半導(dǎo)體器件物理-MOSFET4

1、西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué) XIDIDIAN UNIVERSITYXIDIDIAN UNIVERSITY第四章第四章 MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFETMOSFET頻率特性和頻率特性和CMOSCMOS開關(guān)開關(guān)2022-6-241場(chǎng)效應(yīng)器件物理場(chǎng)效應(yīng)器件物理4.2 MOSFET 本節(jié)內(nèi)容本節(jié)內(nèi)容p MOSFET等效電路等效電路p 頻率限制因素頻率限制因素p NMOS開關(guān)開關(guān)p CMOS電路電路2022-6-242022-6-2434.2 MOSFET 等效電路等效電路概述概述p等效電路是器件模型的一種形式，用于器件的仿真等效電路是器件模型的一種形式，用于器件的仿真p仿真：仿真

2、：利用電路仿真軟件利用電路仿真軟件圍繞圍繞器件建立電路的器件建立電路的IV關(guān)系關(guān)系，對(duì)電路進(jìn)行對(duì)電路進(jìn)行仿真仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證，仿真仿真是是一數(shù)學(xué)求解的過程一數(shù)學(xué)求解的過程u仿真時(shí)，無真正仿真時(shí)，無真正的的器件，元器件器件，元器件要用模型和模型參數(shù)來要用模型和模型參數(shù)來替代替代p模型：反映器件特性，可采用數(shù)學(xué)表達(dá)式、等效電路等形式模型：反映器件特性，可采用數(shù)學(xué)表達(dá)式、等效電路等形式u常用模型：等效電路常用模型：等效電路模型模型u模型參數(shù)：描述等效電路中各元件值所用的參數(shù)模型參數(shù)：描述等效電路中各元件值所用的參數(shù)。2022-6-2444.2 MOSFET MOSFETMOSFET等效電路：等效元器件

3、等效電路：等效元器件源極串聯(lián)電阻源極串聯(lián)電阻柵源交疊電容柵源交疊電容漏極串聯(lián)電阻漏極串聯(lián)電阻柵漏交疊電容柵漏交疊電容漏漏-襯底襯底pn結(jié)電容結(jié)電容柵源電容柵源電容柵漏電容柵漏電容跨導(dǎo)跨導(dǎo)寄生參數(shù)寄生參數(shù)本征參數(shù)本征參數(shù)pG-S：Cgs，Cgsp，rs；pG-D：Cgd，Cgdp ，rd；uCgs,Cgd: 體現(xiàn)了柵和源、漏體現(xiàn)了柵和源、漏附近的附近的溝道電荷間的相互作用溝道電荷間的相互作用線性區(qū)：線性區(qū)： Cgs Cgd (CoxWL)/2飽和區(qū)：飽和區(qū)： Cgd 0, Cgs2 (CoxWL)/3uCgsp,Cgdp:交疊電容交疊電容pD-S：gm ， Id gmVgsCds：漏：漏-襯底襯

4、底pn結(jié)電容結(jié)電容 （DB結(jié)勢(shì)壘電容結(jié)勢(shì)壘電容BS結(jié)勢(shì)壘電容）結(jié)勢(shì)壘電容）2022-6-2454.2 MOSFET 完整的小信號(hào)等效電路完整的小信號(hào)等效電路p 共源共源n溝溝MOSFET小信號(hào)等效電路（小信號(hào)等效電路（VBS=0）總的柵源電容總的柵源電容Cgs+Cgsp總的柵漏電容總的柵漏電容Cgd+Cgdprds：溝道電阻，：溝道電阻，溝道電導(dǎo)的倒數(shù)溝道電導(dǎo)的倒數(shù)4.2 MOSFET 模型參數(shù)模型參數(shù)p模型參數(shù)：描述等效電路中各元件值所用的參數(shù)。模型參數(shù)：描述等效電路中各元件值所用的參數(shù)。p與與IDS相關(guān)的模型參數(shù)：相關(guān)的模型參數(shù)：W，L，KP(ucox)，LAMBDAp與與VT相關(guān)的模型參

5、數(shù)：相關(guān)的模型參數(shù)：VT0，GAMMA， PHIp與柵相關(guān)的三個(gè)電容參數(shù)：與柵相關(guān)的三個(gè)電容參數(shù)：CGD，CGS，CGB2022-6-246）（DSTGSoxnsatDVVVLCWI1)(22)()(222DSDSTGSoxnDVVVVLCWI體效應(yīng)系數(shù)）（）（:22q222q222q2SS0fpfpafpafpaSBTSBoxmsfpoxssoxmsfpoxssoxSBTNVVVCNCQCNCQCVNV4.2 MOSFET 模型和模型參數(shù)特點(diǎn)模型和模型參數(shù)特點(diǎn)o隨著溝長(zhǎng)的縮短，短溝窄溝效應(yīng)凸現(xiàn)，隨著溝長(zhǎng)的縮短，短溝窄溝效應(yīng)凸現(xiàn)，IV公式和閾值電壓公式都需修公式和閾值電壓公式都需修正，模型的發(fā)

6、展級(jí)別特別多，模型也越來越復(fù)雜。正，模型的發(fā)展級(jí)別特別多，模型也越來越復(fù)雜。Berkly Short-channel IGET Model 2022-6-2472022-6-2484.2 MOSFET MOSFETMOSFET頻率限制頻率限制pMOSFET可作為放大器件，工作頻率能不能無限大？可作為放大器件，工作頻率能不能無限大？uMOSFET存在很多電容，包括本征電容和寄生電容存在很多電容，包括本征電容和寄生電容u輸入工作頻率不同，器件電容的容抗不同輸入工作頻率不同，器件電容的容抗不同u頻率太高，器件輸出可能無法響應(yīng)輸入的變化，器件的特性變頻率太高，器件輸出可能無法響應(yīng)輸入的變化，器件的特性

7、變差，甚至無法實(shí)現(xiàn)放大。差，甚至無法實(shí)現(xiàn)放大。2022-6-2494.2 MOSFET MOSFETMOSFET頻率限制因素頻率限制因素p限制因素限制因素2：柵電容充放電需要的時(shí)間：柵電容充放電需要的時(shí)間u截止頻率截止頻率fT：器件電流增益為：器件電流增益為1時(shí)的時(shí)的頻率頻率p限制因素限制因素1：溝道載流子的溝道渡越時(shí)間溝道載流子的溝道渡越時(shí)間m1設(shè)溝道長(zhǎng)度cm/s710飽和漂移速度MOSFET Si對(duì)LslvGHz1001ps10ttsltfvL截止頻率溝道渡越時(shí)間溝道渡越時(shí)間通常不是溝道渡越時(shí)間通常不是主要頻率限制因素主要頻率限制因素1TidIIff2022-6-24104.2 MOSFE

8、T 電流電流- -頻率關(guān)系頻率關(guān)系負(fù)載電阻負(fù)載電阻)(dVgsVTgdCjgsVTgsCjiIgsMTgsgsLmTgdTgsgsTgdLLmTgdTgsiVCCjVRgCCjVCRjRgCCjI)1 (11輸入電流輸入電流輸出電流輸出電流u密勒效應(yīng)：密勒效應(yīng)：將跨越輸入將跨越輸入-輸出端的電容等效到輸入端，輸出端的電容等效到輸入端，C值會(huì)擴(kuò)大（值會(huì)擴(kuò)大（1K）倍，）倍，K為常數(shù)為常數(shù))(/gsVdVTgdCjgsVmgLRdVdI)1 (LmTgdMRgCC密勒電容1TgdLCR通常u共源連接的共源連接的NMOS：輸入端：輸入端GS，輸入電流，輸入電流Ii，即柵壓對(duì)，即柵壓對(duì)MOS電容電容的

9、充放電電流；輸出端的充放電電流；輸出端DS，輸出電流，輸出電流Id2022-6-24114.2 MOSFET 含有密勒電容等效電路含有密勒電容等效電路)1 (LmTgdMRgCC密勒電容p輸入電流公式：輸入電流公式：p米勒電容對(duì)米勒電容對(duì)MOSFET輸入阻抗的影響：輸入阻抗的影響：u使輸入阻抗減小使輸入阻抗減小gsMTgsgsLmTgdTgsgsTgdLLmTgdTgsiVCCjVRgCCjVCRjRgCCjI)1 (112022-6-24124.2 MOSFET 截止頻率推導(dǎo)截止頻率推導(dǎo))(2MTgsmidgsmdgsMTgsiCCfgIIVgIVCCjI電流增益輸出電流輸入電流MCTgsC

10、GCmgGCmgMCTgsCmgIIffid等效輸入柵極電容跨導(dǎo)截止頻率2)(21T的倒數(shù)溝道長(zhǎng)度的平方遷移率在理想情況下，飽和區(qū)22G2)()(, 0LLVVfVVLCWgWLCCCCnTGSnTTGSoxnmoxgsTgdT2022-6-24134.2 MOSFET 提高頻率特性途徑提高頻率特性途徑p提高遷移率（提高遷移率（100方向，工藝優(yōu)質(zhì)）方向，工藝優(yōu)質(zhì)）p縮短縮短Lp減小寄生電容減小寄生電容的倒數(shù)溝道長(zhǎng)度的平方遷移率在理想情況下，222)(LLVVfnTGSnT)(22TTMTgsmTgsmCCgfCgf，實(shí)際理想截止頻率)1 (LmTgdMRgCC密勒電容，pspssgdgdTg

11、dggTgCCCCCC2022-6-24144.2 MOSFET 開關(guān)原理開關(guān)原理p共源連接的共源連接的MOS開關(guān)相當(dāng)于一個(gè)反相器開關(guān)相當(dāng)于一個(gè)反相器uVIN=VDD，NMOS導(dǎo)通，穩(wěn)態(tài)時(shí)導(dǎo)通，穩(wěn)態(tài)時(shí)MOSFET處于深線性處于深線性RonRL,VOUT=VDD;p反相器電路反相器電路uNMOS工藝：耗盡型工藝：耗盡型NMOS作為負(fù)載，直流功耗大作為負(fù)載，直流功耗大uCMOS工藝：增強(qiáng)型工藝：增強(qiáng)型PMOS作為負(fù)載，即作為負(fù)載，即CMOS反相器（均為增強(qiáng)性器件）反相器（均為增強(qiáng)性器件）4.2 MOSFET CMOS導(dǎo)向器導(dǎo)向器pCMOS（Complentary 互補(bǔ)互補(bǔ)CMOS）u n溝溝MOS

12、FET與與p溝溝MOSFET互補(bǔ)互補(bǔ)u 實(shí)現(xiàn)低功耗、全電平擺幅實(shí)現(xiàn)低功耗、全電平擺幅u 數(shù)字邏輯電路的首選工藝數(shù)字邏輯電路的首選工藝p阱：局部襯底阱：局部襯底P阱阱4.2 MOSFET CMOS導(dǎo)向器導(dǎo)向器pNMOS高導(dǎo)通高導(dǎo)通(VIN=VDD )，PMOS低導(dǎo)通低導(dǎo)通(VIN=0)uVIN=VDD，VGSN=VDDVTN，NMOS導(dǎo)通導(dǎo)通uVIN=0，VGSP=-VDDVTP，PMOS導(dǎo)通導(dǎo)通4.2 MOSFET CMOSpt1t1時(shí)刻，時(shí)刻，VoutVout初初=0=0。ViVi1 1到到0, PMOS0, PMOS導(dǎo)通，導(dǎo)通，V VSDSD始始= =VDDVDD，有，有I ID D對(duì)對(duì)C

13、 CL L充電，隨著充電充電，隨著充電的進(jìn)行，的進(jìn)行，V VOutOut上升，上升，V VSDSD下降，脫離飽和區(qū)后，下降，脫離飽和區(qū)后，I ID D減小，直到減小，直到V VSDSD0 0，I ID D0 0 ，V VOutOutV VOHOH=VDD=VDD，充電完成。隨后，充電完成。隨后，VinVin維持低，靜態(tài)維持低，靜態(tài),I,ID D0 0。pt2t2時(shí)刻，時(shí)刻， ViVi0 0到到1, nMOS1, nMOS導(dǎo)通，導(dǎo)通，V VDSDS始始= =VDDVDD，有，有I ID D，C CL L通過通過NMOSNMOS放電，隨著放電的放電，隨著放電的進(jìn)行，進(jìn)行，V Voutout下降，下

14、降，V VDSDS下降，脫離飽和區(qū)后，下降，脫離飽和區(qū)后，I ID D減小，直到減小，直到V VSDSD0 0，I ID D0 0 ，V VOutOutV VOLOL=0=0，放電完成。隨后，放電完成。隨后，VinVin維持高，靜態(tài)維持高，靜態(tài),I,ID D0 0。pCMOS如何實(shí)現(xiàn)低功耗，全電平擺幅？如何實(shí)現(xiàn)低功耗，全電平擺幅？nCLT：輸出端對(duì)地總電容：輸出端對(duì)地總電容(下一級(jí)負(fù)載下一級(jí)負(fù)載C、引線、引線C、 NMOS和和PMOS的漏襯的漏襯PN結(jié)結(jié)C)4.2 MOSFET CMOS反相器反相器2022-6-2418p全電平擺幅：全電平擺幅：VOH- VOL=VDD-0=VDDp靜態(tài)功耗：

15、充放電完成后電路的功耗，近似為零，靜態(tài)功耗：充放電完成后電路的功耗，近似為零， 靜態(tài)時(shí)一管導(dǎo)通，另一管截止，不存在直流通路靜態(tài)時(shí)一管導(dǎo)通，另一管截止，不存在直流通路p動(dòng)態(tài)功耗：輸入高低電平轉(zhuǎn)換過程中的功耗。動(dòng)態(tài)功耗：輸入高低電平轉(zhuǎn)換過程中的功耗。u對(duì)對(duì)CLT充放電的功耗充放電的功耗 + N、P兩管同時(shí)導(dǎo)兩管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)的功耗通時(shí)的功耗u減小寄生電容，減小減小寄生電容，減小高低電平高低電平轉(zhuǎn)換的時(shí)間轉(zhuǎn)換的時(shí)間p開關(guān)時(shí)間：輸出相對(duì)于輸入的時(shí)間延遲，包括導(dǎo)通時(shí)間開關(guān)時(shí)間：輸出相對(duì)于輸入的時(shí)間延遲，包括導(dǎo)通時(shí)間t tonon和關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間t toffoffu載流子溝道輸運(yùn)時(shí)間，（本征延遲）載流子溝道輸運(yùn)時(shí)間，（本征延遲）u輸出端對(duì)地電容的充放電時(shí)間。（負(fù)載延遲）輸出端對(duì)地電容的充放電時(shí)間。（負(fù)載延遲）p提高開關(guān)速度途徑（降低開關(guān)時(shí)間）：提高開關(guān)速度途徑（降低開關(guān)時(shí)間）：u減小溝長(zhǎng)減小溝長(zhǎng)L L（L5um,L5um,開關(guān)速度由負(fù)載延遲決定）開關(guān)速度由負(fù)載延遲決定）u減小對(duì)地總電容：引線電容、減小對(duì)地總電容：引線電容、NOMS PMOSNOMS PMOS的的DBDB間間PNPN結(jié)電容等寄生電容結(jié)電容等寄生電容u增加跨導(dǎo)，提高充放電電流。（跨導(dǎo)和增加跨導(dǎo)，提高充放電電流。（跨導(dǎo)和I I都正比于增益因子）都正比于增益因子）2022-6-24194.2 MOSFET 開關(guān)時(shí)間開關(guān)時(shí)間20