MOS器件物理.doc

CMOS模拟集成电路分析与设计

教材及参考书
?教材：
?吴建辉编著：“CMOS模拟集成电路分析与设计”(第二版)，电子工业出版社。

?参考书：
?RazaviB:DesignofanalogCMOSintegratedcircuits?AllenPE:CMOSAnalogCircuitDesign?R.JacobBaker:CMOSMixed-SignalCircuitDesign

引言
?模拟电路与模拟集成电路
?WhyCMOS？

?先进工艺下模拟集成电路的挑战？

半导体材料(衬底)有源器件特性

第一讲基本MOS器件物理

本章主要内容
?本章是CMOS模拟集成电路设计的基础，主要内容为：
1、有源器件：
?主要从MOS晶体管的基本结构出发，分析其阈值电压及基本特性（输入输出特性、转移特性等）；?介绍MOS管的寄生电容；?讲解MOS管的主要的二次效应，进而得出其低频小信号等效模型和高频小信号等效模型；?介绍有源电阻的结构与特点。

2、无源器件：
?模拟集成电路中常用的电阻、电容的结构及其特点。

3、等比例缩小理论4、短沟道效应及狭沟道效应5、MOS器件模型

1、有源器件
主要内容：
?几何结构

?工作原理
?MOS管的寄生电容?电学特性?MOS管主要的二次效应?低频小信号等效模型

?高频小信号等效模型
?有源电阻

有源器件－MOS管
?结构与几何参数（1）G
tox
Bp+n+SDn+p+n阱p型衬底(a)DGSp+n+B

W

d多晶p+接触孔

L

d(b)n阱栅氧化层
p＋

n+接触孔

p+扩散区

n＋

n+扩散区

有源器件－MOS管
?结构与几何参数（2）：
?在栅氧下的衬底区域为器件的有效工作区（即MOS管的沟道）。

?MOS管的两个有源区（源区与漏区）在制作时是几何对称的：
?一般根据电荷的输入与输出来定义源区与漏区：
?源端被定义为输出电荷（若为NMOS器件则为电子）的端口；

?而漏端则为收集电荷的端口。

?当该器件三端的电压发生改变时，源区与漏区就可能改变作用而相互交换定义。

?在模拟IC中还要考虑衬底（B）的影响，衬底电位一般是通过一欧
姆p＋区（NMOS的衬底）以及n＋区(PMOS衬底)实现连接的，所以在模拟集成电路中对于MOS晶体管而言，是一四端口器件。

有源器件－MOS管
?结构与几何参数（3）：
?注意：在数字集成电路设计，由于源/漏区的结二极管必须为反偏，
NMOS晶体管的衬底必须连接到系统的最低电位，而PMOS晶体管的衬底（即为n阱）必须连接到系统的最高电位，即在数字集成电

路中MOS晶体管可看成三端口器件。
?对于单阱工艺而言，如n阱工艺，所有的NMOS管具有相同的衬底电位，而对于PMOS管而言可以有一个独立的n阱，则可以接不同的阱电位，即其衬底电位可以不同。?现在很多的CMOS工艺线采用了双阱工艺，即把NMOS管与PMOS管都制作在各自的阱内：NMOS管在p阱内，PMOS管在n阱内；因此，对于每一个NMOS管与PMOS管都可以有各自的衬底电位。

有源器件－MOS管
?结构与几何参数（4）：
?沟道长度L：
?由于CMOS工艺的自对准的特点，其沟道长度定义为漏源
之间栅的尺寸，一般其最小尺寸即为制造工艺中所给的特征尺寸；

?由于在制造漏/源结时会发生边缘扩散，所以源漏之间的实
际距离（称之为有效长度L’）略小于长度L，则有L’＝L－2d，其中L是漏源之间的总长度，d是边缘扩散的长度。

?沟道宽度W：垂直于沟道长度方向的栅的尺寸。
?栅氧厚度tox：则为栅极与衬底之间的二氧化硅的厚度。

有源器件－MOS管
?MOS管的工作原理及表示符号（1）：
?MOS管可分为增强型与耗尽型两类：
?增强型是指在栅源电压VGS为0时没有导电沟道，而必须依靠栅源电压的作用，才能形成感生沟道的MOS晶体管；?耗尽型是指即使在栅源电压VGS为0时MOS晶体管

也存在导电沟道。

?这两类MOS管的基本工作原理一致，都是利用栅源电压的大小来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。

有源器件－MOS管
?MOS管的工作原理及表示符号（2）：
?当栅源电压VGS=0时，源区（n＋型）、衬底（p型）和漏区（n＋型）
形成两个背靠背的PN结，不管VDS的极性如何，其中总有一个PN结是反偏的，所以源漏之间的电阻主要为PN结的反偏电阻，基本上无电流流过，即漏电流ID为0，此时漏源之间的电阻很大，没有形成导电沟道。?当栅源之间加上正向电压，则栅极和p型硅片之间构成了以二氧化硅为介质的平板电容器，在正的栅源电压作用下，介质中便产生了一个垂直于半导体表面的由栅极指向p型衬底的电场（由于绝缘层很薄，即使只有几伏的栅源电压VGS，也可产生高达105~106V/cm