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CMOS晶体管基础_图文



CMOS晶体管基础

? 主要内容
1 、结构及工作原理 2、阈值电压 3、电流—电压方程(I-V特性) 4、MOS管寄生电容 5、小信号等效电路 6、gm、gds 7、MOSFET的数字模型 8、衬偏调制效应 9、MOSFET的温度特性 10、CMOS结构图

1、工作原理
3D结构图
Polysilicon

Aluminum

L

W

G

Gate

S

Poly

D
Oxide

n+

Source

Drain
p-substrate

Leff LDrawn

n+

LD

n+

n+

W

W L

线宽(Linewidth),

特征尺寸(Feature Size)指什么?

MOSFET的三个重要几何参数 Lmin、 Wmin和 tox 由工艺确定 Lmin: MOS工艺的特征尺寸(feature size) 决定MOSFET的速度和功耗等众多特性 L和W由设计者选定 通常选取L= Lmin,由此,设计者只需选取W W影响MOSFET的速度,决定电路驱动能力和功耗

① VGS〈Vthn时

下面的结构是N+PN+,耗尽层内是没有 自由移动的电荷的。D、S之间没有形成 一条电流通道,所以IDS=0。

②,VGS>=Vthn时

由于电场的作用,P—SUB中的少量电子移动到了沟 道的顶部。这样就形成了一条电子移动的通道,如 果VDS>0,就会形成源漏电流IDS。

沟道夹断

2、阈值电压(Threshold Voltage)
? 阈值电压是当沟道反型时所需的电压 (i.e. 将沟道从p型变 到n型的电压). ? 阈值电压可按下式计算:
VTHN 2q? si N A ? ? Qss ? Qbo ? ??ms ? 2? F ? ? ? ? Cox Cox

?

2? F ? VSB ? 2? F

?

其中

?ms = 栅和衬底的接触电势(contact potential between the gate and the bulk) ?F = 衬底的静电势(electrostatic potential of the substrate) Q`bo = 耗尽区的电荷(charge in the depletion region) Q`ss = Si/SiO2 接触面的电荷(Si/Sicharge at the Si/SiO2 interface) VSB = 源到衬底的电势差(Source to bulk voltage)

对于一般工艺,Vtn= 0.83V(NMOS的阈值电压), Vtp= - 0.91V(PMOS的阈值电压), 阈值电压由工艺参数决定

3、MOSFET的 I-V 特性 (线性区Triode Region)

? 晶体管偏置在 VGS ? VTHN , 此时沟道已形成. ? 漏源电压 (VDS) 较小. ? 漏极电流可用下式表示:
2 ? ? VDS I D ? ? ??VGS ? VTHN ?VDS ? ? 2 ? ?

Where ? ? KPn ?

W L

MOSFET I-V 特性 (饱和区Saturation Region)

? 晶体管偏置在 VGS ? VTHN ,此时沟道已形成. ? 漏源电压较大 (i.e. VDS ? VGS – VTHN). ? 理想的漏极电流可表示为:
ID ?

?
2

?VGS ? VTHN ? 2

Where ? ? KPn ?

W L

? 当晶体管被夹断(pinchoff)时, 发生了什么? ? 增大 VDS 使耗尽区扩大到沟道中. ? 这导致ID 随 VDS 的增加而增大. 因此ID 可写为:

ID ?

?
2

?VGS ? VTHN ? 2 ?1 ? ? c ?VDS ? VDS _ Sat ??

Where ? ? KPn ?

W L

? ?c 是非理想因子,它是考虑了随着漏极电压增加耗尽层加厚而造成的.

MOSFET I-V Characteristics(伏安特性)曲线

VGS:栅极和源极的电压差。
VDS: 漏极和源极的电压差。 ID : 流过漏极和源极的电流。 Vth: 器件的阈值电压,当VGS增加到一定的值时,栅极下面的P型 半导体会发生反型,形成N型半导体的沟道。此时D和S之间可以有 电流流过,这个特定的电压值,称之为值电压。

阈值电压(Threshold voltage):
VTHN ? ??ms ? 2? F ?

2q? si N A ? ? Qss ? Qbo ? ? ? Cox Cox

?

2? F ? VSB ? 2? F

?

对于一般工艺,Vtn=0.83V(NMOS的阈值电压), Vtp=-0.91V(PMOS的阈值电压), 阈值电压由工艺参数决定

截止区:
线性区 (Linear):

ID=0, VGS< Vth
2 ? ? VDS I D ? ? ??VGS ? VTHN ?VDS ? ? 2 ? ?

,VDS〈 VGS-Vth

饱和区 (Saturation):

ID ?

?
2

?VGS ? VTHN ? 2 ?1 ? ? c ?VDS ? VDS _ Sat ??

Where ? ? KPn ?

W L

VDS >= VGS-Vth

4、MOS Capacitance

MOS电容:由器件本生的构造引起的。 Cgs: 栅极和源极的寄生电容。(平板电容)

Cgd: 栅极和漏极的寄生电容。(平板电容)
Cgb: 栅极和衬底的寄生电容。 Cdb: 漏极和衬底的寄生电容。(PN结电容)

是影响最大的

Csb: 源极和衬底的寄生电容。(PN结电容)

电容值的计算(了解)
Capacitance values are the same as Accumulation ? ? ? ox Cox ? ?W ? L Cox ? Cox and TOX ?Capacitance is comprised of three components
C gb ?

? ox ? ?L ? 2 ? LD ? ?W
TOX

C gd ? C gs ?

? ox ? LD ?W
TOX

? CGDO ?W ? CGSO ?W

以上各式中:
Eox: Tox: 氧化层的介电常数。 氧化层的厚度。

Cox’ : 表示单位面积氧化层的电容值。 LD: 表示栅极和S、D重叠的宽度(由工艺精度决定)。

深亚微米CMOS IC工艺的寄生电容(数据)

Cap. N+Act.P+Act. Poly Area (sub.) 526 937 83 Area (poly) Area (M1) Area (M2) Area (N+act.) 3599 Area (P+act.) 3415 Fringe (sub.) 249 261

M1 25 54

M2 10 18 46

M3 8 11 17 49

Units aF/um2 aF/um2 aF/um2 aF/um2 aF/um2 aF/um2 aF/um

5、MOSFET的交流小信号模型(Analog Model for the MOSFET)

?MOSFET的高频模拟模型. ?电容已经在以前提到. ?ro 是输出电阻,gm是栅跨导. ?Current sources model the gain associated with biasing the base and the body of the MOSFET.

Small-Signal Model of MOSFET
? 输入信号的幅度和电源电压相比很小, 它在直流偏置工作 点附近的变化, 可近似认为工作在线性区间(如 : ? i ds ? I DS ). i DS

? MOS管的小信号模型可以直接从直流模型得出。大多数应 用中, MOS管被偏置在饱和区工作。下面仅给出饱和区的 小信号参数. ? 沟道导纳gm, gmb和gds, 分别称为栅跨导, 衬底跨导, 漏电导, 定义如下:
gm ? ? iDS ? vGS g mb ?
Q

? iDS ? v BS

g ds ?
Q

? iDS ? v DS

Q

? 式中,Q表示在静态工作点的值.

Small-Signal Model of MOSFET in Saturation
?NMOS管的阈值电压VTHN可表示为:
VTHN ? ?? ms ? 2? F ? 2q? si N A ? ? Qss ? Qbo ? ? ? Cox Cox

?

2? F ? VSB ? 2? F ? VTHN 0 ? ?

?

?

2? F ? VSB ? 2? F

?

?饱和区NMOS管的漏极电流IDS可表示为: ? W 2 I DS ? ?VGS ? VTHN ? (1 ? ? VDS ) 其中 ? ? KPn ?
2 L

?总的(AC+DC)的漏极电流iDS为:
iDS ? ids ? I DS

?因此:
gm ?

vGS ? ? ?? ? ? ? (VGS ? v gs ? VTHN ) 2 (1 ? ? VDS ) 2

? iDS ? vGS

? ? (VGS ? v gs ? VTHN ) (1 ? ? VDS )
Q

g mb ?
g ds ?

? i DS ? v BS

??
Q

? i DS ? VTHN ? ? gm ? VTHN ? v SB 2 2? F ? V SB
β (VGS ? v gs ? VTHN ) 2 ? ? I DS ? 2

1 ? iDS ? ro ? v DS

?
Q

6、MOSFET的简单数字模型 (A Simple Digital Model for the MOSFET)

Rn ?

KPn 2

VDD L ? ? R ? n 2 W W ? ? V ? V DD THN L

以S为公共端,G为信号输入端,D为信号输出端,VGS=VDD。

7、衬偏调制效应(体效应)
当VBS不等于0时,晶体管的衬底和源区将反偏, 耗尽层将变宽。 从而提高阈值电压(VT)的数值。

VT的变化曲线

8 MOSFET的温度特性
MOSFET的温度特性主要来源于沟道中载流子的迁移率? 和阈 值电压VT随温度的变化。 载流子的迁移率随温度变化的基本特征是: T? ? ? ? 由于 ?? W ? gm ? Vgs ? VT ? 所以, tox L T? ? gm? 阈值电压VT的绝对值同样是随温度的升高而减小: T? ? ?VT?? ??VT(T)?? (2 ? 4) mV/°C ?VT?的变化与衬底的杂质浓度Ni和氧化层的厚 度tox有关: (Ni ?, tox?) ? ??VT(T)? ?

9、CMOS的剖面结构图