集成電路設(shè)計技術(shù)與工具mos原理補(bǔ)充

集成電路設(shè)計技術(shù)與工具mos原理補(bǔ)充第一頁，共42頁。半導(dǎo)體與器件物理山東科技大學(xué)信息學(xué)院第二頁，共42頁。半導(dǎo)體器件的行為特性如何用等效電路建立模型第三頁，共42頁。二極管(Diode)pn結(jié)n型區(qū)施主雜質(zhì)p型區(qū)受主雜質(zhì)單向?qū)щ娦詐nBASiO2AlCross-sectionof

pn-junctioninanICprocessnpABAlABdiodesymbol第四頁，共42頁。pn結(jié)的耗盡區(qū)反向偏置(Reverse-biased)耗盡區(qū)（Depletionregion)內(nèi)建電勢本征載流子濃度結(jié)兩邊每單位空間的總電荷電量相等，極性相反第五頁，共42頁。二極管模型理想方程導(dǎo)通固定壓降第六頁，共42頁。勢壘電容（JunctionCapacitance)正向偏置：反向偏置：耗盡層電容耗盡區(qū)電荷耗盡區(qū)寬度最大電場第七頁，共42頁。次級效應(yīng)--結(jié)擊穿耗盡區(qū)最大的電場在結(jié)點處，有由于耗盡區(qū)附近有少子空穴和電子存在，所有的反偏pn結(jié)多會產(chǎn)生一個反向小電流，在電場作用下，少子穿過耗盡區(qū)，形成結(jié)的漏電流。當(dāng)反向偏壓繼續(xù)增加時，最大場強(qiáng)也增大，耗盡區(qū)中載流子攜帶的能量也增加。在臨界區(qū)里，穿過耗盡區(qū)的載流子攜帶的能量足以與硅原子碰撞產(chǎn)生新的空穴-電子對。新產(chǎn)生的載流子能造成雪崩效應(yīng)，反偏漏電流急劇增大—雪崩擊穿。第八頁，共42頁。雪崩擊穿結(jié)摻雜濃度臨界電場且隨著濃度增加緩慢增加根據(jù)二極管I-V特性，沒發(fā)生雪崩擊穿時正常反偏電流，在擊穿電壓附近，是即反偏電流M為倍增因子，n=3~6雪崩電流可通過外加電阻來限制大電流、高功耗—永久損壞–25.0–15.0–5.05.0VD(V)–0.1ID

(A)0.100AvalancheBreakdown第九頁，共42頁。齊納擊穿齊納二極管工作在雪崩區(qū)的二極管齊納擊穿高摻雜的節(jié)中，即使反偏電壓很小也可能產(chǎn)生很強(qiáng)電場，足以把價電子從共價鍵中拉出來，該過程為隧道效應(yīng)穩(wěn)壓第十頁，共42頁。金屬氧化物場效應(yīng)管(MOSFET)開關(guān)特性寄生電容小集成密度高低功耗工藝相對簡單第十一頁，共42頁。MOS管靜態(tài)特性--基本工作原理在工作狀態(tài)下，柵-源電壓可以改變柵極下放區(qū)域的導(dǎo)電能力，從而使得柵極電壓可以控制源極和漏極之間的電流。模擬電路中的增益特性數(shù)字電路中的開關(guān)特性DSGDSGNMOSEnhancementNMOSDepletionGSDDSGPMOSEnhancementBNMOSwithBulkContact第十二頁，共42頁。NMOS管剖面圖第十三頁，共42頁。MOS管靜態(tài)特性—閾值電壓

，漏極、源極和體接地，漏源電阻極高當(dāng)柵極加正向電壓時，正電荷積聚在柵極，負(fù)電荷在襯底耗盡區(qū)氧化層下方耗盡層寬度耗盡區(qū)單位面積電量隨著柵極電壓增加，硅表面電勢達(dá)到臨界值，即兩倍費米值時，會產(chǎn)生反型現(xiàn)象。柵極電壓繼續(xù)增加不再引起耗盡層寬度變化，而是導(dǎo)致氧化物層下方硅表面的耗盡區(qū)中產(chǎn)生一薄層電子層。反型現(xiàn)象會產(chǎn)生連續(xù)的n型區(qū)域，包括源區(qū)和漏區(qū)，并且在柵源之間形成導(dǎo)電溝道。增加或減少柵源電壓，可調(diào)整溝道的導(dǎo)電能力。此時耗盡區(qū)中電子密度是定值：源極和襯底間加偏置電壓，則當(dāng)硅表面電勢達(dá)到第十四頁，共42頁。閾值電壓開始形成反型層的電壓叫閾值電壓包含以下幾個分量維持耗盡層電荷所需電壓柵極金屬與硅之間存在工作壓差硅表面氧化物中存在正電荷，由柵源電壓分量來補(bǔ)償其中：是時的閾值電壓柵極氧化物單位面積電容量第十五頁，共42頁。漏極電流當(dāng)時，產(chǎn)生反型現(xiàn)象，導(dǎo)電溝道形成---場效應(yīng)，水平電場強(qiáng)度為0，漏源電流也為0，產(chǎn)生水平電場，產(chǎn)生漏電流第十六頁，共42頁。溝道夾斷（pinch-off)漏源電壓繼續(xù)增加，漏極導(dǎo)電溝道將會消失-夾斷夾斷區(qū)，溝道的水平電場強(qiáng)度與漏源電壓無關(guān)，與整個溝道上壓降有關(guān)飽和區(qū)第十七頁，共42頁。溝道長度調(diào)制

（Channel-lengthModulation)由于溝道漏極夾斷點和漏區(qū)本身中間存在耗盡區(qū)，所以夾斷區(qū)漏極電壓的變化對漏極電流的影響很小。漏源電壓增加引起漏區(qū)的耗盡層增加，有效溝道長度減少。設(shè)耗盡層寬度為，則有效溝道長度為夾斷區(qū)電流：厄爾利電壓：MOS管：溝道長度調(diào)制效應(yīng)參數(shù)，考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)，有第十八頁，共42頁。NMOS管大信號等效模型第十九頁，共42頁。I-V特性00.511.522.50123456x10-4VDS(V)ID(A)VGS=2.5VVGS=2.0VVGS=1.5VVGS=1.0VResistiveSaturationVDS=VGS-VTLongChannel第二十頁，共42頁。00.511.522.50123456x10-4VGS(V)ID(A)00.511.522.500.511.522.5x10-4VGS(V)ID(A)quadraticquadraticlinearLongChannelShortChannel第二十一頁，共42頁。PMOS管I-V特性-2.5-2-1.5-1-0.50-1-0.8-0.6-0.4-0.20x10-4VDS(V)ID(A)假設(shè)所有變量為負(fù)值!VGS=-1.0VVGS=-1.5VVGS=-2.0VVGS=-2.5V第二十二頁，共42頁。MOS器件電壓限制結(jié)擊穿穿通擊穿熱載流子效應(yīng)氧化物擊穿第二十三頁，共42頁。MOS管小信號模型利用小信號模型簡化電路增益以及終端電阻的計算如圖所示MOS管，工作在飽和區(qū)或放大區(qū)第二十四頁，共42頁?？鐚?dǎo)MOS管跨導(dǎo)假設(shè)，有過載電壓MOS模擬電路設(shè)計挑戰(zhàn)：低跨導(dǎo)-電流率柵源電壓變化引起漏極電流變化

大信號模型假設(shè)

，有小于過載電壓的20%，小信號分析誤差小于10%第二十五頁，共42頁。柵源、柵漏固有電容在一定工作模式下，器件的電容是固有的在可變電阻區(qū)，導(dǎo)電溝導(dǎo)貫通在源極和漏極之間，在飽和或放大區(qū)，溝道在達(dá)到漏區(qū)之前就被夾斷，因此漏極電壓對溝道以及柵極電荷影響很小，設(shè)溝道中存儲的總電荷數(shù)，第二十六頁，共42頁。輸入電阻和輸出電阻MOS管中，柵極與溝道間有絕緣層，因此低頻時柵極電流為0，即輸入電阻無窮大。由于溝道長度調(diào)制效應(yīng)，漏極電流隨漏源電壓增加而增加，第二十七頁，共42頁。MOS管的基本小信號模型混合模型物理解釋：因為增加?xùn)旁措妷壕蜁黾訙系赖膶?dǎo)電性，從而使漏極電流增加在NMOS管中，直流漏電流是由漏極流向源極，因此增加?xùn)旁措妷和瑯訒黾涌偟穆O電流。第二十八頁，共42頁。襯底效應(yīng)和襯底跨導(dǎo)襯底效應(yīng)(次柵效應(yīng))柵源電壓-垂直電場強(qiáng)度-導(dǎo)電溝道導(dǎo)電能力-漏極電流襯底源電壓-閾值電壓-柵源電壓-漏極電流襯底與固定電壓源相接小信號電源或交流接地點襯底電壓固定時，源極的變化改變襯底源電壓當(dāng)襯底源電壓值不為常數(shù)時，MOS管由兩個跨導(dǎo)來表征第二十九頁，共42頁。小信號模型的寄生單元正常工作模式下，MOS管中所有的pn結(jié)都必須反向偏置，且每個pn結(jié)都會表現(xiàn)出與耗盡區(qū)相關(guān)的依賴于電壓的寄生電容低頻工作時,忽略寄生電阻第三十頁，共42頁。考慮寄生單元的小信號模型低頻情況下，忽略寄生電阻第三十一頁，共42頁。MOS管頻率響應(yīng)特征頻率：簡化放大電路中共源電流增益降到單位值時的頻率。高頻特性由小信號模型中電容因素來控制的直流柵極電流為零；高頻特性中柵極電流隨頻率的增加而增加。第三十二頁，共42頁。，對計算沒有影響忽略小信號輸入電流忽略流過的電流，為了計算頻率響應(yīng)，令，則當(dāng)時，小信號電流增益為單位值特征頻率：假設(shè)器件固有電容遠(yuǎn)大于有在亞微型MOS工藝中，偏離平方定律，即第三十三頁，共42頁。短溝道效應(yīng)（short-channeleffect)MOS管溝道長度小于1um時，就會顯示出顯著的短溝道效應(yīng)MOS管在飽和區(qū)和放大區(qū)的經(jīng)典平方律傳輸特性變得更加線性要修改前面給的模型主要來源于水平場中的速率飽和00.511.522.50123456x10-4VGS(V)ID(A)00.511.522.500.511.522.5x10-4VGS(V)ID(A)quadraticquadraticlinearLongChannelShortChannel第三十四頁，共42頁。短溝道效應(yīng)

--水平場中的速率飽和當(dāng)MOS管工作在三極管區(qū)時，沿溝道的平均水平電場強(qiáng)度當(dāng)較小或L大時，水平電場強(qiáng)度較低，載流子速度與場強(qiáng)建的線性關(guān)系成立當(dāng)場強(qiáng)很高時，載流子速率達(dá)到熱力學(xué)速率后，載流子加速度會隨著場強(qiáng)的增加而降低，漂移速率會達(dá)到一個常數(shù)極限散射速率沿溝道較小的電勢差就可以產(chǎn)生一個平均強(qiáng)度為的電場第三十五頁，共42頁。x

(V/μm)xc

=1.5un

(m/s)usat

=105Constantmobility(slope=μ)Constantvelocity第三十六頁，共42頁。IDLong-channeldeviceShort-channeldeviceVDSVDSATVGS

-VTVGS=VDD第三十七頁，共42頁。I-V特性-4VDS(V)00.511.522.500.511.522.5x10ID(A)VGS=2.5VVGS=2.0VVGS=1.5VVGS=1.0V00.511.522.50123456x10-4VDS(V)ID(A)VGS=2.5VVGS=2.0VVGS=1.5VVGS=1.0VResistiveSaturationVDS=VGS-VTLongChannelShortChannel第三十八頁，共42頁。短溝道效應(yīng)

--跨導(dǎo)和特征頻率跨導(dǎo)忽略飽和速率時計算飽和速率時特征頻率飽和速率前，隨的增加而增加飽和速率時，反比于溝道長度第三十九頁，共42頁。短溝道效應(yīng)

--垂直場中遷移率下降漏源電壓引起沿溝道水平電場強(qiáng)度的變化與電子運(yùn)動速率有關(guān)柵極電壓所引起的垂直電場也與電子運(yùn)動速率有關(guān)溝道中垂直電場強(qiáng)度取決于柵溝道電壓增加垂直電場強(qiáng)度