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CMOS集成電路設計基礎.ppt

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CMOS集成電路設計基礎.ppt

CMOS集成電路設計基礎-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。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,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的關系不大;而在短溝道器件中,UTH與L、W的關系較大。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場效應管的性能與寬長比(W/L)有很強的依賴關系;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(襯底調(diào)制效應)、溝道調(diào)制效應(λ與UA)和亞閾區(qū)均屬于二階效應,在MOS管參數(shù)中應有所反映。,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)。總電容為Cox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。同時考慮溝道調(diào)制效應和襯底調(diào)制效應(體效應)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,電容效應將會顯露出來??紤]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。,

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