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CMOS集成電路設(shè)計基礎(chǔ)－MOS器件,MOS器件,NMOS管的簡化結(jié)構(gòu),制作在P型襯底上(P-Substrate,也稱bulk或body,為了區(qū)別于源極S，襯底以B來表示)，兩個重摻雜N區(qū)形成源區(qū)和漏區(qū)，重摻雜多晶硅區(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——導電溝道(Channel)上。由于源漏結(jié)的橫向擴散，柵源和柵漏有一重疊長度為LD，所以導電溝道有效長度(Leff)將小于版圖中所畫的導電溝道總長度。我們將用L表示導電溝道有效總長度Leff，W表示溝道寬度。寬長比(W/L)和氧化層厚度tox這兩個參數(shù)對MOS管的性能非常重要。而MOS技術(shù)發(fā)展中的主要推動力就是在保證電性能參數(shù)不下降的前提下，一代一代地縮小溝道長度L和氧化層厚度tox。,為了使MOS管的電流只在導電溝道中沿表面流動而不產(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(例如“地”)，而PMOS管的襯底B必須要接到系統(tǒng)的最高電位點(例如正電源UDD)。襯底的連接如圖(a)、(b)所示。,襯底的連接,N阱及PMOS,在互補型CMOS管中，在同一襯底上制作NMOS管和PMOS管，因此必須為PMOS管做一個稱之為“阱(Well)”的“局部襯底”。,MOS管常用符號,MOS管的電流電壓特性,NMOS管和PMOS管工作在恒流區(qū)的轉(zhuǎn)移特性，其中UTHN(UTHP)為開啟電壓，或稱閾值電壓(ThresholdVoltage)。在半導體物理學中，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的柵極電壓。,UTHN與材料、摻雜濃度、柵氧化層電容等諸多因素有關(guān)。在器件制造過程中，還可以通過向溝道區(qū)注入雜質(zhì)，從而改變氧化層表面附近的襯底摻雜濃度來控制閾值電壓的大小。工作在恒流區(qū)的MOS管漏極電流與柵壓成平方律關(guān)系。,NMOS的輸出特性,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)了柵壓對漏極電流有明顯的控制作用。漏極電壓UDS對漏極電流ID的控制作用基本上分兩段，即線性區(qū)(Linear)和飽和區(qū)(Saturation)。為了不和雙極型晶體管的飽和區(qū)混淆，我們將MOS管的飽和區(qū)稱為恒流區(qū)，以表述UDS增大而電流ID基本恒定的特性。線性區(qū)和恒流區(qū)是以預夾斷點的連線為分界線的(圖虛線所示)。在柵壓UGS一定的情況下，隨著UDS從小變大，溝道將發(fā)生如圖所示的變化。若UDS=UGS-UTH則溝道在漏區(qū)邊界上被夾斷，因此該點電壓稱為預夾斷電壓。,ＵDS對溝道的影響,UDSUGS-UTH管子工作在恒流區(qū)，此時若UDS增大，大部分電壓降在夾斷區(qū)，對溝道電場影響不大，因此電流增大很小。,UDS=UGS-UTH則溝道在漏區(qū)邊界上被夾斷，因此該點電壓稱為預夾斷電壓。,MOS管的電流方程,UGSUGS-UTHN(恒流區(qū)),NMOS在截止區(qū)、線性區(qū)、恒流區(qū)的電流方程,|UGS||UGS|-|UTHP|(恒流區(qū)),PMOS在截止區(qū)、線性區(qū)、恒流區(qū)的電流方程,μn——電子遷移率(單位電場作用下電子的遷移速度)。μn≈1300cm2/sVμp——空穴遷移率(單位電場作用下空穴的遷移速度)。μp≈500cm2/sV,Cox——單位面積柵電容,W/L——溝道寬度和溝道長度之比。,UTHN、UTHP——開啟電壓(閾值電壓)。若UDD=5V，則增強型NMOS管：UTHN≈(0.14～0.18)UDD≈0.7～0.9V增強型PMOS管：UTHP≈-0.16|UDD|≈-0.8V耗盡型MOS管：UTH≈-0.8UDD≈-4VUTH的溫度系數(shù)大約為：,重摻雜輕摻雜,λn、λp——溝道調(diào)制系數(shù)，即UDS對溝道長度的影響。,式中，UA為厄爾利電壓(EarlyVoltage),NMOS,PMOS,對于典型的0.5μm工藝的MOS管，忽略溝道調(diào)制效應(yīng)，其主要參數(shù)如下表所示,假定有一NMOS管，W=3μm,L=2μm,在恒流區(qū)則有:,若UGS=5V,則,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UDS很小(UDS<3～4μm的MOS管稱為“長溝道”，將L<3μm的MOS管稱為“短溝道”，而將L(W)<1μm的MOS管的制作工藝稱為亞微米工藝。,L、W尺寸對UTH的影響在長溝道器件中，閾值電壓UTH與溝道長度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。UTH隨著L的增大而增大，隨著W的增大而減小。,MOS管的特征頻率fTMOS管的特征頻率為,其中,τ為電子在溝道中的渡越時間，有,L為溝道長度，μn為電子遷移率，E為溝道電場強度(E=UDS/L)。,以上分析表明：MOS場效應(yīng)管的性能與寬長比(W/L)有很強的依賴關(guān)系;溝道長度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μ有利于增大fT及gm，NMOS的μn比PMOS的μp大2～4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)(λ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。,MOS電容,用作單片電容器的MOS器件特性專門使用MOS電容的器件相當于二端器件。其中(a)為MOS電容結(jié)構(gòu)，多晶硅和N+擴散區(qū)構(gòu)成電容器CAB的兩極，二氧化硅(SiO2)為絕緣層。圖(b)中，Cp為N+區(qū)與襯底之間的寄生電容。,單位面積電容Cox為,總的MOS電容為CAB=CoxWL=CoxAG其中，AG=WL為MOS電容的面積，tox為氧化層厚度。,MOS管的極間電容和寄生電容MOS管的極間電容存在于4個端子中的任意兩端之間，這些電容的存在影響了器件和電路的高頻交流特性。這些電容包括以下幾部分：(1)柵極和溝道之間的氧化層電容C1=CoxAG=CoxWL。(2)襯底和溝道之間的耗盡層電容C2。(3)多晶硅柵與源、漏之間交疊而形成的電容C3,C4。(4)源、漏與襯底之間的結(jié)電容C5,C6。,MOS管的柵電容及寄生電容(a)結(jié)構(gòu)圖；(b)等效電路,對于柵電容C1，隨著UGS從負向正變化，其電容的變化規(guī)律如圖所示。當UGS為負時，將襯底中的空穴吸引到氧化層界面，我們稱此處為“積累區(qū)”。隨著UGS負壓變小，界面空穴密度下降，在氧化層下開始形成耗盡層，器件進入弱反型狀態(tài)?？傠娙轂镃ox與Cdep的串聯(lián)電容，總電容減小。隨著UGS為正且進一步加大超過UTH時，器件進入強反型層狀態(tài)，導電溝道出現(xiàn)，Cox基本不變。,MOS管小信號等效電路,低頻小信號模型根據(jù)以上分析，一個襯底若不和源極短路，則存在體效應(yīng)。同時考慮溝道調(diào)制效應(yīng)和襯底調(diào)制效應(yīng)(體效應(yīng))的低頻小信號模型如圖所示。,柵跨導,背柵跨導,式中：γ——體效應(yīng)系數(shù)；UBS——源—襯電位差；2|φF|——費米能級。,輸出電阻,式中：λ——溝道調(diào)制系數(shù)；UA——厄爾利電壓；ID——MOS管工作點電流。,MOS管的高頻小信號等效電路,當頻率升高時，電容容抗減小，電容效應(yīng)將會顯露出來。考慮極間電容和寄生電容影響的MOS管高頻小信號等效電路如圖所示。,