第3章-CMOS器件模型

第3章_CMOS器件模型第一頁，共61頁。主要內(nèi)容掌握有源器件大信號等效模型MOS管的寄生電容；低頻小信號等效模型和高頻小信號等效模型；了解MOS器件計算機仿真模型了解亞閾值電壓區(qū)MOS模型第二頁，共61頁。３.１MOS管大信號模型第三頁，共61頁。MOS管大小信號模型關(guān)系大信號模型（直流偏置）小信號模型（交變信號）第四頁，共61頁。nmos管的大信號特性第五頁，共61頁。輸出特性第六頁，共61頁。大信號模型的推導(dǎo)思路假設(shè)：１緩變溝道近似２強反型近似３只考慮漂移電流近似４遷移率為常數(shù)近似１、電流Ｉ＝Ｑd＊vd２、Ｑd＝ＷＣox（Ｖgs－Ｖ（y）－Ｖth）３、vd＝μＥ＝μ［dＶ（y）／dy］４、第七頁，共61頁。飽和特性第八頁，共61頁。大信號ＭＯＳ管的工作區(qū)域第九頁，共61頁。

ＮＭＯＳ管的電流方程

NMOS管在截止區(qū)、線性區(qū)、恒流區(qū)的電流方程UGS<UTHN(截止區(qū))UDS<UGS-UTHN(線性區(qū))UDS>UGS-UTHN(恒流區(qū))第十頁，共61頁。硅常數(shù)表第十一頁，共61頁。０.８um工藝參數(shù)第十二頁，共61頁。跨導(dǎo)特性第十三頁，共61頁。例題大信號模型的應(yīng)用第十四頁，共61頁。３.２MOS管小信號模型信號擺幅與偏置相比很小，對MOS管的直流工作點的影響可忽略；需要確定直流工作點使用小信號等效電路進(jìn)行分析突出主要的設(shè)計參數(shù)對性能的影響第十五頁，共61頁。1低頻小信號模型根據(jù)以上分析，一個襯底若不和源極短路，則存在體效應(yīng)。同時考慮溝道調(diào)制效應(yīng)和襯底調(diào)制效應(yīng)(體效應(yīng))的低頻小信號模型第十六頁，共61頁。MOS管交流小信號模型---低頻小信號是指對偏置的影響非常小的信號。由于在很多模擬電路中，MOS管被偏置在飽和區(qū)，所以主要推導(dǎo)出在飽和區(qū)的小信號模型。第十七頁，共61頁。幾個重要的參數(shù)跨導(dǎo)輸出電阻增益最高工作頻率第十八頁，共61頁。飽和區(qū)MOS管的跨導(dǎo)gm

工作在飽和區(qū)的MOS管可等效為一壓控電流源，故可用跨導(dǎo)gm來表示MOS管的電壓轉(zhuǎn)變電流的能力，跨導(dǎo)為漏源電壓一定時，漏極電流隨柵源電壓的變化率，即：

第十九頁，共61頁。飽和區(qū)MOS管的跨導(dǎo)柵跨導(dǎo)隨過驅(qū)動電壓以及IDS的變化第二十頁，共61頁。飽和區(qū)MOS管的gmb則襯底電位對漏極電流的影響可用一個電流源gmbVBS表示。在飽和區(qū)，gmb能被表示成第二十一頁，共61頁。飽和區(qū)MOS管的gmb而根據(jù)閾值電壓與VBS之間的關(guān)系可得：

因此有：

上式中η=gmb/gm

，gmb正比于γ。

注意gmVGS與gmbVBS具有相同極性，即提高襯底電位與提高柵壓具有同等的效果。第二十二頁，共61頁。飽和區(qū)MOS管的輸出電阻輸出電阻定義為：當(dāng)柵源電壓與襯底電壓為一常數(shù)時的漏源電壓與漏極電流之比一般有g(shù)m約＝１０gmb約＝１００gds第二十三頁，共61頁。增益AV第二十四頁，共61頁。MOS管的最高工作頻率ftMOS管的最高工作頻率定義：對柵輸入電容的充放電電流和漏源交流電流值相等時所對應(yīng)的工作頻率。

第二十五頁，共61頁。MOS管的最高工作頻率C表示柵極輸入電容，該電容正比于WLCox

。MOS管的最高工作頻率與溝道長度的平方成反比，因此，減小MOS管的溝道長度就能很顯著地提高工作頻率

。第二十六頁，共61頁。MOS管交流小信號模型---高頻在高頻應(yīng)用時，MOS管的分布電容不能忽略第二十七頁，共61頁。MOS管的高頻小信號電容第二十八頁，共61頁。柵與溝道之間的柵氧電容C2=WLCox，其中Cox為單位面積柵氧電容εox/tox；溝道耗盡層電容：

交疊電容（多晶柵覆蓋源漏區(qū)所形成的電容，每單位寬度的交疊電容記為Col）：包括柵源交疊電容C1＝WdCol與柵漏交疊電容C4=WdCol：MOS管的高頻小信號電容第二十九頁，共61頁。MOS管柵源電容－飽和區(qū)

柵漏電容大約為：WCol。漏端夾斷，溝道長度縮短，從溝道電荷分布相當(dāng)于CGS增大，CGD減小，柵與溝道間的電位差從源區(qū)的VGS下降到夾斷點的VGS-Vth，導(dǎo)致了在柵氧下的溝道內(nèi)的垂直電場的不一致。即

=2WLCox(VGS-VTH)/3因此有：

CGS=2WLCox/3+WCol

第三十頁，共61頁。需要記住的電容第三十一頁，共61頁。0.35um主要參數(shù)第三十二頁，共61頁。討論ＭＯＳ管的設(shè)計參數(shù)有幾個，對ＭＯＳ管的性能有何影響？如何提高M(jìn)OS管的性能？例題:求完整的NMOS管的小信號模型第三十三頁，共61頁。Mos管設(shè)計考慮第三十四頁，共61頁。主要公式(掌握)第三十五頁，共61頁。主要公式(續(xù))第三十六頁，共61頁。３.３計算機仿真模型ＳＰＩＣＥＬＥＶＥＬ1ＳＰＩＣＥＬＥＶＥＬ2ＳＰＩＣＥＬＥＶＥＬ3

ＢＳＩＭ３Ｖ３（深亞微米）ＬＥＶＥＬ49

BerkeleyShort-ChannelIGFETModel

第三十七頁，共61頁。模型參數(shù)變化第三十八頁，共61頁。尺寸縮小考慮因素短／窄溝道效應(yīng)熱載流子效應(yīng)漏感應(yīng)勢壘降低效應(yīng)載流子速度飽和效應(yīng)第三十九頁，共61頁。MOS的Spice模型參數(shù)

目前許多數(shù)?；旌嫌嬎銠C仿真軟件的內(nèi)核都是Spice。計算機仿真(模擬)的精度很大程度上取決于器件模型參數(shù)的準(zhǔn)確性和算法的科學(xué)先進(jìn)性。了解Spice模型參數(shù)的含義對于正確設(shè)計集成電路十分重要。第四十頁，共61頁。MOS管Spice模型參數(shù)第四十一頁，共61頁。第四十二頁，共61頁。求解過程第四十三頁，共61頁。

仿真示例第四十四頁，共61頁。仿真結(jié)果第四十五頁，共61頁。工藝角不同晶片不同批次不同工藝線有經(jīng)過驗證的器件模型典型條件四個工藝角（SF，F(xiàn)S，SS，F(xiàn)S）滿足以上條件的電路才是合格的保證產(chǎn)品的成品率

第四十六頁，共61頁。３.４亞閾值電壓區(qū)MOS模型

亞閾值效應(yīng)又稱為弱反型效應(yīng)指數(shù)關(guān)系平方關(guān)系VON第四十七頁，共61頁。亞閾值工作區(qū)

襯底沒有反型弱反型強反型第四十八頁，共61頁。亞閾值效應(yīng)亞閾值導(dǎo)通，而且ID與VGS呈指數(shù)關(guān)系：其中ｎ>1是一非理想的因子；ID0為特征電流：，m為工藝因子，因此ID0與工藝有關(guān)；而VT稱為熱電壓：

第四十九頁，共61頁。亞閾值效應(yīng)第五十頁，共61頁。MOS管亞閾值效應(yīng)第五十一頁，共61頁。亞閾值效應(yīng)的應(yīng)用模擬電路的低壓低功耗

數(shù)字電路的泄漏電流第五十二頁，共61頁。ＣＭＯＳ器件性能參數(shù)計算目的通過計算機仿真得到ＣＭＯＳ器件模型參數(shù)參數(shù)抽取過程：1.) Extractthesquare-lawmodelparametersforatransistorwithlengthatleast10timesLmin.2.) UsingthevaluesofK’,VT

,,andextractthemodelparametersforthemodel

第五十三頁，共61頁。簡單MOS管的特性飽和區(qū):假設(shè)其中第五十四頁，共61頁。模型參數(shù)的抽取過程假設(shè)第五十五頁，共61頁。關(guān)系曲線第五十六頁，共61頁。K’和VT的計算

先檢查數(shù)據(jù)的線性度第五十七頁，共6