1、第三章第三章 MOS集成电路器件基础集成电路器件基础 n3.1 MOS场效应管场效应管(MOSFET)的结构及符号的结构及符号 n3.2 MOS管的电流电压特性管的电流电压特性 n3.3 MOS电容电容 n3.4 MOS管的管的Spice模型参数模型参数 n3.5 MOS管小信号等效电路管小信号等效电路 3.1 MOS场效应管场效应管(MOSFET)的结构及符号的结构及符号 3.1.1 NMOS管的简化结构管的简化结构NMOS管的简化结构如图管的简化结构如图器件制作在器件制作在P型衬底上型衬底上两个重掺杂两个重掺杂N区形成源区和漏区形成源区和漏区，区，重掺杂多晶硅区重掺杂多晶硅区(Poly)作
2、为栅作为栅极极一层薄一层薄SiO2绝缘层作为栅极与绝缘层作为栅极与衬底的隔离衬底的隔离NMOS管的有效作用就发生在管的有效作用就发生在栅氧下的衬底表面栅氧下的衬底表面导电导电沟道沟道(Channel)上。上。宽长比宽长比(W/L)和氧化层厚度和氧化层厚度tox 衬底的连接 (a) PMOS管； (b) NMOS管NPPBSGDN 型 衬 底(a)BSGDPNNP 型 衬 底(b)UDDn 3.1.2 N阱及阱及PMOSn 为了使为了使MOS管的电流只在导电沟道中沿表面流动而管的电流只在导电沟道中沿表面流动而不产生垂直于衬底的额外电流，不产生垂直于衬底的额外电流， 源区、源区、 漏区以及沟道和漏
3、区以及沟道和衬底间必须形成衬底间必须形成反偏的反偏的PN结隔离结隔离， 因此，因此， NMOS管的衬管的衬底底B必须接到系统的最低电位点必须接到系统的最低电位点(例如例如“地地”)， 而而PMOS管的衬底管的衬底B必须要接到系统的最高电位点必须要接到系统的最高电位点(例如正电源例如正电源UDD)。 衬底的连接如图所示。衬底的连接如图所示。 互补型CMOS管N阱中的PMOSPNNBSGDP 型衬底PGPDNBN阱Sn 在互补型在互补型CMOS管中，管中， 在同一衬底上制在同一衬底上制作作NMOS管和管和PMOS管，管， 因此必须为因此必须为PMOS管管做一个称之为做一个称之为“阱阱(Well)”
4、的的“局部衬底局部衬底” 。 MOS管常用符号 DBSGNMOSSBDGPMOS(a)DNMOSBGSSPMOSBGD(b)DSNMOSSDGPMOS(c)DNMOSGSSPMOSGD(d)Gn 3.1.3 MOS管符号n 增强型MOS管的4种常用符号如图所示， 其中NMOS管的衬底B应接地， PMOS管的衬底B接UDD。3.2 MOS管的电流电压特性管的电流电压特性 n 3.2.1 MOS管的转移特性管的转移特性n其中其中UTHN(UTHP)为为开启电压开启电压， 或称阈值或称阈值电压电压(Threshold Voltage)。 在半导体物在半导体物理学中，理学中， NMOS的的UTHN定义
5、为界面反型定义为界面反型层的电子浓度等于层的电子浓度等于P型衬底的多子浓度时型衬底的多子浓度时的栅极电压。的栅极电压。 uGSiDiDPMOSuGSUTHPUTHNNMOSOn 3.2.2 MOS管的输出特性n 增强型增强型NMOS管的输出特性如图管的输出特性如图 所示。所示。n栅极电压超过阈值电压栅极电压超过阈值电压UTHN后，后， 开始出现电流且栅压开始出现电流且栅压uGS越越大，大， 漏极电流也越大的现象，漏极电流也越大的现象， 体现了栅压对漏极电流有明体现了栅压对漏极电流有明显的控制作用。显的控制作用。n 漏极电压漏极电压UDS对漏极电流对漏极电流ID的控制作用基本上分两段，的控制作用
6、基本上分两段， 即线即线性区性区(Linear)和饱和区和饱和区(Saturation)。线性区 饱和区(恒流区)IDUGS5 VUGS2.5 VUGS1.5 VUDSO线性区 饱和区(恒流区)IDUGS5 VUGS2.5 VUGS1.5 VUDSOn 线性区和恒流区是以预夹断点的连线为分界线的线性区和恒流区是以预夹断点的连线为分界线的(图图中虚线所示中虚线所示)。 在栅压在栅压UGS一定的情况下，一定的情况下， 随着随着UDS从从小变大，小变大， 沟道将发生变化。沟道将发生变化。n若若UDS=UGS-UTH , 则沟道在漏则沟道在漏区边界上被夹断，区边界上被夹断， 因此该点因此该点电压称为预
7、夹断电压。电压称为预夹断电压。 n在此点之前，即在此点之前，即UDSUGS-UTH ，管子工作在，管子工作在恒流区，恒流区， 此时此时UDS增大，增大， 大大部分电压降在夹断区，部分电压降在夹断区， 对沟对沟道电场影响不大，道电场影响不大， 因此电流因此电流增大很小。增大很小。n 电流源区(N)漏区(N)反型层UDS UGS UTH(线性区)UDS UGS UTH(预夹断)UDS UGS UTH(恒流区)电流电流源区(N)源区(N)漏区(N)漏区(N)线性区 饱和区(恒流区)IDUGS5 VUGS2.5 VUGS1.5 VUDSOn非饱和区I-V特性(线性区) (0VDSVGS-VTN)/dJ
8、 =Q v L1J =EEnvE/ndJQEL/ndQLLdWQdR=dy/sdy反型层( )( )oxGSTNQ yCVVV y( )dndndydydRdyLsQ WLQ y W( )( )DSDSnIdydV yIdRQ y W1dnLQn 3.2.3 MOS管的电流方程n 00()DSLVDSnoxGSTNIdyWCVVV dV两边做定积分22()2DSGSTNDSDSK WIVVVVL0noxnoxoxKCt NWKL NMOS器件增益系数21()2DSNGSTNDSDSIVVVV与工艺相关的与设计相关的( )( )DSDSnIdydV yIdRQ y W NMOS器件跨导系数n饱和
9、区I-V特性(0VGS-VTNVDS)GSTNDSVVV22()()22NDSGSTNGSTNK WIVVVVL如果忽略沟道长度缩短(L比较大)，则：线性区线性区此式常用于人工估算电路性能。n在亚微米以下，考虑沟道长度缩短deffdDSDSdXLLXLVdV2()2DSGSTNeffK WIVVL22()2effDSGSTNDSeffDSdLIK WVVVLdV 由上两式由上两式：在Xd0(Leff=L)处：0dDSDSdXDSDSIIdXVL dV定义厄雷电压：定义厄雷电压：1()/DSdADSDSDSIdXVLLVdV定义定义沟道长度调制系数沟道长度调制系数：1/AV(1)deffDSDS
10、DSdXLLVLVdV21111 ()DSeffDSVLVLVDS1，忽略上式的二次项：11(1)DSeffVLL得到：2() (1)2DSGSTNDSK WIVVVL较为精确的二级近似模型。较为精确的二级近似模型。一级近似，不考虑沟道长度调制效应IDS不随VDS变化，输出电阻无穷大。二级近似，考虑沟道长度调制效应，二级近似，考虑沟道长度调制效应，IDS随随VDS变化，沟道长度调制系数变化，沟道长度调制系数 通常由实验数据得到。通常由实验数据得到。沟道长度调制效应所引起的饱和区有限斜率n截至区VGS-VTN0，没有形成沟道，晶体管不导通。IDS=0NMOS晶体管I-V特性总结n截至区：VGS-
11、VT0n线性区：0VDSVGS-VT饱和区：0VGS-VTVDS2() (1)2DSGSTNDSeffKWIVVVL00.511.522.50123456x 10-4VDS (V)IDS (A)VGS= 2.5 VVGS= 2.0 VVGS= 1.5 VVGS= 1.0 V线性区饱和区VDS = VGS - VT截至区VGSGSDBVDSIDS2() (1)2DSGSTNDSK WIVVVL22()2DSGSTNDSDSK WIVVVVL0DSINMOS transistor, 0.25um, Ld = 10um, W/L = 1.5, VDD = 2.5V, VT = 0.4V定义：过驱动电
12、压VOD=VGSVTnPMOS在截止区、 线性区、 恒流区的电流方程： )1 (2)(22022DSpTHPGSoxpDSDSTHPGSoxPDPUUULWCUUUULWCI|UGS|UTHP|(截止区) |UDS|UGS|-|UTHP| (恒流区)可知，可知， 电流与宽长比电流与宽长比(W/L)成正比。成正比。nUTHN、 UTHP开启电压(阈值电压)。 假设UDD=5 V， 则增强型NMOS管： n UTHN(0.140.18)UDD0.7 0.9 Vn 增强型PMOS管： n UTHP-0.16|UDD|-0.8 Vn 耗尽型MOS管： n UTH-0.8UDD-4 Vn n、 p沟道调
13、制系数， 即UDS对沟道长度的影响。n 对NMOS VUVUApAn/02. 01/01. 01对对PMOS 沟道调制系数=1/UAUA(厄尔利电压)OiDUGSuDSn 对于典型的0.5 m工艺的MOS管， 忽略沟道调制效应， 其主要参数如表所示。 表 3 - 1 0.5 m工艺MOS管的典型参数 n 假定有一NMOS管， W=3 m, L=2 m, 在恒流区则有:AVVmmVAUULWKIVUTHGSDGS93)7 . 02(23/7321)(22222若UGS=5 V, 则 mAVVmmVAID0 . 1)7 . 05(23/732122n 3.2.4 MOS管的输出电阻 1. 线性区的
14、输出电阻 根据线性区的电流方程， 当UDS很小(UDS2(UGS-UTH)时， 可近似有DSHTGSoxnDSDSHTGSoxnDUUULWCUUUULWCI)()(222 输出电阻RON为 )(1THGSoxnDDSONUULWCIUR2. 恒流区的输出电阻恒流区的输出电阻 根据恒流区的电流方程根据恒流区的电流方程DQADQnTHGSoxnnDDSONIUIUULWCIUR1)(212若UA=200 V, 工作点电流ID=1 mA， 则kmVVIURDQAON2001200工作点越低， IDQ越小， 输出电阻越大。2(1)2noxDNGSTHNnDSCWIUUUL 3.2.5 MOS管的跨导
15、gm 恒流区的电流方程在忽略沟道调宽影响时为平方律方程， 即22THGSoxnDUULWCI那么UGS对ID的控制能力参数gm为THGSDDoxnTHGSoxnGSDmUUIILWCUULWCUIg22)( 可见，可见， 在在W/L不变的情况下，不变的情况下， gm与与(UGS-UTH)成线性成线性关系，关系， 与与ID的平方根成正比；的平方根成正比； 在在ID不变的情况下，不变的情况下， gm与与(UGS-UTH)成反比。成反比。 其变化曲线分别如图所示。其变化曲线分别如图所示。2()2DDmnoxGSTHnoxDGSGSTHIIWWgCUUCIULLUU gm随电压(UGS-UTH)和漏电
16、流ID的变化关系曲线gmOUGSUTHgmOID(W / L)不变(W / L)不变(a)(b)gmOID不变(c)UGSUTH 3.2.6 体效应与背栅跨导gmb 前面所有结论是在衬底与源极等电位的前提下得出前面所有结论是在衬底与源极等电位的前提下得出来的，来的， 但在集成电路中，但在集成电路中， 在同一硅片衬底上要做许多管在同一硅片衬底上要做许多管子，子， 为保证它们正常工作，为保证它们正常工作， 一般一般N管的衬底要接到全电管的衬底要接到全电路的最低电位路的最低电位点点, P管的衬底接到最高电位点管的衬底接到最高电位点UDD。 但是，有些管子的源极与衬底之间存在电位差，但是，有些管子的源
17、极与衬底之间存在电位差，而且，其而且，其PN结反偏，即结反偏，即UBS0 。 UBS0的MOS 管（V2）V2V1G2G1S2B1S1UDDB2n 当当UBS0 时，时， 沟道与衬底间的耗尽层加厚，沟道与衬底间的耗尽层加厚， 导导致阈值电压致阈值电压UTH增大，增大， 沟道变窄，沟道变窄， 沟道电阻变大，沟道电阻变大， iD减小，减小， 人们将此称为人们将此称为“体效应体效应”、 “背栅效应背栅效应”或或“衬底调制效应衬底调制效应”。 考虑体效应后的阈值电压考虑体效应后的阈值电压UTH为为BSTHOTHUUU2式中：式中： UTHOUBS=0 时的阈值电压；时的阈值电压；体效应系数，体效应系数
18、， 的典型值在的典型值在0.3 V1/20.4 V1/2之间。之间。 UBS0的MOS 管（V2）V2V1G2G1S2B1S1UDDB2 引入背栅跨导引入背栅跨导gmb来表示来表示UBS对漏极电流的影响，对漏极电流的影响， 其定其定义为义为BSDmbUIg通常用跨导比通常用跨导比来表达背栅跨导来表达背栅跨导gmb与栅跨导与栅跨导gm的关系：的关系： 2 . 01 . 0mmbgg式中的gm为栅跨导(gm=ID/UGS)。 UBS0的MOS 管（V2）V2V1G2G1S2B1S1UDDB2 3.2.7 场效应管亚阈区特性 实验和理论证明，实验和理论证明， MOS管在弱反型层向强反型管在弱反型层向
19、强反型层过渡的区域已经存在电流，层过渡的区域已经存在电流， 不过该电流很小，不过该电流很小， 因此因此通常人们认为只有当栅压通常人们认为只有当栅压UGS超过阈值电压超过阈值电压UTH后才出后才出现电流。现电流。 UGS34 m的的MOS管称管称为为“长沟道长沟道”， 将将L3 m的的MOS管称为管称为“短沟道短沟道”， 而将而将L(W)1 m的的MOS管的制作工艺称为亚微米工艺。管的制作工艺称为亚微米工艺。 1. L、 W尺寸对尺寸对UTH的影响的影响 在长沟道器件中，在长沟道器件中， 阈值电压阈值电压UTH与沟道长度与沟道长度L和沟道宽和沟道宽度度W的关系不大；的关系不大； 而在短沟道器件中
20、，而在短沟道器件中， UTH与与L、 W的关系较大。的关系较大。 如图所如图所示，示， UTH随着随着L的增大而增大，的增大而增大， 随着随着W的增大而减小。的增大而减小。UTH / V01234Nsub1017cm3Nsub1016cm3UTH / VL/mW/m0246810(a)(b)2. MOS管的特征频率管的特征频率fT MOS管的特征频率为管的特征频率为21Tf其中其中, 为电子在沟道中的渡越时间，为电子在沟道中的渡越时间， 有有 DSnnnULELL2 L为沟道长度，为沟道长度， n为电子迁移率，为电子迁移率， E为沟道电场强度为沟道电场强度(E=UDS/L)。22 LUfDSn
21、T 以上分析表明：以上分析表明： MOS场效应管的性能与宽长比场效应管的性能与宽长比(W/L)有很有很强的依赖关系强的依赖关系; 沟道长度沟道长度L越小，越小， fT及及gm越大，越大， 且集成度且集成度越高越高, 因此，因此， 减小器件尺寸有利于提高器件性能。减小器件尺寸有利于提高器件性能。 提高载流子迁移率提高载流子迁移率有利于增大有利于增大fT及及gm， NMOS的的n比比PMOS的的p大大24 倍，倍， 所以所以NMOS管的性能优于管的性能优于PMOS管管; 体效应体效应(衬底调制效应衬底调制效应)、 沟道调制效应沟道调制效应(与与UA)和亚阈区均属于二阶效应，和亚阈区均属于二阶效应，
22、 在在MOS管参数管参数中应有所反映。中应有所反映。 3.3 MOS电容电容 集成电路器件结构中，集成电路器件结构中， 将导电层以绝缘介质隔离就将导电层以绝缘介质隔离就形成了电容。形成了电容。 MOS集成电路中的集成电路中的寄生电容主要包括寄生电容主要包括MOS管的寄生电容以及由金属、管的寄生电容以及由金属、 多晶硅和扩散区连线形成的多晶硅和扩散区连线形成的连线电容连线电容。 寄生电容及与其相连的等效电阻的共同作用寄生电容及与其相连的等效电阻的共同作用决定了决定了MOS电路系统的动态响应（开关速度），电路系统的动态响应（开关速度）， 一个接一个接有负载的有负载的MOS逻辑门输出端的总的负载电容
23、包括下面几逻辑门输出端的总的负载电容包括下面几部分：部分： (1) 栅极电容：栅极电容： 与该逻辑门输出端相连各管的输入电容。与该逻辑门输出端相连各管的输入电容。 (2) 扩散区电容：扩散区电容： 与该逻辑门输出端相连的漏区电容。与该逻辑门输出端相连的漏区电容。 (3) 布线电容：布线电容： 该逻辑门输出端连到其它各门的连线形成的该逻辑门输出端连到其它各门的连线形成的电容。电容。 1. MOS电容特性电容特性 MOS电容的特性与栅极上所加的电压紧密相关，电容的特性与栅极上所加的电压紧密相关， 这这是因为半导体的表面状态随栅极电压的变化可处于积累层、是因为半导体的表面状态随栅极电压的变化可处于积
24、累层、 耗尽层、耗尽层、 反型层三种状态。反型层三种状态。 1) 积累层积累层 对对P型衬底材料上的型衬底材料上的N型型MOS器件，器件， 当当UG0时，时， 栅极上的负电荷吸引衬底中的空穴趋向硅的表面，栅极上的负电荷吸引衬底中的空穴趋向硅的表面， 形成积形成积累层。累层。 这时，这时， MOS器件的结构就像平行平板电容器，器件的结构就像平行平板电容器， 栅栅极和高浓度空穴积累层分别是平板电容器的两个极板。极和高浓度空穴积累层分别是平板电容器的两个极板。 由于积累层本身是和衬底相连的，由于积累层本身是和衬底相连的， 所以栅电容可所以栅电容可近似为近似为AtCoxox00式中式中:0真空介电常数
25、；真空介电常数； oxSiO2的相对介电常数，的相对介电常数， 其值是其值是3.9； toxSiO2层的厚度层的厚度; A栅极的面积。栅极的面积。 2) 耗尽层耗尽层 当当0UGUT， 这时这时P型衬型衬底中的电子（少数载流子）被吸引到表面，底中的电子（少数载流子）被吸引到表面， 形成反型形成反型层，层， 实际上就是实际上就是N型导电沟道。型导电沟道。 由于在栅极下面形成了一个导电由于在栅极下面形成了一个导电能力很强的反型能力很强的反型层，层， 在低频时，在低频时， 栅极电容又变为栅极电容又变为C0。但是，但是， 反型层反型层中的载流子（电子）不能跟随栅电压的高频变化，中的载流子（电子）不能跟
26、随栅电压的高频变化， 因因此，此， 高频时的栅极电容仍然是最大耗尽状态下的栅极高频时的栅极电容仍然是最大耗尽状态下的栅极电容，电容， 即即CGB=C0 （频率低于（频率低于100 Hz）deppdeGBCCCCC00高频高频 2. MOS器件的电容 上面仅仅讨论了上面仅仅讨论了MOS器件中栅极对衬底的电容，器件中栅极对衬底的电容， MOS器件中完整的寄生电容如图所示。器件中完整的寄生电容如图所示。 MOS器件电容 (a) 寄生电容示意图； (b) 寄生电容电路符号示意图衬底栅极CGBCGSCGD栅氧化层CDB漏极沟道CSB源极(a)CGDCDBCSBCGSCGB衬底(b)耗尽层GDS CGS、
27、 CGD栅极对沟道的集总电容，栅极对沟道的集总电容， 分别集中在沟分别集中在沟道的源区端和漏区端；道的源区端和漏区端； CSB、 CDB分别为源区和漏区对衬底的电容；分别为源区和漏区对衬底的电容； CGB栅极对衬底的电容。栅极对衬底的电容。 图（图（b）是用寄生电容的电路符号绘制的）是用寄生电容的电路符号绘制的MOS器件器件电容模型示意图，电容模型示意图， 由图可见由图可见, MOS器件栅极电容由三部器件栅极电容由三部分组成：分组成： CG=CGS+CGD+CGB衬底栅极CGBCGSCGD栅氧化层CDB漏极沟道CSB源极(a)CGDCDBCSBCGSCGB衬底(b)耗尽层GDSCG=CGS+C
28、GD+CGB衬底栅极CGBCGSCGD栅氧化层CDB漏极沟道CSB源极(a)CGDCDBCSBCGSCGB衬底(b)耗尽层GDS MOS管的栅极电容在三个工作区的特性是不一样的，管的栅极电容在三个工作区的特性是不一样的， 下面下面分别说明。分别说明。 (1) 截止区（截止区（UGSUDS）。）。 在线性区耗尽层深度在线性区耗尽层深度基本不变，基本不变， 所以所以CGB为常数。为常数。 但此时导电沟道已经形成，但此时导电沟道已经形成， CGS 和和CGD就必须加以考虑，就必须加以考虑， 这两个电容与栅极电压的这两个电容与栅极电压的大小有关，大小有关， 其值可用下式估算：其值可用下式估算：AtCC
29、oxoxGDGS021CG=CGS+CGD+CGB衬底栅极CGBCGSCGD栅氧化层CDB漏极沟道CSB源极(a)CGDCDBCSBCGSCGB衬底(b)耗尽层GDS (3) 饱和区（饱和区（UGS-UTUDS）。）。 此时沟道是一强反型层，此时沟道是一强反型层， 靠近漏区的一端被夹断，靠近漏区的一端被夹断， 因此因此CGD=0， 而而CGS增加为增加为AtCoxoxGS032MOS栅极电容近似值 （表中=0ox） 总的栅极电容与UGS的关系 1.00GCC0OUTUGS MOS管总的栅极电容的某些成分和栅极电压有管总的栅极电容的某些成分和栅极电压有紧密联系，紧密联系， 但总的栅极电容只有在开
30、启电压附近随但总的栅极电容只有在开启电压附近随UGS变化较大，变化较大， 其它区域均近似等于栅氧化层电容其它区域均近似等于栅氧化层电容C0。 对于数字电路中的开关式器件，对于数字电路中的开关式器件， UGS可以很快通可以很快通过该区域，过该区域， 因此，因此， 通常可以认为通常可以认为AtCCoxoxG00 3. 扩散区电容 MOS管的源区和漏区都是由浅的管的源区和漏区都是由浅的N+扩散区或扩散区或P+扩散区扩散区构成的，构成的， 扩散区也用作互连线。扩散区也用作互连线。 这些扩散区对衬底（或阱）这些扩散区对衬底（或阱）就有寄生电容存在，就有寄生电容存在， 寄生电容的大小与将扩散区和衬底（或寄
31、生电容的大小与将扩散区和衬底（或阱）隔开的耗尽层的有效面积成正比，阱）隔开的耗尽层的有效面积成正比， 与扩散区和衬底（或与扩散区和衬底（或阱）之间的电压有关。阱）之间的电压有关。 由于扩散区总是有一定深度的，由于扩散区总是有一定深度的， 扩扩散区对衬底（或阱）的结面积就包括底部面积和周围的侧壁散区对衬底（或阱）的结面积就包括底部面积和周围的侧壁面积两部分面积两部分。 a多晶硅ba源扩散区漏扩散区栅极场氧衬底(a)bCjpCjpCjpCjp扩散区(b)耗尽层 3. 扩散区电容 a多晶硅ba源扩散区漏扩散区栅极场氧衬底(a)bCjpCjpCjpCjp扩散区(b)耗尽层 扩散区的厚度往往可以看成一个
32、常数，扩散区的厚度往往可以看成一个常数， 这样侧壁面这样侧壁面积就和侧壁周长成正比。积就和侧壁周长成正比。 因此因此, 总的扩散电容可表示为总的扩散电容可表示为 Cd=Cja(ab)+Cjp(2a+2b) 式中：式中： Cja扩散区底部每平方微米的扩散电容；扩散区底部每平方微米的扩散电容； Cjp扩散区侧壁每微米周长的扩散电容；扩散区侧壁每微米周长的扩散电容； a, b扩散扩散区的长和宽。区的长和宽。 3. 扩散区电容 扩散区的厚度往往可以看成一个常数，扩散区的厚度往往可以看成一个常数， 这样侧壁面这样侧壁面积就和侧壁周长成正比。积就和侧壁周长成正比。 因此因此, 总的扩散电容可表示为总的扩散
33、电容可表示为 Cd=Cja(ab)+Cjp(2a+2b) 式中：式中： Cja扩散区底部每平方微米的扩散电容；扩散区底部每平方微米的扩散电容； Cjp扩散区侧壁每微米周长的扩散电容；扩散区侧壁每微米周长的扩散电容； a, b扩散扩散区的长和宽。区的长和宽。 侧墙沟道axj沟道注入停止位置 (NA+)源底面 (ND)b衬底 (NA)pn结深典型N阱1 m工艺扩散电容值 (单位： pF/m2) 由于耗尽层的厚度和结两边的电压由于耗尽层的厚度和结两边的电压Uj有关，有关， 所所以以Cja 和和Cjp都是结电压都是结电压Uj的函数，的函数， 即即mBjjjUCC10式中：Cj0Uj = 0时的结电容;
34、 B结的内建电势（约为0.6 V）; m梯度因子， 它与结附近的杂质分布有关（约为0.30.5）。 4. 布线电容 金属、金属、 多晶硅、多晶硅、 扩散区常被用作互连线，扩散区常被用作互连线， 它们它们相互之间以及它们与衬底之间都会形成电容。相互之间以及它们与衬底之间都会形成电容。 采用简采用简单的平行板电容器模型可粗略估计这些电容值的大小单的平行板电容器模型可粗略估计这些电容值的大小为为AtC式中:介质的绝对介电常数； t介质的厚度; A互连线的面积。 平行板电容模型忽略了由边缘电场引起的边缘效平行板电容模型忽略了由边缘电场引起的边缘效应。应。 互连线对衬底及互连线之间都有边缘效应，互连线对
35、衬底及互连线之间都有边缘效应， 这样这样估算的电容比实际值要小。估算的电容比实际值要小。 随着连线的宽度和高度按比例缩小，随着连线的宽度和高度按比例缩小， 边缘效应边缘效应的影响就更加显著。的影响就更加显著。 要进一步提高估算精度，要进一步提高估算精度， 就要采就要采用其它更为复杂的模型用其它更为复杂的模型。平行板电容及边缘效应衬底边缘电容互连线SiO2衬底边缘电容3.4 MOS管的Spice模型参数 目前许多数模混合计算机仿真软件的内核都是Spice。 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是十分重要
36、的。 表给出MOS管的Spice主要模型参数的符号 、 含义和0.5 m工艺的参数典型值。 MOS管Spice模型参数3.5 MOS管小信号等效电路 3.5.1 低频小信号模型 根据以上分析，根据以上分析， 一个衬底若不和源极短路，一个衬底若不和源极短路， 则则存在体效应。存在体效应。 同时考虑沟道调制效应和衬底调制效应同时考虑沟道调制效应和衬底调制效应(体效应体效应)的低频小信号模型如图所示。的低频小信号模型如图所示。 MOS管的低频小信号模型gmbUbsUbsSBDidUdgmUgsUgsGUgrdsib各参数值及说明如下：各参数值及说明如下：栅跨导栅跨导 DoxnmILWCg2背栅跨导背
37、栅跨导 FBSmmbmUggg22式中：式中： 体效应系数；体效应系数；UBS源源衬电位差；衬电位差； 2|F|费米能级。费米能级。 gmbUbsUbsSBDidUdgmUgsUgsGUgrdsibn输出电阻输出电阻 DADdsIUIr1式中： 沟道调制系数； UA厄尔利电压； IDMOS管工作点电流。 gmbUbsUbsSBDidUdgmUgsUgsGUgrdsib 3.5.2 MOS管的高频小信号等效电路 当频率升高时，当频率升高时， 电容容抗减小，电容容抗减小， 电容效应将会显露出电容效应将会显露出来。来。 考虑极间电容和寄生电容影响的考虑极间电容和寄生电容影响的MOS管高频小信号管高频
38、小信号等效电路如图所示。等效电路如图所示。MOS管高频小信号等效电路 gmbUbsSBDibUdgmUgsUgsGUbsCgdCbsidCdbrdsCgsUgNMOS管的电容 USB0AL(铝)PFieldImplantCs-SWCSBN多晶硅UGS UTHCGSLeffCGDUDG UTHSiO2LovCDBCd-SWP-衬底N各电容的含义如图所示。各电容的含义如图所示。 n在大多数应用中，MOS被偏置在饱和区工作： 定义：DSmQGSIgVDSmbsQBSIgVDSdsQDSIgV 栅跨导 衬底跨导 漏跨导n栅跨导gm：()(1)mGSTDSQKWgVVVL如果忽略，则：112222()()DQmGSTDQGSTIKWKWgVVILVVL由2() (1)2DSGSTNDSK WIVVVLIDQ为静态电流gmbUbsSBDibUdgmUgsUgsGUbsCgdCbsidCdbrdsCgsUgn衬底跨导122()mbsmmBSgggV n漏跨导漏电流随漏源电压变化而变化11DSdsDQdsDSIgIrV2111()2dsDQGSTHrWIKVVLMOS管输出电阻的改变可以通过改变偏置电流(IDQ)，或者改变W/L的方法实现。n栅跨导随过驱动电压以及IDS的变化强反型层表面的电压，对于NMOS管其值为负，PMOS为正
