集成电路设计基础mos场效应管的特性.ppt

* 6.7.4 MOSFET的动态特性和尺寸缩小的影响 MOSFET电路等效于一个含有受控源Ids的RC网络。 Ids： Ids(Vgs) R： Ids(Vds)，Rmetal，Rpoly-Si，Rdiff C： Cgs，Cgd，Cds，Cgb，Csb，Cdb，Cmm，Cmb Cg = Cgs+Cgd+ Cgb , 关键电容值 * MOSFET的动态特性，亦即速度，取决于RC网络的充放电的快慢，进而取决于 电流源Ids的驱动能力，跨导的大小， RC时间常数的大小， 充放电的电压范围，即电源电压的高低。 MOSFET的动态特性和尺寸缩小的影响 * MOSFET 的速度可以用单级非门(反相器)的时延 ?D来表征。 Scaling-down( L?,W?, tox?, VDD?) 对MOSFET 速度的影响： (L?，W?， tox?)?Ids? ??D 基本不变, 但是 VDD? 结论：器件尺寸连同VDD同步缩小，器件的速度提高。 MOSFET的动态特性和尺寸缩小的影响 } * 6.7.5 MOSFET尺寸按比例缩小的三种方案 1) 恒电场(constant electrical field) 2) 恒电压(constant voltage) 3) 准恒电压(Quasi-constant voltage) * Scaling-down的三种方案(续) 采用恒电场CE缩减方案, 缩减因子为?时, 各电路指标变化。 * Scaling-down的三种方案(续) MOSFET特征尺寸按?(?1)缩减的众多优点： 电路密度增加?2倍 ? ? VLSI, ULSI 功耗降低?2倍 ? 器件时延降低?倍 ?器件速率提高?倍 线路上的延迟不变 优值增加?2倍 这就是为什么人们把MOS工艺的特征尺寸做得一小再小，使得MOS电路规模越来越大，MOS电路速率越来越高的重要原因。 * MOS电容—测量 若测量电容的方法是逐点测量法—一种慢进程，那么将测量到这种凹谷曲线。 图 6.2 * MOS电容?凹谷特性测量 若测量电容采用高频方法，譬如，扫频方法，电压变化很快。共价键就来不及瓦解，反型层就无法及时形成，于是，电容曲线就回到Cox值。 然而，在大部分场合，MOS电容与n+区接在一起，有大量的电子来源，反型层可以很快形成，故不论测量频率多高，电压变化多快，电容曲线都呈凹谷形。 * 6.1.3 MOS电容的计算 MOS电容C仅仅是栅极对衬底的电容，不是外电路中可以观察的电容Cg， Cs 和Cd。MOS电容C对Cg，Cd有所贡献。在源极和衬底之间有结电容Csb，在漏极和衬底之间也有结电容Cdb。 另外，源极耗尽区、漏极 耗尽区都渗进到栅极下面的 区域。又，栅极与漏极扩散 区，栅极与源极扩散区都存 在着某些交迭，故客观上存 在着Cgs和Cgd。当然，引出 线之间还有杂散电容，可 以计入Cgs和Cgd。 图 6.3 * Cg、Cd的值还与所加的电压有关: 1）若VgsVT，沟道未建立，MOS管漏源沟道不通。 MOS电容 C = Cox，但C 对Cd无贡献。 Cg = Cgs + Cox Cd = Cdb 2）若VgsVT，沟道建立，MOS管导通。MOS电容是变化的，呈凹谷状，从Cox下降到最低点，又回到Cox。这时，MOS电容C对Cg，Cd都有贡献，它们的分配取决于MOS管的工作状态。 MOS电容的计算 * MOS电容的计算 若处于非饱和状态，则按1/3与2/3分配，即 Cg = Cgs + 2/3C Cd = Cdb +1/3C 那是因为在非饱和状态下，与栅极电荷成比例的沟道电流为 由Vgs和Vds的系数可知栅极电压Vgs对栅极电荷的影响力，与漏极电压Vds对栅极电荷的影响力为2:1的关系，故贡献将分别为 2/3与1/3 。 * MOS电容的计算(续) 若处于饱和状态，则 表明沟道电荷已与Vds无关，沟道已夹断。那么， Cg = Cgs + 2/3 C， Cd = Cdb + 0 在饱和状态下，沟道长度受到Vds的调制， * MOS电容的计算(续) 当Vds增加时，L?增大，Ids增加，那是因为载流子速度增加了，它与C的分配无关。然而，L?的增大是由于漏极耗尽层宽度有所增加，增大了结电容。故， Cg = Cgs + 2/3C Cd = Cdb + 0 + ?Cdb * 深亚微米CMOS IC工艺的寄生电容(数据) Cap. N+Act. P+Act. Poly M1