1、第三章 MOS集成電路器件基礎(chǔ),3.1 MOS場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)的結(jié)構(gòu)及符號(hào) 3.2 MOS管的電流電壓特性 3.3 MOS電容 3.4 MOS管的Spice模型參數(shù) 3.5 MOS管小信號(hào)等效電路,3.1 MOS場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)的結(jié)構(gòu)及符號(hào),3.1.1 NMOS管的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu) NMOS管的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖,器件制作在P型襯底上 兩個(gè)重?fù)诫sN區(qū)形成源區(qū)和漏區(qū)， 重?fù)诫s多晶硅區(qū)(Poly)作為柵極 一層薄SiO2絕緣層作為柵極與襯底的隔離 NMOS管的有效作用就發(fā)生在柵氧下的襯底表面導(dǎo)電溝道(Channel)上。 寬長(zhǎng)比(W/L)和氧化層厚度tox,襯底的連接 (a) PMOS管； (b

2、) NMOS管,3.1.2 N阱及PMOS 為了使MOS管的電流只在導(dǎo)電溝道中沿表面流動(dòng)而不產(chǎn)生垂直于襯底的額外電流， 源區(qū)、 漏區(qū)以及溝道和襯底間必須形成反偏的PN結(jié)隔離， 因此， NMOS管的襯底B必須接到系統(tǒng)的最低電位點(diǎn)(例如“地”)， 而PMOS管的襯底B必須要接到系統(tǒng)的最高電位點(diǎn)(例如正電源UDD)。 襯底的連接如圖所示。,互補(bǔ)型CMOS管N阱中的PMOS,在互補(bǔ)型CMOS管中， 在同一襯底上制作NMOS管和PMOS管， 因此必須為PMOS管做一個(gè)稱之為“阱(Well)”的“局部襯底” 。,MOS管常用符號(hào),3.1.3 MOS管符號(hào) 增強(qiáng)型MOS管的4種常用符號(hào)如圖所示， 其中NMO

3、S管的襯底B應(yīng)接地， PMOS管的襯底B接UDD。,3.2 MOS管的電流電壓特性,3.2.1 MOS管的轉(zhuǎn)移特性 其中UTHN(UTHP)為開啟電壓， 或稱閾值電壓(Threshold Voltage)。 在半導(dǎo)體物理學(xué)中， NMOS的UTHN定義為界面反型層的電子濃度等于P型襯底的多子濃度時(shí)的柵極電壓。,3.2.2 MOS管的輸出特性 增強(qiáng)型NMOS管的輸出特性如圖 所示。 柵極電壓超過閾值電壓UTHN后， 開始出現(xiàn)電流且柵壓uGS越大， 漏極電流也越大的現(xiàn)象， 體現(xiàn)了柵壓對(duì)漏極電流有明顯的控制作用。 漏極電壓UDS對(duì)漏極電流ID的控制作用基本上分兩段， 即線性區(qū)(Linear)和飽和區(qū)(

4、Saturation)。,線性區(qū)和恒流區(qū)是以預(yù)夾斷點(diǎn)的連線為分界線的(圖中虛線所示)。 在柵壓UGS一定的情況下， 隨著UDS從小變大， 溝道將發(fā)生變化。,若UDS=UGS-UTH , 則溝道在漏區(qū)邊界上被夾斷， 因此該點(diǎn)電壓稱為預(yù)夾斷電壓。 在此點(diǎn)之前，即UDSUGS-UTH ，管子工作在恒流區(qū)， 此時(shí)UDS增大， 大部分電壓降在夾斷區(qū)， 對(duì)溝道電場(chǎng)影響不大， 因此電流增大很小。,非飽和區(qū)I-V特性(線性區(qū)) (0VDSVGS-VTN),3.2.3 MOS管的電流方程,兩邊做定積分, NMOS器件增益系數(shù),與工藝相關(guān)的,與設(shè)計(jì)相關(guān)的, NMOS器件跨導(dǎo)系數(shù),飽和區(qū)I-V特性(0VGS-VTN

5、VDS),如果忽略溝道長(zhǎng)度縮短(L比較大)，則：,線性區(qū),此式常用于人工估算電路性能。,在亞微米以下，考慮溝道長(zhǎng)度縮短,由上兩式：,在Xd0(Leff=L)處：,定義厄雷電壓：,定義溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)：,lVDS1，忽略上式的二次項(xiàng)：,得到：,較為精確的二級(jí)近似模型。,一級(jí)近似，不考慮溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng) IDS不隨VDS變化，輸出電阻無窮大。,二級(jí)近似，考慮溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)， IDS隨VDS變化，溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)l 通常由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到。,溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)所引起的飽和區(qū)有限斜率,截至區(qū)VGS-VTN0，沒有形成溝道，晶體管不導(dǎo)通。 IDS=0,NMOS晶體管I-V特性總結(jié),截至區(qū)：VGS-VT0 線

6、性區(qū)：0VDSVGS-VT 飽和區(qū)：0VGS-VTVDS,NMOS transistor, 0.25um, Ld = 10um, W/L = 1.5, VDD = 2.5V, VT = 0.4V,定義：過驅(qū)動(dòng)電壓VOD=VGSVT,PMOS在截止區(qū)、 線性區(qū)、 恒流區(qū)的電流方程：,|UGS|UTHP| (截止區(qū)),|UDS|UGS|-|UTHP| (線性區(qū)),|UDS|UGS|-|UTHP| (恒流區(qū)),可知， 電流與寬長(zhǎng)比(W/L)成正比。,UTHN、 UTHP開啟電壓(閾值電壓)。 假設(shè)UDD=5 V， 則增強(qiáng)型NMOS管： UTHN(0.140.18)UDD0.7 0.9 V 增強(qiáng)型PM

7、OS管： UTHP-0.16|UDD|-0.8 V 耗盡型MOS管： UTH-0.8UDD-4 V,n、 p溝道調(diào)制系數(shù)， 即UDS對(duì)溝道長(zhǎng)度的影響。 對(duì)NMOS,對(duì)PMOS,溝道調(diào)制系數(shù)=1/UA,對(duì)于典型的0.5 m工藝的MOS管， 忽略溝道調(diào)制效應(yīng)， 其主要參數(shù)如表所示。,表 3 - 1 0.5 m工藝MOS管的典型參數(shù),假定有一NMOS管， W=3 m, L=2 m, 在恒流區(qū)則有:,若UGS=5 V, 則,3.2.4 MOS管的輸出電阻 1. 線性區(qū)的輸出電阻 根據(jù)線性區(qū)的電流方程， 當(dāng)UDS很小(UDS2(UGS-UTH)時(shí)， 可近似有,輸出電阻RON為,2. 恒流區(qū)的輸出電阻 根

8、據(jù)恒流區(qū)的電流方程,若UA=200 V, 工作點(diǎn)電流ID=1 mA， 則,工作點(diǎn)越低， IDQ越小， 輸出電阻越大。,3.2.5 MOS管的跨導(dǎo)gm 恒流區(qū)的電流方程在忽略溝道調(diào)寬影響時(shí)為平方律方程， 即,那么UGS對(duì)ID的控制能力參數(shù)gm為,可見， 在W/L不變的情況下， gm與(UGS-UTH)成線性關(guān)系， 與ID的平方根成正比； 在ID不變的情況下， gm與(UGS-UTH)成反比。 其變化曲線分別如圖所示。,gm隨電壓(UGS-UTH)和漏電流ID的變化關(guān)系曲線,3.2.6 體效應(yīng)與背柵跨導(dǎo)gmb 前面所有結(jié)論是在襯底與源極等電位的前提下得出來的， 但在集成電路中， 在同一硅片襯底上要

9、做許多管子， 為保證它們正常工作， 一般N管的襯底要接到全電路的最低電位點(diǎn), P管的襯底接到最高電位點(diǎn)UDD。,但是，有些管子的源極與襯底之間存在電位差，而且，其PN結(jié)反偏，即UBS0 。,UBS0的MOS 管（V2）,當(dāng)UBS0 時(shí)， 溝道與襯底間的耗盡層加厚， 導(dǎo)致閾值電壓UTH增大， 溝道變窄， 溝道電阻變大， iD減小， 人們將此稱為“體效應(yīng)”、 “背柵效應(yīng)”或“襯底調(diào)制效應(yīng)”。 考慮體效應(yīng)后的閾值電壓UTH為,式中： UTHOUBS=0 時(shí)的閾值電壓； 體效應(yīng)系數(shù)， 的典型值在0.3 V1/20.4 V1/2之間。,UBS0的MOS 管（V2）,引入背柵跨導(dǎo)gmb來表示UBS對(duì)漏極電

10、流的影響， 其定義為,通常用跨導(dǎo)比來表達(dá)背柵跨導(dǎo)gmb與柵跨導(dǎo)gm的關(guān)系：,式中的gm為柵跨導(dǎo)(gm=ID/UGS)。,UBS0的MOS 管（V2）,3.2.7 場(chǎng)效應(yīng)管亞閾區(qū)特性 實(shí)驗(yàn)和理論證明， MOS管在弱反型層向強(qiáng)反型層過渡的區(qū)域已經(jīng)存在電流， 不過該電流很小， 因此通常人們認(rèn)為只有當(dāng)柵壓UGS超過閾值電壓UTH后才出現(xiàn)電流。 UGSUTH， 即弱反型層向強(qiáng)反型層過渡的區(qū)域稱為“亞閾區(qū)”。 在亞閾區(qū)， MOS管的電流電壓關(guān)系不符合“平方律”關(guān)系， 而符合指數(shù)關(guān)系， 這一點(diǎn)與雙極型管的電流電壓特性相似。 同樣， 通過實(shí)驗(yàn)與理論可以證明亞閾區(qū)的電流電壓關(guān)系為,3.2.8 溝道尺寸W, L對(duì)

11、UTH和特征頻率fT的影響 一般情況下， 人們將溝道長(zhǎng)度L34 m的MOS管稱為“長(zhǎng)溝道”， 將L3 m的MOS管稱為“短溝道”， 而將L(W)1 m的MOS管的制作工藝稱為亞微米工藝。,1. L、 W尺寸對(duì)UTH的影響 在長(zhǎng)溝道器件中， 閾值電壓UTH與溝道長(zhǎng)度L和溝道寬度W的關(guān)系不大； 而在短溝道器件中， UTH與L、 W的關(guān)系較大。 如圖所示， UTH隨著L的增大而增大， 隨著W的增大而減小。,2. MOS管的特征頻率fT MOS管的特征頻率為,其中, 為電子在溝道中的渡越時(shí)間， 有,L為溝道長(zhǎng)度， n為電子遷移率， E為溝道電場(chǎng)強(qiáng)度(E=UDS/L)。,以上分析表明： MOS場(chǎng)效應(yīng)管的

12、性能與寬長(zhǎng)比(W/L)有很強(qiáng)的依賴關(guān)系; 溝道長(zhǎng)度L越小， fT及gm越大， 且集成度越高, 因此， 減小器件尺寸有利于提高器件性能。 提高載流子遷移率有利于增大fT及gm， NMOS的n比PMOS的p大24 倍， 所以NMOS管的性能優(yōu)于PMOS管; 體效應(yīng)(襯底調(diào)制效應(yīng))、 溝道調(diào)制效應(yīng)(與UA)和亞閾區(qū)均屬于二階效應(yīng)， 在MOS管參數(shù)中應(yīng)有所反映。,3.3 MOS電容 集成電路器件結(jié)構(gòu)中， 將導(dǎo)電層以絕緣介質(zhì)隔離就形成了電容。 MOS集成電路中的寄生電容主要包括MOS管的寄生電容以及由金屬、 多晶硅和擴(kuò)散區(qū)連線形成的連線電容。 寄生電容及與其相連的等效電阻的共同作用決定了MOS電路系統(tǒng)的

13、動(dòng)態(tài)響應(yīng)（開關(guān)速度）， 一個(gè)接有負(fù)載的MOS邏輯門輸出端的總的負(fù)載電容包括下面幾部分：,(1) 柵極電容： 與該邏輯門輸出端相連各管的輸入電容。 (2) 擴(kuò)散區(qū)電容： 與該邏輯門輸出端相連的漏區(qū)電容。 (3) 布線電容： 該邏輯門輸出端連到其它各門的連線形成的電容。,1. MOS電容特性 MOS電容的特性與柵極上所加的電壓緊密相關(guān)， 這是因?yàn)榘雽?dǎo)體的表面狀態(tài)隨柵極電壓的變化可處于積累層、 耗盡層、 反型層三種狀態(tài)。,1) 積累層 對(duì)P型襯底材料上的N型MOS器件， 當(dāng)UG0時(shí)， 柵極上的負(fù)電荷吸引襯底中的空穴趨向硅的表面， 形成積累層。 這時(shí)， MOS器件的結(jié)構(gòu)就像平行平板電容器， 柵極和高濃

14、度空穴積累層分別是平板電容器的兩個(gè)極板。,由于積累層本身是和襯底相連的， 所以柵電容可近似為,式中:0真空介電常數(shù)； oxSiO2的相對(duì)介電常數(shù)， 其值是3.9； toxSiO2層的厚度; A柵極的面積。,2) 耗盡層 當(dāng)0UGU 時(shí)， 在正的柵電壓G的作用下， 襯底中的空穴受到排斥而離開表面， 形成一個(gè)多數(shù)載流子空穴耗盡的負(fù)電荷區(qū)域， 即耗盡層,耗盡層電容由下式來計(jì)算：,式中:d耗盡層深度， 它隨UG的增加而增加； Si硅的相對(duì)介電常數(shù)， 其值是12。,這樣, 在耗盡狀態(tài)下， 柵極對(duì)襯底的總電容相當(dāng)于柵氧化層電容C0和耗盡層電容dep的串聯(lián)， 即,3) 反型層 進(jìn)一步增大柵極電壓， 使UGU

15、T， 這時(shí)P型襯底中的電子（少數(shù)載流子）被吸引到表面， 形成反型層， 實(shí)際上就是N型導(dǎo)電溝道。,由于在柵極下面形成了一個(gè)導(dǎo)電能力很強(qiáng)的反型層， 在低頻時(shí)， 柵極電容又變?yōu)镃0。但是， 反型層中的載流子（電子）不能跟隨柵電壓的高頻變化， 因此， 高頻時(shí)的柵極電容仍然是最大耗盡狀態(tài)下的柵極電容， 即CGB=C0 （頻率低于100 Hz）,高頻,2. MOS器件的電容 上面僅僅討論了MOS器件中柵極對(duì)襯底的電容， MOS器件中完整的寄生電容如圖所示。,MOS器件電容 (a) 寄生電容示意圖； (b) 寄生電容電路符號(hào)示意圖,CGS、 CGD柵極對(duì)溝道的集總電容， 分別集中在溝道的源區(qū)端和漏區(qū)端； C

16、SB、 CDB分別為源區(qū)和漏區(qū)對(duì)襯底的電容； CGB柵極對(duì)襯底的電容。 圖（b）是用寄生電容的電路符號(hào)繪制的MOS器件電容模型示意圖， 由圖可見, MOS器件柵極電容由三部分組成： CG=CGS+CGD+CGB,CG=CGS+CGD+CGB,MOS管的柵極電容在三個(gè)工作區(qū)的特性是不一樣的， 下面分別說明。 (1) 截止區(qū)（UGSUT）。 由于溝道還未形成， 故CGS=CGD=0， 柵極電容仍然可以表示為C0和Cdep的串聯(lián)模型。,CG=CGS+CGD+CGB,(2) 線性區(qū)（UGS-UTUDS）。 在線性區(qū)耗盡層深度基本不變， 所以CGB為常數(shù)。 但此時(shí)導(dǎo)電溝道已經(jīng)形成， CGS 和CGD就必

17、須加以考慮， 這兩個(gè)電容與柵極電壓的大小有關(guān)， 其值可用下式估算：,CG=CGS+CGD+CGB,(3) 飽和區(qū)（UGS-UTUDS）。 此時(shí)溝道是一強(qiáng)反型層， 靠近漏區(qū)的一端被夾斷， 因此CGD=0， 而CGS增加為,MOS柵極電容近似值 （表中=0ox）,總的柵極電容與UGS的關(guān)系,MOS管總的柵極電容的某些成分和柵極電壓有緊密聯(lián)系， 但總的柵極電容只有在開啟電壓附近隨UGS變化較大， 其它區(qū)域均近似等于柵氧化層電容C0。 對(duì)于數(shù)字電路中的開關(guān)式器件， UGS可以很快通過該區(qū)域， 因此， 通?？梢哉J(rèn)為,3. 擴(kuò)散區(qū)電容 MOS管的源區(qū)和漏區(qū)都是由淺的N+擴(kuò)散區(qū)或P+擴(kuò)散區(qū)構(gòu)成的， 擴(kuò)散區(qū)也

18、用作互連線。 這些擴(kuò)散區(qū)對(duì)襯底（或阱）就有寄生電容存在， 寄生電容的大小與將擴(kuò)散區(qū)和襯底（或阱）隔開的耗盡層的有效面積成正比， 與擴(kuò)散區(qū)和襯底（或阱）之間的電壓有關(guān)。 由于擴(kuò)散區(qū)總是有一定深度的， 擴(kuò)散區(qū)對(duì)襯底（或阱）的結(jié)面積就包括底部面積和周圍的側(cè)壁面積兩部分。,3. 擴(kuò)散區(qū)電容,擴(kuò)散區(qū)的厚度往往可以看成一個(gè)常數(shù)， 這樣側(cè)壁面積就和側(cè)壁周長(zhǎng)成正比。 因此, 總的擴(kuò)散電容可表示為 Cd=Cja(ab)+Cjp(2a+2b) 式中： Cja擴(kuò)散區(qū)底部每平方微米的擴(kuò)散電容； Cjp擴(kuò)散區(qū)側(cè)壁每微米周長(zhǎng)的擴(kuò)散電容； a, b擴(kuò)散區(qū)的長(zhǎng)和寬。,3. 擴(kuò)散區(qū)電容,擴(kuò)散區(qū)的厚度往往可以看成一個(gè)常數(shù)， 這樣

19、側(cè)壁面積就和側(cè)壁周長(zhǎng)成正比。 因此, 總的擴(kuò)散電容可表示為 Cd=Cja(ab)+Cjp(2a+2b) 式中： Cja擴(kuò)散區(qū)底部每平方微米的擴(kuò)散電容； Cjp擴(kuò)散區(qū)側(cè)壁每微米周長(zhǎng)的擴(kuò)散電容； a, b擴(kuò)散區(qū)的長(zhǎng)和寬。,側(cè)墻,溝道,a,xj,溝道注入停止位置 (NA+),源底面 (ND),b,襯底 (NA),pn結(jié)深,典型N阱1 m工藝擴(kuò)散電容值 (單位： pF/m2),由于耗盡層的厚度和結(jié)兩邊的電壓Uj有關(guān)， 所以Cja 和Cjp都是結(jié)電壓Uj的函數(shù)， 即,式中：Cj0Uj = 0時(shí)的結(jié)電容; B結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)（約為0.6 V）; m梯度因子， 它與結(jié)附近的雜質(zhì)分布有關(guān) （約為0.30.5）。,4. 布線電容 金屬、 多晶硅、 擴(kuò)散區(qū)常被用作互連線， 它們相互之間以及它們與襯底之間都會(huì)形成電容。 采用簡(jiǎn)單的平行板電容器模型可粗略估計(jì)這些電容值的大小為,式中:介質(zhì)的絕對(duì)介電常數(shù)； t介質(zhì)的厚度; A互連線的面積。,平行板電容模型忽略了由邊緣電場(chǎng)引起的邊緣效應(yīng)。 互連線對(duì)襯底及互連線之間都有邊緣效應(yīng)， 這樣估算的電容比實(shí)際值要小。 隨著連線的寬度和高度按比例縮小， 邊緣效應(yīng)的影響就更加顯著。 要進(jìn)一步提高估算精度， 就要采用其它更為復(fù)雜的模型。,平行板電容及邊緣效應(yīng),3.4 MOS管的