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1、二 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,Polysilicon,Aluminum,3D结构图,W,L,线宽(Linewidth), 特征尺寸(Feature Size)指什么？,W,L,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= Lmi
2、n，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,MOSFET的三个重要几何参数, VGSVthn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。,，VGS=Vthn时,由于电场的作用，PSUB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VDS0,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:其中 ms = 栅和衬底的接触电势（contact p
3、otential between the gate and the bulk）F = 衬底的静电势(electrostatic potential of the substrate)Qbo = 耗尽区的电荷(charge in the depletion region)Qss = 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、M
4、OSFET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:,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:,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:,lc 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.
5、,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。,线性区(Linear):,饱和区 (Saturation):,阈值电压(Threshold 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,截止区： ID=0， VG
6、S= 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） Csb: 源极和衬底的寄生电容。(PN结电容）,是影响最大的,Capacitance values are the same as Accumulationand Capacitance is comprised of three components,电容值的计算（了解）,以上各式中： Eox: 氧化层的介电常数。 Tox:
7、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）。,Cap. N+Act. P+Act. Poly M1 M2 M3 Units Area (sub.) 526 937 83 25 10 8 aF/um2 Area (poly) 54 18 11 aF/um2 Area (M1) 46 17 aF/um2 Area (M2) 49 aF/um2 Area (N+act.) 3599 aF/um2 Area (P+act.) 3415 aF/um2 Fringe (sub.) 249 261 aF/um,深亚微米CMOS IC工艺的寄
8、生电容(数据),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: ). 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,
9、 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:式中，Q表示在静态工作点的值.,NMOS管的阈值电压VTHN可表示为:饱和区NMOS管的漏极电流IDS可表示为:总的(AC+DC)的漏极电流iDS为:因此:,Small-Signal Model of MOSFET in Saturation,6、MOSFET的简单数字模型 (A Simple Digital Model for the MOSFET),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（T)的数值。,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 所以，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,
