第3章CMOS器件模型课件.ppt

1、第章器件模型第章器件模型n. MOS管大信号模型 . MOS管的小信号模型 . 计算机仿真模型n.亚阈值电压区MOS模型n CMOS模型参数提取* 主要内容n掌握有源器件掌握有源器件n大信号等效模型nMOS管的寄生电容；n低频小信号等效模型和高频小信号等效模型；n了解了解MOSMOS器件计算机仿真模型器件计算机仿真模型n了解亚阈值电压区了解亚阈值电压区MOSMOS模型模型.MOS管大信号模型MOS管大小信号模型关系n大信号模型（直流偏置）n小信号模型（交变信号）DSDSDBSBSDGSGSDDDSDBSDGSDDVVIVVIVVIIVIVIVII)()()(nmos管的大信号特性输出特性大信号

2、模型的推导思路n假设：缓变沟道近似强反型近似n只考虑漂移电流近似n迁移率为常数近似、电流dvd 、dox（gs（y）th）、vd d（y）dy 、2)(200DSDSthGSDthGSLyVVnoxDVVVVLWKIdVVyVVWCIdyIDS）（最后得到饱和特性大信号管的工作区域n管的电流方程n NMOS管在截止区、 线性区、 恒流区的电流方程)1 (2)(22022DSnTHNGSoxnDSDSTHNGSoxnDNUUULWCUUUULWCIUGSUTHN(截止区) UDSUGS-UTHN(恒流区)硅常数表.um工艺参数跨导特性例题 大信号模型的应用. MOS管小信号模型n信号摆幅与偏置相

3、比很小，对MOS管的直流工作点的影响可忽略；n需要确定直流工作点n使用小信号等效电路进行分析n突出主要的设计参数对性能的影响1 低频小信号模型n 根据以上分析， 一个衬底若不和源极短路， 则存在体效应。 同时考虑沟道调制效应和衬底调制效应(体效应)的低频小信号模型MOSMOS管交流小信号模型管交流小信号模型-低频低频 小信号是指对偏置的影响非常小的信号。由小信号是指对偏置的影响非常小的信号。由于在很多模拟电路中，于在很多模拟电路中，MOSMOS管被偏置在饱和区，管被偏置在饱和区，所以主要推导出在饱和区的小信号模型。所以主要推导出在饱和区的小信号模型。几个重要的参数n跨导跨导n输出电阻输出电阻n

4、增益增益n最高工作频率最高工作频率饱和区饱和区MOSMOS管的管的跨导跨导g gm mn 工作在饱和区的工作在饱和区的MOSMOS管可等效为一压控电流源，故管可等效为一压控电流源，故可用跨导可用跨导g gm m来表示来表示MOSMOS管的电压转变电流的能力，跨导管的电压转变电流的能力，跨导为漏源电压一定时，漏极电流随栅源电压的变化率，即：为漏源电压一定时，漏极电流随栅源电压的变化率，即： 2 2 thGSDDthGSCVGSDmVVIIVVVIgDS 饱和区饱和区MOSMOS管的管的跨导跨导n栅跨导随过驱动电压以及IDS的变化饱和区饱和区MOSMOS管的管的g gmbmbn则衬底电位对漏极电流

5、的影响可用一则衬底电位对漏极电流的影响可用一个电流源个电流源g gmbmbV VBSBS表示。表示。n在饱和区，在饱和区，g gmbmb能被表示成能被表示成 g m,VDSBSthBSththGSCVBSDmbVVVVVVVIgGS饱和区饱和区MOSMOS管的管的g gmbmbn而根据阈值电压与而根据阈值电压与V VBSBS之间的关系可得：之间的关系可得： n因此有：因此有： n上式中上式中= =g gmbmb/ /g gm m ，g gmbmb正比于正比于。n n注意注意g gm mV VGSGS与与g gmbmbV VBSBS具有相同极性，即提高衬底电具有相同极性，即提高衬底电位与提高栅压

6、具有同等的效果。位与提高栅压具有同等的效果。 212 BSfBSthVVV 22mBSfmmbgVgg饱和区饱和区MOSMOS管的输出电阻管的输出电阻n输出电阻定义为：当栅源电压与衬底电输出电阻定义为：当栅源电压与衬底电压为一常数时的漏源电压与漏极电流之压为一常数时的漏源电压与漏极电流之比比DCVVDSDSdsIIVrSBGS1,一般有gm约gmb约gds增益AV(|)vmODAgrR MOSMOS管的最高工作频率管的最高工作频率 ftnMOSMOS管的最高工作频率定义：管的最高工作频率定义：对栅输入电容的充放对栅输入电容的充放电电流和漏源交流电流值相等时所对应的工作频电电流和漏源交流电流值相

7、等时所对应的工作频率率。 MOSMOS管的最高工作频率管的最高工作频率nC C表示栅极输入电容，该电容正比于表示栅极输入电容，该电容正比于WLCWLCoxox 。nMOSMOS管的最高工作频率与沟道长度的平方成管的最高工作频率与沟道长度的平方成反比，因此，反比，因此，减小减小MOSMOS管的沟道长度就能很管的沟道长度就能很显著地提高工作频率显著地提高工作频率 。CgfvgCvmmgsmgsm2)(22thGSnmVVLfMOSMOS管交流小信号模型管交流小信号模型-高频高频n在高频应用时，在高频应用时，MOSMOS管的分布电容不能忽略管的分布电容不能忽略MOSMOS管的高频小信号电容管的高频小

8、信号电容n栅与沟道之间的栅与沟道之间的栅氧电容栅氧电容nC C2 2= =WLCoxWLCox，其中，其中C Coxox为单位面积栅氧电容为单位面积栅氧电容oxox/t/toxox；n沟道沟道耗尽层电容耗尽层电容：nn交叠电容交叠电容（多晶栅覆盖源漏区所形成的电容，（多晶栅覆盖源漏区所形成的电容，每单位宽度的交叠电容记为每单位宽度的交叠电容记为C Colol）：）：n包括栅源交叠电容包括栅源交叠电容C C1 1WdCWdColol与栅漏交叠电容与栅漏交叠电容C C4 4=WdC=WdColol：FsubsiNqWLC43MOSMOS管的高频小信号电容管的高频小信号电容MOSMOS管管栅源栅源电

9、容电容饱和区饱和区 n栅漏电容大约为：栅漏电容大约为：WCWColol。n漏端夹断，沟道长度缩短，从沟道电荷分布相当于漏端夹断，沟道长度缩短，从沟道电荷分布相当于C CGSGS增大，增大，C CGDGD减小，栅与沟道间的电位差从源区的减小，栅与沟道间的电位差从源区的V VGSGS下降到夹断点下降到夹断点的的V VGSGS- -V Vthth，导致了在栅氧下的沟道内的垂直电场的不一致。，导致了在栅氧下的沟道内的垂直电场的不一致。即即 =2 =2WLCWLCoxox (V (VGSGS-V-VTHTH)/3)/3n因此有：因此有：C CGSGS=2=2WLCWLCoxox/3 +/3 + WC W

10、Colol dVVVVICoxWdyVyVVWCQthGSVVthGSDnthLGSOX20220)(需要记住的电容sbOXGSCWLCC320.35um主要参数讨论n管的设计参数有几个，对管的性能有何影响？n如何提高MOS管的性能？n例题:求完整的NMOS管的小信号模型Mos管设计考虑主要公式(掌握)主要公式(续). 计算机仿真模型n 1n 2n 3（深亚微米） 49 Berkeley Short-Channel IGFET Model 模型参数变化尺寸缩小考虑因素n短窄沟道效应n热载流子效应n漏感应势垒降低效应n载流子速度饱和效应MOS的Spice模型参数 n 目前许多数模混合计算机仿真软

11、件的内核都是Spice。n 计算机仿真(模拟)的精度很大程度上取决于器件模型参数的准确性和算法的科学先进性。了解Spice模型参数的含义对于正确设计集成电路十分重要。MOS管Spice模型参数求解过程仿真示例仿真结果工艺角不同晶片不同批次不同工艺线有经过验证的器件模型典型条件 四个工艺角（SF，FS，SS，FS）满足以上条件的电路才是合格的保证产品的成品率 .亚阈值电压区MOS模型 n亚阈值效应又亚阈值效应又n称为弱反型效应称为弱反型效应指数关系指数关系平方关系平方关系VON亚阈值工作区n 衬底没有反型弱反型强反型亚阈值效应n亚阈值导通，而且亚阈值导通，而且I ID D与与V VGSGS呈指数

12、关系：呈指数关系：n其中其中11是一非理想的因子；是一非理想的因子；I ID0D0为特征电流：为特征电流： ，m m为工艺因子，因此为工艺因子，因此I ID0D0与工艺有关；而与工艺有关；而V VT T称为热电压：称为热电压： nexp0TGSDDVVII mCIoxD 210 qkTVT 亚阈值效应MOS管亚阈值效应亚阈值效应的应用n模拟电路的低压低功耗n n数字电路的泄漏电流器件性能参数计算n目的目的n通过计算机仿真得到器件模型参数n参数抽取过程：n1.)Extract the square-law model parameters for a transistor with length at least 10times Lmin.n2.) Using the values of K, VT , , and extract the model parameters for the modeln简单MOS管的特性n 饱和区:假设n其中220FSBFTTvVV模型参数的抽取过程 假设关系曲线K K和和 V VT T 的计算的计算nn先检查数据的线性度xmyb习题n试确定值以及NSUB值习题n管存在哪些二阶效应？分别由什么原因引起的？对管的模型有何n影响？n管的设计参数有几个，对管的性能有何影响？本章小结n大信号模型n小信号模型n 主要参数 n仿真模型n亚阈值效应