1、模拟CMOS集成电路设计：时 间：2009年12月10日Email:Tel:62283724第第2章章 MOS器件物理基础器件物理基础 2.1 基本概念 2.2 I/V特性 2.3 二级效应 2.4 MOS器件模型MOS器件物理基础器件物理基础3工作区工作区饱和区饱和区三级管区三级管区二级效应二级效应体效应体效应沟道长度调制沟道长度调制亚阈值导电性亚阈值导电性引入了简化假设引入了简化假设更接近实际情况更接近实际情况NMOS管的电流公式管的电流公式2noxDGSTHDSDSC WI=2(V-V)V-V2L2noxDGSTHC WI=(V-V)2L0DI截止区，截止区，VgsVTHVDSVTHVD
2、S Vgs-VTHMOS管的开启电压管的开启电压VTH及体效应及体效应u 前提：前提：假设假设晶体管的衬底和源是接地的。晶体管的衬底和源是接地的。u假如假如NFET的衬底电压减小到低于源电压时的衬底电压减小到低于源电压时Vb0，会影响，会影响器件的工作性能。器件的工作性能。MOS管的开启电压管的开启电压VTH及体效应及体效应u若若Vs=Vd=0,且栅压且栅压Vg略小于略小于Vt使得栅下形成耗尽层，但使得栅下形成耗尽层，但没有反型层。没有反型层。u由于由于VbVgs(2)VTH1,是一个非理想因子是一个非理想因子)u前面一直假设当前面一直假设当Vgs小于阈值电压时，器件会突小于阈值电压时，器件会
3、突然关断。然关断。u但实际上此时仍存在一个弱反型层，因而会有漏但实际上此时仍存在一个弱反型层，因而会有漏电流的存在。该电流与电流的存在。该电流与Vgs相关（指数关系），此相关（指数关系），此效应称为效应称为“亚阈值导电亚阈值导电”u影响：会导致较大的功能损耗，比如内存影响：会导致较大的功能损耗，比如内存亚阈值导电特性亚阈值导电特性GSD0VI=I expkTq(1,是一个非理想因子是一个非理想因子)Vgs低于阈值电低于阈值电压时，漏电流压时，漏电流不会突然消失不会突然消失，而是逐渐减，而是逐渐减小，该范围大小，该范围大致为致为80mVMOS管亚阈值导电特性的管亚阈值导电特性的Pspice仿真结
4、果仿真结果VgSlogID仿真条件：仿真条件：VT0.6W/L100/2MOS管亚阈值电流管亚阈值电流ID一般为几十一般为几十几百几百nA,常用于低功耗放大器、带隙基准设计。常用于低功耗放大器、带隙基准设计。gm=ID/(VT)电压限制电压限制n击穿效应：如果击穿效应：如果MOSFETs端电压超过某一特定值，端电压超过某一特定值，会发生各种击穿效应，不可恢复。会发生各种击穿效应，不可恢复。n穿通效应：在短沟道器件中，源漏电压过大会使耗尽穿通效应：在短沟道器件中，源漏电压过大会使耗尽层变宽，耗尽层会延伸到源区周围，产生大的漏电流层变宽，耗尽层会延伸到源区周围，产生大的漏电流第第2章章 MOS器件
5、物理基础器件物理基础 2.1 基本概念 2.2 I/V特性 2.3 二级效应 2.4 MOS器件模型MOS器件版图器件版图MOS 低频小信号模型低频小信号模型u大信号模型：大信号模型：用于信号会显著影响偏置工作点的时用于信号会显著影响偏置工作点的时候，尤其是非线性效应的情况。候，尤其是非线性效应的情况。u小信号模型：小信号模型：工作点附近的大信号模型的近似，当工作点附近的大信号模型的近似，当信号对偏置的影响小的时候。信号对偏置的影响小的时候。小信号模型的建立：小信号模型的建立：可以在偏置点上产生一个小的增可以在偏置点上产生一个小的增量，并量，并计算其所计算其所引起的其他偏置参数的增量来建立。引
6、起的其他偏置参数的增量来建立。MOS 低频小信号模型低频小信号模型大部分模拟电路均工大部分模拟电路均工作在饱和区作在饱和区,所以考虑所以考虑建立饱和区的小信号建立饱和区的小信号模型模型基本的小信号模型基本的小信号模型：由于漏电流是栅源电由于漏电流是栅源电压的函数，所以可以压的函数，所以可以用压控电流源来近似用压控电流源来近似，其大小为，其大小为gmVGSMOS 低频小信号模型低频小信号模型沟道长度调制效应模型沟道长度调制效应模型：由于沟道调制，漏电流会随由于沟道调制，漏电流会随着漏着漏-源变化而变化，也可以源变化而变化，也可以用压控电流源来表示用压控电流源来表示。该压控电流值与其两端电压该压控
7、电流值与其两端电压成正比，所以可以等效为一成正比，所以可以等效为一个线性阻抗。个线性阻抗。DSonoxDDDSD2GSTHV111r=CWII/VI(V-V)2L连接源漏之间的电阻的大小：连接源漏之间的电阻的大小：2noxDGSTHDS C WI=(V-V)(1+V)2L例：求下列电路的低频小信号输出电阻例：求下列电路的低频小信号输出电阻(0)XXmgs0XmX0V=(I-g V)r=(I-g V)rm 0XX 0(1+g r)V=I r10XinXm 0mrVR=I(1+g r)g所以所以MOS 低频小信号模型低频小信号模型体效应模型：体效应模型：u由于体效应存在，它影响由于体效应存在，它影
8、响阈值电压，因此也会影响栅阈值电压，因此也会影响栅-源的过驱动电压。源的过驱动电压。u在所有其他端保持恒定电在所有其他端保持恒定电压的情况下，漏电流是衬底压的情况下，漏电流是衬底电压的函数电压的函数。u所以所以衬底相当于另一个栅衬底相当于另一个栅。可用连接于漏源之间的电。可用连接于漏源之间的电流源来模拟这一关系，电流流源来模拟这一关系，电流大小大小gmbVBS例：求下列电路的低频小信号输出电阻例：求下列电路的低频小信号输出电阻(0)XXmgs0XDXmDXmX0XDV=(I-g V)r+I R(I+g R I-g V)r+I Rm 0X0DmD 0X(1+g r)V=(r+R+g R r)Ig
9、sXXDV=V-I R10DmD 0XinXm 0D0mm 0r+R+g R rVR=I1+g rRrgg r例：求下列电路的低频小信号输出电阻例：求下列电路的低频小信号输出电阻(0)gsXV=-VXXmgs0XDXmX0XDV=(I+g V)r+I R(I-g V)r+I R10DXDinXm 0mm 0r+RVRR=I1+g rgg r小信号电阻总结小信号电阻总结（0）1/inmRg1/inmDm 0RgRg r1/inm0Dm 0RgrRg r对于图（对于图（A）：）：对于图（对于图（B）：）：对于图（对于图（C）：）：MOS器件电容器件电容n在考虑CMOS交流特性时，需要考虑器件电容l
10、栅和沟道之间的电容l衬底和沟道之间的电容l多晶硅与源和漏交叠部分产生的电容l源漏与衬底之间的电容（分成下极板电容和侧极板电容两部分）Ch.1#33MOS电容器的结构电容器的结构2oxoxt0.1m,C0.35fF/m。2oxoxt50A,C6.9fF/m2oxoxt0.02m,C1.75fF/m减小减小MOS器件电容的版图结构器件电容的版图结构对于图对于图a:CDB=CSB=WECj+2(W+E)Cjsw对于图对于图b:CDB=(W/2)ECj+2(W/2)+E)Cjsw CSB=2(W/2)ECj+2(W/2)+E)Cjsw =WECj+2(W+2E)Cjsw Ch.1#35栅源、栅漏电容随
11、栅源、栅漏电容随VGS的变化曲线的变化曲线C3=C4=COVW Cov：每单位宽度的交叠电容每单位宽度的交叠电容MOS管关断时管关断时:CGD=CGS=CovW,CGB=C1/C2C1=WLCoxMOS管深线性区时管深线性区时:CGD=CGS=C1/2+CovW,CGB=0,C2被沟道屏蔽被沟道屏蔽MOS管饱和时管饱和时:CGS=2C1/3+CovW,CGD=CovW,CGB=0,C2被沟道屏蔽被沟道屏蔽 Ch.1#36栅极电阻栅极电阻 Ch.1#37完整的完整的MOS小信号模型小信号模型NMOS器件的电容器件的电容-电压特性电压特性积累区积累区强反型强反型例：若例：若W/L50/0.5，|I
12、D|500uA，分别求分别求:NMOS、PMOS的跨导及输出阻抗以及本征增益的跨导及输出阻抗以及本征增益gmr0（tox=9e-9 n=0.1,p=0.2,n=350cm2/V/s,p=100cm2/V/s）tox=50,Cox 6.9fF/m2(1=10-10 m,1fF=10-15 F)tox=90,Cox 6.9*50/90=3.83fF/m2-4 4-1 15 5-1 12 2-4 4m mN Ng g=2 2 3 35 50 0 1 10 03 3.8 83 3 1 10 0/1 10 01 10 00 0 5 5 1 10 03 3.6 6m mA A/V V72-3 3-3 3m
13、 mN N 0 0N Ng g r r=3 3.6 6 1 10 02 20 0 1 10 0同理可求得同理可求得PMOS的参数如下：的参数如下：gmP 1.96mA/V，r0P 10K，gmP r0P 19.6-4 40 0N Nr r=1 1/(0 0.1 15 51 10 0)=2 20 0K K 40MOS管的常见模型管的常见模型nLevel1模型：l是最早的MOS管模型，也叫Shichman-Hodges模型nBSIM模型：lBerkeley提出的短沟道绝缘栅场效应管模型Berkeley Short-channel IGFET ModelnHspice模型：l包含多个MOS管模型，统
14、一编号为Level xl参考：hspice_mosmod.pdf41SPICE集成电路分析程序与MOSFET模型HSpice中常用的几种中常用的几种MOSFET模型模型Level=1Shichman-Hodges Level=2基于几何图形的分析模型 Grove-Frohman Model(SPICE 2G)Level=3半经验短沟道模型(SPICE 2G)Level=49BSIM3V3BSIM,3rd,Version 3Level=50Philips MOS942MOSFET一级模型直流特性涉及的模型参数VTOVTO衬底零偏置时源阈值电压KP本征跨导参数GAMMA 体效应阈值系数PHI 2F
15、强反型使的表面势垒高度LAMBDA 沟道长度调制系数UO o/n表面迁移率L沟道长度LD沟道长度方向上横向扩散长度W沟道宽度TOX TOX栅氧化层厚度TPG栅材料类型NSUB NSUB衬底(阱)掺杂浓度NSS NSS表面态密度.VTO,KP,GAMMA,PHI,LAMBDA是器件参数.TOX,TPG,NSUB,NSS是工艺参数.若用户仅给出了工艺参数,SPICE会计算出相应的器件参数.MOSFET一级模型直流特性涉及的模型参数一级模型直流特性涉及的模型参数IS:衬底结饱和电流衬底结饱和电流(省缺值为省缺值为0)JS衬底结饱和电流密度衬底结饱和电流密度N:衬底衬底PN结发射系数结发射系数AS:源
16、区面积源区面积PS:源区周长源区周长AD:漏区面积漏区面积PD:漏区周长漏区周长JSSW:衬底衬底PN结侧壁单位长度的电流结侧壁单位长度的电流例如：例如：M1 3 6 7 0 NCH W=100U L=1UMOS管名称，漏、栅管名称，漏、栅、源和衬底连接的节、源和衬底连接的节点，节点后是器件的点，节点后是器件的模型名。模型名。U表示表示10-6441Schichman-Hodges model2MOS2 Grove-Frohman model(SPICE 2G)3MOS3 empirical model(SPICE 2G)4Grove-Frohman:LEVEL 2 model derived
17、 from SPICE 2E.38advanced LEVEL 2 model13BSIM model15user-defined model based on LEVEL 328BSIM derivative;Avant!proprietary model39BSIM247BSIM3 Version 2.049BSIM3 Version 3(Enhanced)50Philips MOS953BSIM3 Version 3(Berkeley)54UC Berkeley BSIM4 Model55EPFL-EKV Model Ver 2.6,R 11本章基本要求本章基本要求1.掌握掌握MOSFE
18、T电流公式及跨导公式。电流公式及跨导公式。2.掌握掌握MOSFET小信号等效电路。小信号等效电路。3.掌握掌握MOSFET的的二级效应。二级效应。4.掌握掌握MOS管的开关特性。管的开关特性。思考题思考题1.MOSFET的的I/V特性公式及跨导特性公式及跨导的概念，以及如何使用的概念，以及如何使用MOSFET设计一个压控电阻。设计一个压控电阻。2.MOSFET的二级效应有哪些？的二级效应有哪些？它们分别是由什么原因造成的？它们分别是由什么原因造成的？3.器件模型的描述方法器件模型的描述方法思考题思考题2（选）（选）1.MOSFET的小信号模型与等效的小信号模型与等效电阻的计算（例题电阻的计算（例题PPT27与与PPT29）2.HSPICE模型中各参数含义（模型中各参数含义（PPT42）
