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第二章 MOS器件物理基础 授课教师：鲁文高 Email: wglu@pku.edu.cn 本讲内容 基本概念 结构、符号 I/V特性 阈值电压 I-V关系式 跨导 二级效应 体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性 器件模型 版图、电容、小信号模型等 MOSFET的简化模型 MOSFET的结构（1） MOSFET的结构（2） MOSFET的符号 本讲内容 基本概念 结构、符号 I/V特性 阈值电压 I-V关系式 跨导 二级效应 体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性 器件模型 版图、电容、小信号模型等 MOSFET沟道的形成过程 阈值电压 MOSFET的I-V特性（1） MOSFET的I-V特性（2） 深线性区MOSFET等效为电阻 饱和区MOSFET（1） 饱和区MOSFET（2） PMOS 跨导（1）：饱和区 跨导的三个表达式 跨导（2）：线性区 饱和区条件 本讲内容 基本概念 结构、符号 I/V特性 阈值电压 I-V关系式 跨导 二级效应 体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性 器件模型 版图、电容、小信号模型等 体效应 体效应的影响（1） 体效应的影响（2） 利用体效应工作的电路实例 沟道长度调制效应（1） 沟道长度调制效应（2） 沟道长度调制效应（3） 亚阈值特性（1） 前面的分析 VGSVTH：反型 VGSVTH：截至 VGS?VTH：？？？ 真实的情况 VGS?VTH：弱反型区，存在源漏电流 VGSVTH：漏电流并非无穷小 这种效应成为“亚阈值导电” 亚阈值区也称弱反型区 亚阈值特性（2） 亚阈值特性（3） 本讲内容 基本概念 结构、符号 I/V特性 阈值电压 I-V关系式 跨导 二级效应 体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性 器件模型 版图、电容、小信号模型等 MOS器件版图 MOS电路版图：器件及互连 MOSFET的电容 分析MOS管交流特性时必须考虑电容影响 MOS管中的电容 寄生电容往往随偏置电压的变化而变化 EDA工具在寄生参数提取时会自动提取每个节点精确的寄生电容值 减小MOSFET的寄生电容 MOSFET的电容：截至区 MOSFET的电容：饱和区 MOSFET的电容：深线性区 MOSFET大信号和小信号模型 大信号模型 由I-V特性关系式、CGS等电容的电容值构成 小信号模型 gm、 gmb、rO等 高频时应考虑寄生电容 MOSFET小信号模型（1） VBS=0时的低频小信号模型 用于计算输出电阻、低频小信号增益 MOSFET小信号模型（2） MOSFET小信号模型（3） 考虑衬偏效应时的低频小信号模型 用于计算输出电阻、低频小信号增益 MOSFET小信号模型（4） MOSFET的寄生电容 MOSFET的截至频率fT 高增益vs高速 常用的表达式 MOS小信号模型中的电阻 通常忽略 合理设计版图能减小电阻 折叠结构 减小栅电阻！ 减小漏电容！ 完整的MOSFET小信号模型 用于计算各节点的时间常数 找出极点 MOSFET的SPICE模型（1） 模型精度决定电路仿真精度、速度 最简单的模型——Level 1，适于手算 MOSFET的SPICE模型（2） VTO：VSB=0时阈值电压 GAMMA：体效应系数? PHI：2?F TOX：栅氧厚度 NSUB：衬底掺杂浓度 LD：源漏扩散长度 UO：沟道迁移率 LAMBDA：? CJ：单位面积底部电容 CJSW：单位长度侧壁电容 PB：源漏结内建电势 MJ：CJ式中的幂指数 MJSW：CJSW式中幂指数 CGDO：单位宽度的栅漏覆盖电容 CGSO：单位宽度的栅源覆盖电容 JS：源漏结的单位面积漏电流 NMOS管与PMOS管的比较 在大多数工艺中，NMOS管性能比PMOS管好 迁移率约3：1，NMOS具高电流驱动能力，高跨导 相同尺寸和偏置电流时，NMOS管rO大，更接近理想电流源，能提供更高的电压增益 对nwell 工艺，用PMOS管可消除体效应 独占一个阱（面积大） 根据实际需求选择NMOS或PMOS 长沟道器件和短沟道器件 前面分析针对长沟道器件（4?m以上） 对短沟道器件而言，关系式必须修正 用简单模型手算：直觉，确定调整区域 用复杂模型仿真：精确，确定具体参数 MOS管用作电容器时 两端器件 作业 2.24 斜视图（bird’s eye ，angled view） 俯视图（vertical view） 栅接触孔为什么开在沟道区外？ 希望源漏寄生电容小！ Why？？ C3、C4：覆盖电容；不能简单等于WLDCOX(边缘电力线) C5、C6：结电容=底电容+侧壁电容 折叠结构的版图漏端寄生电容小 简化模型——开关 由VG控制的一个开关 提供载流子的端口为源，收集载流子的端口为漏 源漏在物理结构上是完全对称的，靠什么区分开？ Bulk（body