5-MOS場效應(yīng)管的特性ppt課件

1、集成電路設(shè)計基礎(chǔ)集成電路設(shè)計基礎(chǔ)第五章第五章 MOS 場效應(yīng)管的特性場效應(yīng)管的特性廣州集成電路設(shè)計中心廣州集成電路設(shè)計中心殷瑞祥殷瑞祥 教授教授2第五章第五章 MOS 場效應(yīng)管的特性場效應(yīng)管的特性5.1 MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管 5.2 MOS管的閾值電壓管的閾值電壓5.3 體效應(yīng)體效應(yīng) 5.4 MOSFET的溫度特性的溫度特性 5.5 MOSFET的噪聲的噪聲5.6 MOSFET尺寸按比例縮小尺寸按比例縮小5.7 MOS器件的二階效應(yīng)器件的二階效應(yīng)35.1 MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管5.1.1 MOS管伏安特性的推導(dǎo)管伏安特性的推導(dǎo)兩個兩個PN結(jié)結(jié)： 1）N型漏極與型漏極與P型襯底；型襯底； 2）

2、N型源極與型源極與P型襯底。型襯底。 同雙極型晶體管中的同雙極型晶體管中的PN 結(jié)結(jié) 一樣，一樣， 在結(jié)周圍由于載流在結(jié)周圍由于載流 子的擴散、漂移達到動態(tài)平子的擴散、漂移達到動態(tài)平 衡，而產(chǎn)生了耗盡層。衡，而產(chǎn)生了耗盡層。一個電容器結(jié)構(gòu)一個電容器結(jié)構(gòu) 柵極與柵極下面區(qū)域形成一個電容器，是柵極與柵極下面區(qū)域形成一個電容器，是MOS管的核心。管的核心。4MOSFET的三個基本幾何參數(shù)的三個基本幾何參數(shù)柵長柵長:L柵寬柵寬:W氧化層厚度氧化層厚度: toxtoxSDn(p)poly-Sidiffusionp+/n+p+/n+WGL5MOSFET的三個基本幾何參數(shù)的三個基本幾何參數(shù)Lmin、 Wmi

3、n和和 tox 由工藝確定由工藝確定Lmin： MOS工藝的特征尺寸工藝的特征尺寸(feature size) 決定決定MOSFET的速度的速度和和功耗等眾多特性功耗等眾多特性L和和W由設(shè)計者選定由設(shè)計者選定通常通常選取選取L= Lmin，由此，由此，設(shè)計者設(shè)計者只需選取只需選取WW影響影響MOSFET的速度的速度，決定電路驅(qū)動能力和決定電路驅(qū)動能力和功耗功耗6MOSFET的伏安特性的伏安特性:電容結(jié)構(gòu)電容結(jié)構(gòu)當柵極不加電壓或加負電壓時，柵極下面的區(qū)域保持當柵極不加電壓或加負電壓時，柵極下面的區(qū)域保持P型導(dǎo)電類型，漏和源之型導(dǎo)電類型，漏和源之間等效于一對背靠背的二極管，當漏源電極之間加上電壓時

4、，除了間等效于一對背靠背的二極管，當漏源電極之間加上電壓時，除了PN結(jié)的漏電結(jié)的漏電流之外，不會有更多電流形成。流之外，不會有更多電流形成。當柵極上的正電壓不斷升高時，當柵極上的正電壓不斷升高時，P型區(qū)內(nèi)的空穴被不斷地排斥到襯底方向。當型區(qū)內(nèi)的空穴被不斷地排斥到襯底方向。當柵極上的電壓超過閾值電壓柵極上的電壓超過閾值電壓VT，在柵極下的在柵極下的P型區(qū)域內(nèi)就形成電子分布，建立型區(qū)域內(nèi)就形成電子分布，建立起反型層，即起反型層，即N型層，把同為型層，把同為N型的源、漏擴散區(qū)連成一體，形成從漏極到源極型的源、漏擴散區(qū)連成一體，形成從漏極到源極的導(dǎo)電溝道。這時，柵極電壓所感應(yīng)的電荷的導(dǎo)電溝道。這時，柵

5、極電壓所感應(yīng)的電荷Q為，為， Q=CVge式中式中Vge是柵極有效控制電壓。是柵極有效控制電壓。7非飽和時（溝道未夾斷），在漏源電壓非飽和時（溝道未夾斷），在漏源電壓Vds作用下，這些電荷作用下，這些電荷Q將在將在 時間內(nèi)時間內(nèi)通過溝道，因此有通過溝道，因此有dsdsVLELL 2 為載流子速度，為載流子速度，Eds= Vds/L為漏到源方向電場強度，為漏到源方向電場強度，Vds為漏到源電壓。為漏到源電壓。 為為載流子載流子遷移率：遷移率：n n = 650 cm2/(V.s) 電子遷移率電子遷移率(NMOS)n p = 240 cm2/(V.s) 空穴遷移率空穴遷移率(PMOS)電荷在溝道中

6、的渡越時間電荷在溝道中的渡越時間8MOSFET的伏安特性方程的伏安特性方程非飽和情況下，通過非飽和情況下，通過MOS管漏源間的電流管漏源間的電流Ids為：為：2221()2 1 1 22geoxoxdsgedsgsTdsdsoxoxdsoxgsTdsdsoxgegsTdsCVWLQWIV VVVVVLtLtLVWVVVVLVVVtV = . 0 柵極柵極-溝道間氧化層介電常數(shù)溝道間氧化層介電常數(shù), = 4.5, 0 = 0.88541851.10-11 C.V-1.m-1Vge：柵級對襯底的有效控制電壓柵級對襯底的有效控制電壓9當當Vgs-VT=Vds時，滿足時，滿足:Ids達到最大值達到最大

7、值Idsmax，其值為，其值為 Vgs-VT=Vds，意味著近漏端的柵極有效控制電壓意味著近漏端的柵極有效控制電壓Vge=Vgs-VT-Vds=Vgs-Vds-VT = Vgd-VT =0感應(yīng)電荷為感應(yīng)電荷為0，溝道夾斷，電流不會再增大，因而，這個，溝道夾斷，電流不會再增大，因而，這個 Idsmax 就是飽和電流。就是飽和電流。0dsdsdVdI2Tgsoxoxdsmax21VVLWtIMOSFET飽和特性飽和特性10MOSFET特性曲線特性曲線在非飽和區(qū)在非飽和區(qū) 飽和區(qū)飽和區(qū) (Ids 與與 Vds無關(guān)無關(guān)) . MOSFET是平方律器件是平方律器件!IdsVds0線性區(qū)飽和區(qū)擊穿區(qū)11b

8、VaIgsCVdsds22TgsdsVVaI212oxdsgsTdsdsoxWIVVVVtL 2oxdsgsTox12WIVVtL 115.1.2 MOSFET電容的組成電容的組成MOSMOS電容是一個相當復(fù)雜的電容，有多層介質(zhì)：電容是一個相當復(fù)雜的電容，有多層介質(zhì)： 在柵極電極下面有一層在柵極電極下面有一層SiOSiO2 2介質(zhì)。介質(zhì)。SiOSiO2 2下面是下面是P P型襯底，最后是襯底電極，同襯底型襯底，最后是襯底電極，同襯底之間是歐姆接觸。之間是歐姆接觸。 MOSMOS電容與外加電壓有關(guān)。電容與外加電壓有關(guān)。1）當當V Vgsgs00時，柵極上的正電荷排斥了時，柵極上的正電荷排斥了Si

9、中的空穴，在柵極下面的中的空穴，在柵極下面的Si表面上，形表面上，形成了一個耗盡區(qū)。成了一個耗盡區(qū)。 耗盡區(qū)中沒有可以自由活動的載流子，只有空穴被趕走后剩下的固定的負電荷。耗盡區(qū)中沒有可以自由活動的載流子，只有空穴被趕走后剩下的固定的負電荷。這些束縛電荷是分布在厚度為這些束縛電荷是分布在厚度為Xp的整個耗盡區(qū)內(nèi)，而柵極上的正電荷則集中的整個耗盡區(qū)內(nèi)，而柵極上的正電荷則集中在柵極表面。這說明了在柵極表面。這說明了MOS電容器可以看成兩個電容器的串聯(lián)。電容器可以看成兩個電容器的串聯(lián)。l 以以SiO2為介質(zhì)的電容器為介質(zhì)的電容器Coxl 以耗盡層為介質(zhì)的電容器以耗盡層為介質(zhì)的電容器CSi 總電容總電

10、容C為為: 比原來的比原來的Cox要小些。要小些。111SioxCCC13MOS電容電容束縛電荷層厚度束縛電荷層厚度耗盡層電容的計算方法同耗盡層電容的計算方法同PN結(jié)的耗盡層電容的計算方法相同，利用泊松公式結(jié)的耗盡層電容的計算方法相同，利用泊松公式式中式中NA是是P型襯底中的摻雜濃度，將上式積分得耗盡區(qū)上的電位差型襯底中的摻雜濃度，將上式積分得耗盡區(qū)上的電位差 ：從而得出從而得出束縛電荷層厚度束縛電荷層厚度ASiSiqN1 1221pSiAASiXqNdxdxqNASipNqX214MOS電容電容 耗盡層電容耗盡層電容是一個非線性電容，隨電位差的增大而減小。是一個非線性電容，隨電位差的增大而減

11、小。ASiASiApAqNWLNqWLNWLXqNQ22q 221221ASiASiSiqNWLqNWLdvdQC在耗盡層中束縛電荷的總量為在耗盡層中束縛電荷的總量為是耗盡層兩側(cè)電位差是耗盡層兩側(cè)電位差 的函數(shù)，耗盡層電容為的函數(shù)，耗盡層電容為15MOS電容電容耗盡層電容特性耗盡層電容特性隨著隨著Vgs的增大，排斥掉更多的空穴，耗盡層厚度的增大，排斥掉更多的空穴，耗盡層厚度Xp增大，耗盡層上的電壓降增大，耗盡層上的電壓降 就增大，因而耗盡層電容就增大，因而耗盡層電容CSi就減小。耗盡層上的電壓降的增大，實際上就意味就減小。耗盡層上的電壓降的增大，實際上就意味著著Si表面電位勢壘的下降，意味著表

12、面電位勢壘的下降，意味著Si表面能級的下降。表面能級的下降。一旦一旦Si表面能級下降到表面能級下降到P型襯底的費米能級，型襯底的費米能級，Si表面的半導(dǎo)體呈中性。這時，在表面的半導(dǎo)體呈中性。這時，在Si表面，電子濃度與空穴濃度相等，成為本征半導(dǎo)體。表面，電子濃度與空穴濃度相等，成為本征半導(dǎo)體。16MOS電容電容耗盡層電容特性耗盡層電容特性(續(xù)續(xù))3）若）若Vgs再增大，排斥掉更多的空穴，吸引了更多的電子，使得再增大，排斥掉更多的空穴，吸引了更多的電子，使得Si表面電位下降，能表面電位下降，能級下降，達到低于級下降，達到低于P型襯底的費米能級。這時，型襯底的費米能級。這時，Si表面的電子濃度超過

13、了空穴的濃表面的電子濃度超過了空穴的濃度，半導(dǎo)體呈度，半導(dǎo)體呈N型，這就是反型層。不過，它只是一種弱反型層。因為這時電子型，這就是反型層。不過，它只是一種弱反型層。因為這時電子的濃度還低于原來空穴的濃度。的濃度還低于原來空穴的濃度。 隨著反型層的形成，來自柵極正電荷發(fā)出的電力線，已部分地落在這些電子隨著反型層的形成，來自柵極正電荷發(fā)出的電力線，已部分地落在這些電子上，耗盡層厚度的增加就減慢了，相應(yīng)的上，耗盡層厚度的增加就減慢了，相應(yīng)的MOS電容電容CSi的減小也減慢了。的減小也減慢了。174） 當當Vgs增加，達到增加，達到VT值，值，Si表面電位的下降，能級下降已達到表面電位的下降，能級下降

14、已達到P型襯底的費米能型襯底的費米能級與本征半導(dǎo)體能級差的二倍。它不僅抵消了空穴，成為本征半導(dǎo)體，而且在級與本征半導(dǎo)體能級差的二倍。它不僅抵消了空穴，成為本征半導(dǎo)體，而且在形成的反型層中，電子濃度已達到原先的空穴濃度這樣的反型層就是強反型層。形成的反型層中，電子濃度已達到原先的空穴濃度這樣的反型層就是強反型層。顯然，耗盡層厚度不再增加，顯然，耗盡層厚度不再增加，CSi也不再減小。這樣，也不再減小。這樣， 就達到最小值就達到最小值Cmin。 最小的最小的CSi是由最大的耗盡層厚度是由最大的耗盡層厚度Xpmax計算出來的。計算出來的。oxSioxSiCCCCCMOS電容電容耗盡層電容特性耗盡層電容

15、特性(續(xù)續(xù))18MOS電容電容凹谷特性凹谷特性5）當）當Vgs繼續(xù)增大，反型層中電子的濃度增加，來自柵極正電荷的電力線，部分落繼續(xù)增大，反型層中電子的濃度增加，來自柵極正電荷的電力線，部分落在這些電子上，落在耗盡層束縛電子上的電力線數(shù)目就有所減少。耗盡層電容將在這些電子上，落在耗盡層束縛電子上的電力線數(shù)目就有所減少。耗盡層電容將增大。兩個電容串聯(lián)后，增大。兩個電容串聯(lián)后，C將增加。當將增加。當Vgs足夠大時，反型層中的電子濃度已大到足夠大時，反型層中的電子濃度已大到能起到屏蔽作用，全部的電力線落在電子上。這時，反型層中的電子將成為一種能起到屏蔽作用，全部的電力線落在電子上。這時，反型層中的電子

16、將成為一種鏡面反射，感應(yīng)全部負電荷，于是，鏡面反射，感應(yīng)全部負電荷，于是，C = Cox 。電容曲線出現(xiàn)了凹谷形，如圖電容曲線出現(xiàn)了凹谷形，如圖6.2 。 必須指出，上述討論未考慮到反型層中的電子是哪里來的。若該必須指出，上述討論未考慮到反型層中的電子是哪里來的。若該MOS電容是電容是一個孤立的電容，這些電子只能依靠共價鍵的分解來提供，它是一個慢過程，一個孤立的電容，這些電子只能依靠共價鍵的分解來提供，它是一個慢過程，ms級。級。19MOS電容電容凹谷特性測量凹谷特性測量若測量電容的方法是逐點測量法若測量電容的方法是逐點測量法一種慢進程，那么將測量到這種凹谷曲線。一種慢進程，那么將測量到這種凹

17、谷曲線。 20MOS電容電容凹谷特性測量凹谷特性測量若測量電容采用高頻方法，譬如，掃頻方法，電壓變化很快。共價鍵就來不及瓦若測量電容采用高頻方法，譬如，掃頻方法，電壓變化很快。共價鍵就來不及瓦解，反型層就無法及時形成，于是，電容曲線就回到解，反型層就無法及時形成，于是，電容曲線就回到Cox值。值。然而，在大部分場合，然而，在大部分場合，MOS電容與電容與n+區(qū)接在一起，有大量的電子來源，反型層可區(qū)接在一起，有大量的電子來源，反型層可以很快形成，故不論測量頻率多高，電壓變化多快，電容曲線都呈凹谷形。以很快形成，故不論測量頻率多高，電壓變化多快，電容曲線都呈凹谷形。215.1.3 MOS電容電容的

18、計算的計算MOS電容電容C僅僅是柵極對襯底的電容，不是外電路中可以觀察的電容僅僅是柵極對襯底的電容，不是外電路中可以觀察的電容Cg， Cs 和和Cd。MOS電容電容C對對Cg，Cd有所貢獻。在源極和襯底之間有結(jié)電容有所貢獻。在源極和襯底之間有結(jié)電容Csb，在漏極和襯底之間也在漏極和襯底之間也有結(jié)電容有結(jié)電容Cdb。 另外，源極耗盡區(qū)、漏極另外，源極耗盡區(qū)、漏極耗盡區(qū)都滲進到柵極下面的耗盡區(qū)都滲進到柵極下面的區(qū)域。柵極與漏極擴散區(qū)，區(qū)域。柵極與漏極擴散區(qū)，柵極與源極擴散區(qū)都存在著柵極與源極擴散區(qū)都存在著某些交迭，故客觀上存在著某些交迭，故客觀上存在著Cgs和和Cgd。當然，引出線之當然，引出線之

19、間還有雜散電容，可以計入間還有雜散電容，可以計入Cgs和和Cgd。22MOS電容的計算電容的計算Cg、Cd的值還與所加的電壓有關(guān)的值還與所加的電壓有關(guān):1）若）若VgsVT，溝道建立，溝道建立，MOS管導(dǎo)通。管導(dǎo)通。MOS電容是變化的，呈凹谷狀，從電容是變化的，呈凹谷狀，從Cox下降到最低點，又回到下降到最低點，又回到Cox。這時，這時，MOS電容電容C對對Cg，Cd都有貢獻，它們的都有貢獻，它們的分配取決于分配取決于MOS管的工作狀態(tài)。管的工作狀態(tài)。23MOS電容的計算電容的計算若處于非飽和狀態(tài)，則按若處于非飽和狀態(tài)，則按1/3與與2/3分配，即分配，即Cg = Cgs + 2/3CCd =

20、 Cdb +1/3C 因為在非飽和狀態(tài)下，與柵極電荷成比例的溝道電流為因為在非飽和狀態(tài)下，與柵極電荷成比例的溝道電流為 由由Vgs和和Vds的系數(shù)可知柵極電壓的系數(shù)可知柵極電壓Vgs對柵極電荷的影響力，與漏極電壓對柵極電荷的影響力，與漏極電壓Vds對對柵極電荷的影響力為柵極電荷的影響力為2:1的關(guān)系，故貢獻將分別為的關(guān)系，故貢獻將分別為 2/3與與1/3 。dsdsTgsoxdsVVVVLWtI2124MOS電容的計算電容的計算(續(xù)續(xù))2ds21TgsoxVVLWtI2ds21TgsoxVVLLWtIn 若處于飽和狀態(tài)，則若處于飽和狀態(tài)，則表明溝道電荷已與表明溝道電荷已與Vds無關(guān)，溝道已夾斷

21、。那么，無關(guān)，溝道已夾斷。那么，在飽和狀態(tài)下，溝道長度受到在飽和狀態(tài)下，溝道長度受到Vds的調(diào)制，有效溝道長度的調(diào)制，有效溝道長度L-L變小變小25MOS電容的計算電容的計算(續(xù)續(xù)) 當當Vds增加時，漏端夾斷區(qū)耗盡層長度增加時，漏端夾斷區(qū)耗盡層長度L 增大，增大，Ids增加，那是因為載流子速度增增加，那是因為載流子速度增加了，它與加了，它與C的分配無關(guān)。然而，的分配無關(guān)。然而，L 的增大使得漏極耗盡層寬度有所增加，增大了的增大使得漏極耗盡層寬度有所增加，增大了結(jié)電容。故，結(jié)電容。故， Cg = Cgs + 2/3C Cd = Cdb + 0 + Cdb26Cap.N+Act.P+Act.Po

22、lyM1M2M3UnitsArea (sub.)5269378325108aF/um2Area (poly)541811aF/um2Area (M1)46 17aF/um2Area (M2)49aF/um2Area (N+act.)3599aF/um2Area (P+act.)3415aF/um2Fringe (sub.)249261aF/um深亞微米深亞微米CMOS IC工藝的寄生電容工藝的寄生電容(數(shù)據(jù)數(shù)據(jù))27PolyPolyElectrodeMetal1Metal2PolyP+P+P+N+N+Metal3N_wellSUB88013832213109514503452648159864

23、463614308363214086734123517383929625762Cross view of parasitic capacitor of TSMC_0.35um CMOS technology深亞微米深亞微米CMOS IC工藝的寄生電容工藝的寄生電容285.2 MOSFET的閾值電壓的閾值電壓VT閾值電壓是閾值電壓是MOS器件的一個重要參數(shù)。按器件的一個重要參數(shù)。按MOS溝道隨柵壓正向和負向增加而形成或溝道隨柵壓正向和負向增加而形成或消失的機理，存在著兩種類型的消失的機理，存在著兩種類型的MOS器件：器件：l 耗盡型耗盡型(Depletion)：溝道在溝道在Vgs=0時已經(jīng)存在。

24、當時已經(jīng)存在。當Vgs“負負”到一定程度時截止。到一定程度時截止。一般情況，這類器件用作負載。一般情況，這類器件用作負載。l 增強型增強型(Enhancement)：在正常情況下它是截止的，只有當在正常情況下它是截止的，只有當Vgs“正正”到一定程度，到一定程度，才會導(dǎo)通，故用作開關(guān)。才會導(dǎo)通，故用作開關(guān)。29=概念上講概念上講, VT就是將柵極下面的就是將柵極下面的Si表面從表面從P型型Si變?yōu)樽優(yōu)镹型型Si所必要的電壓。所必要的電壓。 它它由兩個分量組成由兩個分量組成, 即即: VT= Us+ Vox= Us : Si表面電位表面電位; = Vox: SiO2層上的壓降。層上的壓降。VT的

25、組成的組成30Us 的計算的計算將柵極下面的將柵極下面的Si表面從表面從P/N型型Si變?yōu)樽優(yōu)镹/P型型Si所必要的電壓所必要的電壓Us 與襯底濃度與襯底濃度Na有關(guān)。有關(guān)。在半導(dǎo)體理論中，在半導(dǎo)體理論中，P型半導(dǎo)體的費米能級是靠近滿帶的，而型半導(dǎo)體的費米能級是靠近滿帶的，而N型半導(dǎo)體的費米能型半導(dǎo)體的費米能級則是靠近導(dǎo)帶的。要想把級則是靠近導(dǎo)帶的。要想把P型變?yōu)樾妥優(yōu)镹型，外加電壓必須補償這兩個費米能級之型，外加電壓必須補償這兩個費米能級之差。差。iabpSnNqkTqUln2231Vox的計算的計算Vox根據(jù)根據(jù)從金屬到氧化物到從金屬到氧化物到SiSi襯底襯底XmXm處的處的電場分布曲線導(dǎo)

26、出電場分布曲線導(dǎo)出:aiaSioxaNqnNkTCqNV2ox/ln40XMOS-toxXmEoxE0ExmE(X)32aiaSioxaiaoxsTNqnNkTCqNnNqkTVUV2/ln4ln2在工藝環(huán)境確定后，在工藝環(huán)境確定后，MOS管的閾值電壓管的閾值電壓VT主要決定主要決定 1. 襯底的摻雜濃度襯底的摻雜濃度Na。 2. CoxVT的理想計算公式的理想計算公式oxoxoxoxoxtWLtWLC335.3 MOSFET的體效應(yīng)的體效應(yīng)前面的推導(dǎo)都假設(shè)源極和襯底都接地，認為前面的推導(dǎo)都假設(shè)源極和襯底都接地，認為Vgs是加在柵極與襯底之間的。實際上，在許多是加在柵極與襯底之間的。實際上，在

27、許多場合，源極與襯底并不連接在一起。通常，襯場合，源極與襯底并不連接在一起。通常，襯底是接地的，但源極未必接地底是接地的，但源極未必接地, 源極不接地時對源極不接地時對VT值的影響稱為體效應(yīng)值的影響稱為體效應(yīng)(Body Effect)。34閾值電壓隨源極閾值電壓隨源極-襯底電壓的變化襯底電壓的變化某一某一CMOS工藝條件下，工藝條件下，NMOS閾值閾值電壓隨源極電壓隨源極-襯底電壓的變化曲線襯底電壓的變化曲線35MOSFET的溫度特性主要來源于溝道中載流子的遷移率的溫度特性主要來源于溝道中載流子的遷移率 和閾值電壓和閾值電壓VT隨溫度的隨溫度的變化。載流子的遷移率隨溫度變化的基本特征是：變化。

28、載流子的遷移率隨溫度變化的基本特征是： T 由于由于 所以，所以，T gm 閾值電壓閾值電壓VT的絕對值同樣是隨溫度的升高而減?。旱慕^對值同樣是隨溫度的升高而減?。篢 VTVT(T) (2 4) mV/C VT 的變化的變化還還與襯底的雜質(zhì)濃度與襯底的雜質(zhì)濃度Ni和氧化層的厚和氧化層的厚 度度tox有關(guān)：有關(guān)： (Ni , tox ) VT(T) Tgsoxm VVLWtg5.4 MOSFET的溫度特性的溫度特性36MOSFET的噪聲來源主要由兩部分：的噪聲來源主要由兩部分：n 熱噪聲熱噪聲(thermal noise)n 閃爍噪聲閃爍噪聲(flicker noise，1/f-noise) 5

29、.5 MOSFET的噪聲的噪聲37fgTvm2eg32DSoxm2ILtWg2eg vW2eg vIds熱噪聲熱噪聲n 是由溝道內(nèi)載流子的無規(guī)則熱運動造成是由溝道內(nèi)載流子的無規(guī)則熱運動造成 的，通過溝道電阻生成熱噪聲電壓的，通過溝道電阻生成熱噪聲電壓 veg(T，t)，其等效電壓值可近似表達為其等效電壓值可近似表達為 f為所研究的頻帶寬度為所研究的頻帶寬度, T是絕對溫度是絕對溫度.n 設(shè)設(shè)MOS模擬電路工作在飽和區(qū)模擬電路工作在飽和區(qū), gm可寫為可寫為結(jié)論：結(jié)論：增加增加MOS的柵寬和偏置電流，可減小器件的熱噪聲的柵寬和偏置電流，可減小器件的熱噪聲38ffWLtKvf1ox22/1閃爍噪聲

30、閃爍噪聲(flicker noise，1/f -noise) 形成機理：形成機理：溝溝道處道處SiO2與與Si界面上電子的充放電界面上電子的充放電閃爍噪聲的等效電壓值閃爍噪聲的等效電壓值系數(shù)系數(shù)K2典型值為典型值為3 1024V2F/Hz。因為因為 1，所以閃爍噪聲被稱之為，所以閃爍噪聲被稱之為1/f 噪聲噪聲。1)時時, 電路指標變化電路指標變化:51MOSFET特征尺寸按特征尺寸按 ( 1)縮減的優(yōu)點縮減的優(yōu)點 電路密度增加電路密度增加 2倍倍 VLSI, ULSI 功耗降低功耗降低 2倍倍 器件時延降低器件時延降低 倍倍 器件速率提高器件速率提高 倍倍 線路上的延遲不變線路上的延遲不變

31、優(yōu)值增加優(yōu)值增加 2倍倍 這就是為什么人們把這就是為什么人們把MOS工藝的特征尺寸做得一小再小，使得工藝的特征尺寸做得一小再小，使得MOS電路規(guī)模越電路規(guī)模越來越大，來越大，MOS電路速率越來越高的重要原因。電路速率越來越高的重要原因。525.7 MOS器件的二階效應(yīng)器件的二階效應(yīng)隨著隨著MOS工藝向著亞微米、深亞微米的方向發(fā)展，采用簡化的、只考慮一階效應(yīng)的工藝向著亞微米、深亞微米的方向發(fā)展，采用簡化的、只考慮一階效應(yīng)的MOS器件模型來進行電路模擬，已經(jīng)不能滿足精度要求。此時必須考慮二階效應(yīng)。器件模型來進行電路模擬，已經(jīng)不能滿足精度要求。此時必須考慮二階效應(yīng)。二階效應(yīng)出于兩種原因：二階效應(yīng)出于

32、兩種原因：1) 當器件尺寸縮小時，電源電壓還得保持為當器件尺寸縮小時，電源電壓還得保持為5V，于是，平均電場強度增加了，引于是，平均電場強度增加了，引起了許多二次效應(yīng)。起了許多二次效應(yīng)。2) 當管子尺寸很小時，這些小管子的邊緣相互靠在一起，產(chǎn)生了非理想電場，也嚴當管子尺寸很小時，這些小管子的邊緣相互靠在一起，產(chǎn)生了非理想電場，也嚴重地影響了它們的特性。重地影響了它們的特性。下面具體討論二階效應(yīng)在各方面的表現(xiàn)。下面具體討論二階效應(yīng)在各方面的表現(xiàn)。535.7.1 L和和W的變化的變化在一階理論的設(shè)計方法中，總認為在一階理論的設(shè)計方法中，總認為L、W是同步縮減的，是可以嚴格控制的。是同步縮減的，是可

33、以嚴格控制的。事實并非如此，真正器件中的事實并非如此，真正器件中的L、W并不是原先版圖上所定義的并不是原先版圖上所定義的L、W。原因之一在原因之一在于制造誤差，如右圖所示；原因之二是于制造誤差，如右圖所示；原因之二是L、W定義本身就不確切，不符合實際情況。定義本身就不確切，不符合實際情況。54 L和和W的變化的變化(續(xù)續(xù)) 通常，在通常，在IC中各晶體管之間是由場氧化區(qū)（中各晶體管之間是由場氧化區(qū)（field oxide）來隔離的。在版圖中，凡來隔離的。在版圖中，凡是沒有管子的地方，一般都是場區(qū)。場是由一層很厚的是沒有管子的地方，一般都是場區(qū)。場是由一層很厚的SiO2形成的。多晶硅或鋁線在形成

34、的。多晶硅或鋁線在場氧化區(qū)上面穿過，會不會產(chǎn)生寄生場氧化區(qū)上面穿過，會不會產(chǎn)生寄生MOS管呢？不會的。因為管呢？不會的。因為MOS管的開啟電壓為管的開啟電壓為 對于對于IC中的中的MOS管，管，SiO2層很薄，層很薄，Cox較大，較大，VT較小。對于場區(qū)，較小。對于場區(qū)，SiO2層很厚，層很厚，Cox很小，電容上的壓降很大，使得這個場區(qū)的寄生很小，電容上的壓降很大，使得這個場區(qū)的寄生MOS管的開啟電壓遠遠大于電源管的開啟電壓遠遠大于電源電壓，即電壓，即VTFVDD。這里寄生的這里寄生的MOS管永遠不會打開，不能形成管永遠不會打開，不能形成MOS管。管。FPSaSioxFPFBTUqNCVV22

35、1255另外，人們又在氧化區(qū)的下面注入稱為場注入?yún)^(qū)（另外，人們又在氧化區(qū)的下面注入稱為場注入?yún)^(qū)（field implant）的的P+ 區(qū)區(qū)，如下如下圖所示。這樣，在氧化區(qū)下面襯底的圖所示。這樣，在氧化區(qū)下面襯底的 Na值值 較大，也提高了寄生較大，也提高了寄生 MOS 管的開啟電壓。管的開啟電壓。同時，這個注入?yún)^(qū)也用來控制表面的漏電流。如果沒有這個同時，這個注入?yún)^(qū)也用來控制表面的漏電流。如果沒有這個P+注入?yún)^(qū)，那么，兩個注入?yún)^(qū)，那么，兩個MOS管的耗盡區(qū)很靠近，漏電增大。由于管的耗盡區(qū)很靠近，漏電增大。由于P+是聯(lián)在襯底上的，處于最低電位，于是，是聯(lián)在襯底上的，處于最低電位，于是，反向結(jié)隔離性

36、能良好，漏電流大大減小。反向結(jié)隔離性能良好，漏電流大大減小。 結(jié)論結(jié)論: 所以，在實際情況中，需要一個很厚的氧化區(qū)和一個注入?yún)^(qū)，給工藝制造所以，在實際情況中，需要一個很厚的氧化區(qū)和一個注入?yún)^(qū)，給工藝制造帶來了新的問題。帶來了新的問題。場注入場注入L和和W的變化的變化(續(xù)續(xù))56L和和W的變化的變化(續(xù)續(xù)) 制造步驟：先用有源區(qū)的制造步驟：先用有源區(qū)的mask，在場區(qū)外生成一個氮化硅的斑區(qū)。然后，再以這在場區(qū)外生成一個氮化硅的斑區(qū)。然后，再以這個斑區(qū)作為個斑區(qū)作為implant mask，注入注入P+區(qū)。最后，以這個斑區(qū)為掩膜生成氧化區(qū)。然而，區(qū)。最后，以這個斑區(qū)為掩膜生成氧化區(qū)。然而，在氧化過

37、程中，氧氣會從斑區(qū)的邊沿處滲入，造成了氧化區(qū)具有鳥嘴形（在氧化過程中，氧氣會從斑區(qū)的邊沿處滲入，造成了氧化區(qū)具有鳥嘴形（bird beak）。）。Bird beak的形狀和大小與氧化工藝中的參數(shù)有關(guān)，但是有一點是肯定的，器件尺的形狀和大小與氧化工藝中的參數(shù)有關(guān)，但是有一點是肯定的，器件尺寸、有源區(qū)的邊沿更動了。器件的寬度不再是版圖上所畫的寸、有源區(qū)的邊沿更動了。器件的寬度不再是版圖上所畫的Wdrawn，而是而是W， W = Wdrawn 2 W式中式中 W就是就是bird beak侵入部分，其大小差不多等于氧化區(qū)厚度的數(shù)量級。當器侵入部分，其大小差不多等于氧化區(qū)厚度的數(shù)量級。當器件尺寸還不是很

38、小時，這個件尺寸還不是很小時，這個 W影響不大；當器件縮小后，這個影響不大；當器件縮小后，這個 W是可觀的，它影是可觀的，它影響了開啟電壓。響了開啟電壓。57L和和W的變化的變化(續(xù)續(xù))另一方面，注入?yún)^(qū)也有影響。由于另一方面，注入?yún)^(qū)也有影響。由于P+區(qū)是先做好的，后來在高溫氧化時，這個區(qū)是先做好的，后來在高溫氧化時，這個P+區(qū)區(qū)中的雜質(zhì)也擴散了，侵入到管子區(qū)域，改變了襯底的濃度中的雜質(zhì)也擴散了，侵入到管子區(qū)域，改變了襯底的濃度Na，影響了開啟電壓。影響了開啟電壓。同時，擴散電容也增大了，同時，擴散電容也增大了，N+區(qū)與區(qū)與P+區(qū)的擊穿電壓降低。另外，柵極長度區(qū)的擊穿電壓降低。另外，柵極長度L不

39、等于原不等于原先版圖上所繪制的先版圖上所繪制的Ldrawn，也減小了，如圖所示。也減小了，如圖所示。Ldrawn是圖上繪制的柵極長度。是圖上繪制的柵極長度。Lfinal是加工完后的實際柵極長度。是加工完后的實際柵極長度。Lfinal = Ldrawn 2 Lpoly58L和和W的變化的變化(續(xù)續(xù))= 尺寸縮小的原因是在蝕刻（尺寸縮小的原因是在蝕刻（etching）過程中，多晶硅（過程中，多晶硅（Ploy）被腐蝕掉了。被腐蝕掉了。= 另一方面，擴散區(qū)又延伸進去了，兩邊合起來延伸了另一方面，擴散區(qū)又延伸進去了，兩邊合起來延伸了2 Ldiff，故溝道長度僅故溝道長度僅僅是，僅是， L = Ldraw

40、n 2 Lpoly 2 Ldiff這這2 Ldiff是重疊區(qū)，也增加了結(jié)電容。是重疊區(qū)，也增加了結(jié)電容。 Cgs = W LdiffCox Cgd = W LdiffCox式中式中Cox是單位面積電容。是單位面積電容。595.7.2 遷移率的退化遷移率的退化 眾所周知，眾所周知，MOS管的電流與遷移率管的電流與遷移率 成正比。在設(shè)計器件或者計算成正比。在設(shè)計器件或者計算MOS管參數(shù)管參數(shù)時，常常假定時，常常假定 是常數(shù)。而實際上，是常數(shù)。而實際上， 并不是常數(shù)。從器件的外特性來看，至少有三并不是常數(shù)。從器件的外特性來看，至少有三個因素影響個因素影響 值，它們是：溫度值，它們是：溫度T，垂直電場

41、垂直電場Ev，水平電場水平電場Eh。1） 特征遷移率特征遷移率 0 0與制造工藝密切相關(guān)。它取決于表面電荷密度，襯底摻雜和晶片趨向。與制造工藝密切相關(guān)。它取決于表面電荷密度，襯底摻雜和晶片趨向。 0還還與溫度與溫度T有關(guān)，溫度升高時，有關(guān)，溫度升高時， 0就降低。如果從就降低。如果從25增加到增加到100， 0將下降一半。將下降一半。因而，在因而，在MOS管正常工作溫度范圍內(nèi)，要考慮管正常工作溫度范圍內(nèi)，要考慮 0是變化的。是變化的。60遷移率的退化（續(xù)）遷移率的退化（續(xù)）2） 遷移率遷移率 的退化的第二個原因：還有電場強度的退化的第二個原因：還有電場強度 通常，電場強度通常，電場強度E增加時

42、，增加時， 是減小的。然而，電場是減小的。然而，電場E有水平分量和垂直分量，因而有水平分量和垂直分量，因而 將隨將隨Ev，Eh而退化。而退化。通常，通常， 可以表示為，可以表示為， = 0(T)fv(Vg,Vs,Vd)fh(Vg,Vs,Vd)其中，其中， 0(T)是溫度的函數(shù)，是溫度的函數(shù)， 0(T) = kT M于是，于是， 在半導(dǎo)體在半導(dǎo)體Si內(nèi)，內(nèi)，M=1.5，這是這是Spice中所用的參數(shù)。但在反型層內(nèi)（中所用的參數(shù)。但在反型層內(nèi)（NMOS管），管），M=2，所以，一般認為，所以，一般認為，M值是處在值是處在1.5 2之間。之間。 0的典型值為，的典型值為，N溝道溝道MOS管，管， 0

43、=600cm2/V S；P溝道溝道MOS管，管， 0=250cm2/V S。式中式中fv是垂直電場的退化函數(shù)；是垂直電場的退化函數(shù)；fh是水是水平電場的退化函數(shù)。平電場的退化函數(shù)。 MTTTT12102061遷移率的退化（續(xù)）遷移率的退化（續(xù)） 水平電場對水平電場對 的影響，比垂直電場大得多。因為水平電場將加速載流子運動。的影響，比垂直電場大得多。因為水平電場將加速載流子運動。當載流子速度被加速到一個大的數(shù)值，水平速度會飽和。一般來講，當載流子速度被加速到一個大的數(shù)值，水平速度會飽和。一般來講，N型型Si的的 0遠大遠大于于P型型Si的的 0。然而，這兩種載流子的飽和速度是相同的。然而，這兩種

44、載流子的飽和速度是相同的。 對于一個高性能器件來說，載流子是以最高速度，即飽和速度通過溝道的。這對于一個高性能器件來說，載流子是以最高速度，即飽和速度通過溝道的。這時，時，P溝道管子的性能與溝道管子的性能與N溝道管子差不多相等。這并不是溝道管子差不多相等。這并不是P型器件得到改進，而是型器件得到改進，而是N型器件有所退化。型器件有所退化。cvvvccvvVVVVVVf對對 /1 Vc是臨界電壓，是臨界電壓，Vc= ctox， c是臨界電場，是臨界電場， c=2 105 V/cm 。垂直垂直 值退化大約為值退化大約為25% 50%。62遷移率的退化（續(xù)）遷移率的退化（續(xù)） 經(jīng)過長期研究，已經(jīng)確定

45、，在電場不強時，經(jīng)過長期研究，已經(jīng)確定，在電場不強時，N溝道的溝道的 確實比確實比P溝道的溝道的 大得多，大得多，約約2.5倍。但當電場增強時，這個差距就縮小，當電場強到一定程度，倍。但當電場增強時，這個差距就縮小，當電場強到一定程度，N管與管與P管達管達到同一飽和速度，得到同一個到同一飽和速度，得到同一個 值。它與摻雜幾乎無關(guān)。值。它與摻雜幾乎無關(guān)。635.7.3 溝道長度調(diào)制溝道長度調(diào)制DsatdsSiVVqN2簡化的簡化的MOS原理中，認為飽和后，電流不再增加。事實上，飽和區(qū)中，當原理中，認為飽和后，電流不再增加。事實上，飽和區(qū)中，當Vds增加時，增加時，Ids仍然增加的。仍然增加的。這是因為溝道兩端的耗盡區(qū)的寬度增加了