Si和SiO2界面處界面陷阱充放電，從而使漏電流受影響。噪聲電壓與頻率成反比，也叫1/f噪聲。噪聲特性對于小信號放大器等模擬電路設(shè)計是至關(guān)重要的。MOS管的所有噪聲都會以等效噪聲電壓反映到輸入端，通過器件跨導(dǎo)以漏電流噪聲形式進(jìn)入電路。2024/4/335完整版課件ppt1.6補(bǔ)充2024/4/3XIDIANUNIVERSITY1.6

補(bǔ)充器件設(shè)計設(shè)計內(nèi)容根據(jù)使用要求確定主要參數(shù)的設(shè)計指標(biāo)根據(jù)設(shè)計指標(biāo)，選擇圖形結(jié)構(gòu)，確定圖形尺寸；根據(jù)設(shè)計要求，選擇材料，確定縱向尺寸；在對主要參數(shù)進(jìn)行初步驗(yàn)算的基礎(chǔ)上利用器件設(shè)計軟件進(jìn)行仿真，確定器件參數(shù)的具體值。進(jìn)行流片驗(yàn)證，根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)一步修改驗(yàn)證。2024/4/336完整版課件ppt2024/4/2XIDIANUNIVERSITY1.62024/4/3XIDIANUNIVERSITY1.6

補(bǔ)充器件設(shè)計MOSFET的主要參數(shù)與器件設(shè)計的主要依據(jù)：先匯總主要參數(shù)，分析影響各參數(shù)的主要因素，從而找出器件設(shè)計依據(jù)。直流參數(shù)：VT,ID,BVDS,BVGS;（Cox，Na，VFB，Qss·，W/L，u，L,tox）交流參數(shù)：gms,gd,fT,ROn,各電容。與圖形尺寸有關(guān)的參數(shù)（fTIDgmROn），與材料有關(guān)的參數(shù)（VT）。不同器件對參數(shù)的要求不同（功率器件：耐壓、電流；高頻器件：fT）應(yīng)先滿足主要參數(shù)的要求，然后再根據(jù)其他參數(shù)進(jìn)行調(diào)整2024/4/337完整版課件ppt2024/4/2XIDIANUNIVERSITY1.62024/4/3XIDIANUNIVERSITY1.6補(bǔ)充器件設(shè)計圖形尺寸設(shè)計：（W、L）溝道長度L:上限值可由ft公式求，下限值取決于特征工藝尺寸溝道寬度：溝長確定后，溝寬主要由跨導(dǎo)和電流容量確定。其他圖形尺寸：源漏接觸孔尺寸和漏電流容量、設(shè)計規(guī)則（最大電流密度）密切相關(guān)。圖形結(jié)構(gòu)設(shè)計：主要為長條形，若寬長比較大，則采用梳狀結(jié)構(gòu)，對功率器件還有網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。2024/4/338完整版課件ppt2024/4/2XIDIANUNIVERSITY1.62024/4/3XIDIANUNIVERSITY1.6

補(bǔ)充器件設(shè)計縱向尺寸設(shè)計：（tox，Xj）（1）柵氧化層厚度（tox）影響器件柵對半導(dǎo)體表面狀態(tài)的控制靈敏度。特性參數(shù)大都與tox相關(guān)。滿足質(zhì)量要求的前提下，越薄越好。（2）源漏結(jié)深（Xj）：深度、濃度影響源漏串聯(lián)電阻的大小。長溝器件：Xj大好，RSRD??；短溝器件，要求L>>Xj:很好的保持長溝特性。要求濃度高，形成良好的歐姆接觸，減小RSRD。2024/4/339完整版課件ppt2024/4/2XIDIANUNIVERSITY1.62024/4/3XIDIANUNIVERSITY1.6

補(bǔ)充器件設(shè)計材料的選擇：（1）襯底材料：摻雜濃度：gm、VT、耐壓與NB相關(guān)，VT與NB關(guān)系最密切。若選用離子注入調(diào)整VT技術(shù)，NB的濃度可適當(dāng)減小，可減小寄生電容，增加耐壓。襯底晶向：盡量采用（100）晶向表面態(tài)密度小，載流子遷移率較高。（2）柵材料：硅柵優(yōu)于鋁柵（面積、寄生電容），但隨著絕緣層高K介質(zhì)的使用，需要選擇某些稀有金屬（Ni，Co，Ti等）作柵。柵絕緣層材料：最成熟的SiO2，45nm工藝后采用的高K介質(zhì)HfO2.2024/4/340完整版課件ppt2024/4/2XIDIANUNIVERSITY1.611.7小結(jié)MOSFET的幾個簡單公式：薩氏方程：MOSFT電流電壓特性的經(jīng)典描述。2024/4/341完整版課件ppt11.7小結(jié)MOSFET的幾個簡單公式：薩氏方程：MOSF11.7

小結(jié)1MOSFET是一種表面性器件，工作電流延表面橫向流動，所以器件特性強(qiáng)烈依賴于溝道表面尺寸W、L。L越小，截止頻率和跨導(dǎo)越大，集成度越高。FET僅多子參與導(dǎo)電，無少子存貯、擴(kuò)散、復(fù)合效應(yīng)（雙極里講過），開關(guān)速度高，適于高頻高速工作MOSFET的柵源間有絕緣介質(zhì)，所以為電容性高輸入阻抗，可用來存儲信息。（存儲電路，mosfet）Sb,db處于反偏（至少0偏），同一襯底上的多MOSFET可實(shí)現(xiàn)自隔離效果。硅柵基本取代了鋁柵，可實(shí)現(xiàn)自對準(zhǔn)，減小器件尺寸，提高集成度。2024/4/342完整版課件ppt11.7小結(jié)

11.7

小結(jié)2MOSFET可以分為n溝道、p溝道，增強(qiáng)型、耗盡型。對于不同類型的MOSFET，柵源電壓、漏源電壓、閾值電壓的極性不同。特性曲線和特性函數(shù)是描述MOSFET電流-電壓特性的主要方式?？鐚?dǎo)和截止頻率是表征MOSFET性質(zhì)的兩個最重要的參數(shù)。根據(jù)MOSFET的轉(zhuǎn)移特性（ID-VGS），可分為導(dǎo)通區(qū)和截止區(qū)；根據(jù)MOSFET的輸出特性（ID-VDS），可分為線性區(qū)、非飽和區(qū)和飽和區(qū)。影響MOSFET頻率特性的因素有柵電容充放電時間和載流子溝道渡越時間，通常前者是決定MOSFET截止頻率的主要限制因素。CMOS技術(shù)使n溝MOSFET和p溝MOSFET的優(yōu)勢互補(bǔ)，但可能存在閂鎖等不良效應(yīng)。2024/4/343完整版課件ppt11.7小結(jié)

11.7

小結(jié)