1、集成电路原理与设计MOS器件2MOSnMOS器件器件nM：metalnO：oxidenS：semiconductorDSGBSDG多晶硅有源区金属WLSiO2SiO2n+n+SDLp-SitoxxjGMOS等效电路等效电路n压控电流源压控电流源n漏电流：栅漏电流：栅压，漏压，压，漏压，衬底偏压衬底偏压3RSSCGBCGBCCCGSGSDBjISBSBCCCIDBDBRDGDGDjIGDDSGBCMOS数字电路4VGS VTRonSDA Switch!|VGS|An MOS Transistor5MOSFET的输入特性曲线的输入特性曲线n开关特性开关特性n当当控制电压控制电压高于高于阈值电阈值电
2、压压，开关，开关闭闭合，低于合，低于阈阈值电压，开值电压，开关断开关断开DSGB6MOSFET输出特性曲线输出特性曲线 电压控制电流源电压控制电流源 非线性电阻非线性电阻VGS VTRonSDDSGBMOS电路7VDDCLt=0VinVout=VDDVin=0VDD(1)物理思想：瞬态过程，通过物理思想：瞬态过程，通过PMOS对对Vout节点节点电容充电电容充电(2)IDP随输出变化随输出变化 Vout|VTP|,PMOS线性线性8RC 网络voutvCR电路的延迟时间电路的延迟时间9MOS器件器件3.1.1 MOS晶体管阈值电压晶体管阈值电压3.1.2 MOS晶体管电流方程晶体管电流方程3.
3、2.1 MOS晶体管的亚阈值电流晶体管的亚阈值电流3.2.2 MOS晶体管的瞬态特性晶体管的瞬态特性3.2.3 MOS器件模型器件模型MOS晶体管阈值电压分析阈值电压的定义：阈值电压的定义：使源端半导体表面达到强反型的使源端半导体表面达到强反型的栅压栅压，是区分是区分MOS器件导通和截止的分界点。器件导通和截止的分界点。11NMOS开关模型开关模型GateSource(of carriers)Drain(of carriers)|VGS|VGS|VT|Open(off)(Gate=0)Closed(on)(Gate=1)Ron12阈值电压SDp substrateBG VGS+-n+n+dep
4、letion regionn channel半导体表面达到强反型的半导体表面达到强反型的栅压栅压-VT131、阈值电压公式、阈值电压公式(假设假设NMOS源端和衬底接地源端和衬底接地)VFB对应半导体平带电压对应半导体平带电压Vox对应栅氧化层上的压降对应栅氧化层上的压降 对应半导体表面耗尽层上的压降对应半导体表面耗尽层上的压降soxFBTVVVsDSGB14体效应：对阈值电压的影响体效应：对阈值电压的影响BSFBTVVVFF22oxACqNSi02n假设衬底和假设衬底和源端等电位源端等电位n如果衬底和如果衬底和源端之间有源端之间有电压，阈值电压，阈值电压会发生电压会发生变化，也称变化，也称为
5、为衬偏效应衬偏效应15衬底偏压衬底偏压VBS对阈值影响对阈值影响nNMOS器件一般加负的衬底偏压，即器件一般加负的衬底偏压，即VBS 0（VG-VT-VD）0（VG-VT-VS）0（VG-VT-VD）0（VG-VT-VD）0（VG-VT-VS）0（VG-VT-VD）032长沟道长沟道MOS器件模型器件模型3.1.1 MOS晶体管阈值电压分析晶体管阈值电压分析3.1.2 MOS晶体管电流方程晶体管电流方程3.2.1 MOS晶体管的亚阈值电流晶体管的亚阈值电流3.2.2 MOS晶体管的瞬态特性晶体管的瞬态特性3.2.3 MOS器件模型器件模型33NMOS开关模型开关模型GateSource(of
6、carriers)Drain(of carriers)|VGS|VGS|VT|Open(off)(Gate=0)Closed(on)(Gate=1)Ron34亚阈值区电流亚阈值区电流亚阈值区亚阈值区2FsFMOS表面弱反型表面弱反型35亚阈值电流特性亚阈值电流特性n亚阈电流以载亚阈电流以载流子的扩散运流子的扩散运动为主动为主n弱反型的弱反型的MOS表面相表面相当于一个双极当于一个双极晶体管晶体管36亚阈值电流亚阈值电流00exp1 expexpGSTGSTDSDtttVVVVVIIIVnVnVn亚阈电流随着栅压指数变化亚阈电流随着栅压指数变化n当漏压大于当漏压大于3Vt的时候，亚阈电流基本与漏
7、的时候，亚阈电流基本与漏压无关压无关n亚阈电流同温度强烈相关亚阈电流同温度强烈相关37亚阈值电流亚阈值电流00exp1 expexpGSTGSTDSDtttVVVVVIIIVnVnV38亚阈值斜率亚阈值斜率tTGSDnVVVIIexp0tDGSDGSnVIddVIddVS)10(lnln10lnlgoxDtoxDCCVSCCn110ln1n也称为亚阈摆幅（也称为亚阈摆幅（slew）39 温度对亚阈值斜率的温度对亚阈值斜率的影响影响oxDtoxDCCVSCCn110ln1温度对亚阈值斜率温度对亚阈值斜率的影响的影响n体硅的亚阈值斜率一般体硅的亚阈值斜率一般不小于不小于90mv/decnSOI器件
8、的亚阈值斜率器件的亚阈值斜率可以接近理论极限值可以接近理论极限值60mv/decnSOI器件有更好的亚阈器件有更好的亚阈值特性值特性40oxDtoxDCCVSCCn110ln141阈值电压对截止态电流的影响阈值电压对截止态电流的影响tTGSDnVVVIIexp042The Power CrisistTGSDnVVVIIexp043低功耗工艺低功耗工艺800.25 V13,000920/4000.08 m 24 1.2 VCL013 HS520.29 V1,800860/3700.11 m 29 1.5 VCL015 HS42 42 42 42 Tox(effective)43142230FET Perf.(GHz)0.40 V0.73 V0.63 V0.42 VVTn3000.151.6020Ioff(leakage)(A/m)780/360320/130500/180600/260IDSat(n/p)(A/m)0.13 m 0.18 m 0.16 m 0.16 m Lgate2 V1.8 V1.8 V1.8 VVddCL018 HSCL018 ULPCL018 LPCL018 GFrom MPR,2000本节总结nMOS阈值电压阈值电压nMOS导通电流导通电流n亚阈电流亚阈电流44
