1、場效應器件物理場效應器件物理西安電子科技大學西安電子科技大學 XIDIDIAN UNIVERSITY XIDIDIAN UNIVERSITY 第第1010章章 MOSFETMOSFET基礎基礎10.4 10.4 頻率限制特性頻率限制特性 10.5 CMOS10.5 CMOS技術技術10.610.6小結小結10.4 頻率特性頻率特性 本節內容本節內容n 模型的基本概念模型的基本概念n MOSFET的小信號等效電路的小信號等效電路n 頻率限制因素頻率限制因素n 截止頻率的定義、推導和影響因素截止頻率的定義、推導和影響因素2021-11-21XIDIAN UNIVERSITY 10.4 頻率特性頻率

2、特性 模型概述模型概述p電路設計中為準確預測電路性能，利用電路仿真軟件對電路進行仿電路設計中為準確預測電路性能，利用電路仿真軟件對電路進行仿真驗證。真驗證。u常用的電路仿真軟件如常用的電路仿真軟件如HSPICE、PSPICE、SPECTREp仿真：圍繞器件建立電路的仿真：圍繞器件建立電路的IV關系，是一數學求解的過程關系，是一數學求解的過程u電路中元器件要用模型和模型參數來替代真正的器件電路中元器件要用模型和模型參數來替代真正的器件p模型：反映器件特性，可采用數學表達式、等效電路等形式模型：反映器件特性，可采用數學表達式、等效電路等形式u常用模型：等效電路模型。常用模型：等效電路模型。u模型參

3、數：描述等效電路中各元件值所用的參數。模型參數：描述等效電路中各元件值所用的參數。p等效電路模型建立方法：等效電路模型建立方法：u首先通過器件物理分析確定器件等效電路模型的具體形式，首先通過器件物理分析確定器件等效電路模型的具體形式，u再把元器件看成一個再把元器件看成一個“黑箱黑箱”，測量其端點的電學特性，提取出，測量其端點的電學特性，提取出描述該器件特性的模型參數。得到一等效電路模型代替相應器件描述該器件特性的模型參數。得到一等效電路模型代替相應器件2021-11-2110.4 頻率特性頻率特性 MOSFETMOSFET物理模型：物理模型：交流小信號參數交流小信號參數源極串聯電阻源極串聯電阻

4、柵源交疊電容柵源交疊電容漏極串聯電阻漏極串聯電阻柵漏交疊電容柵漏交疊電容漏漏-襯底襯底pn結電容結電容柵源電容柵源電容柵漏電容柵漏電容跨導跨導寄生參數寄生參數本征參數本征參數pG-S：Cgs，Cgsp，rs；pG-D：Cgd，Cgdp ，rd；uCgs,Cgd: 體現了柵和源、漏體現了柵和源、漏附近的附近的溝道電荷間的相互作用溝道電荷間的相互作用線性區：線性區： Cgs Cgd (CoxWL)/2飽和區：飽和區： Cgd 0, Cgs2 (CoxWL)/3uCgsp,Cgdp:交疊電容交疊電容pD-S：gm ， Id gmVgsCds：漏：漏-襯底襯底pn結電容結電容 （DB結勢壘電容結勢壘電

5、容BS結勢壘電容）結勢壘電容）10.4 頻率特性頻率特性 完整的小信號等效電路完整的小信號等效電路p 共源共源n溝溝MOSFET小信號等效電路（小信號等效電路（VBS=0）總的柵源電容總的柵源電容總的柵漏電容總的柵漏電容10.4 頻率特性頻率特性 完整的小信號等效電路：完整的小信號等效電路：V VBSBS影響影響p 共源共源n溝溝MOSFET小信號等效電路（小信號等效電路（VBS0）10.4 頻率特性頻率特性 模型參數模型參數p模型參數：描述等效電路中各元件值所用的參數。模型參數：描述等效電路中各元件值所用的參數。p與與IDS相關的模型參數：相關的模型參數：W，L，KP(ucox)，LAMBD

6、Ap與與VT相關的模型參數：相關的模型參數：VT0，GAMMA， PHIp與柵相關的三個電容參數：與柵相關的三個電容參數：CGD，CGS，CGB）（DSTGSoxnsatDVVVLCWI1)(22)()(222DSDSTGSoxnDVVVVLCWI體效應系數）（）（:22q222q222q2SS0fpfpafpafpaSBTSBoxmsfpoxssoxmsfpoxssoxSBTNVVVCNCQCNCQCVNV10.4 頻率特性頻率特性 模型和模型參數特點模型和模型參數特點o 部分模型參數的定義和部分模型參數的定義和0.5um工藝模型參數的典型值工藝模型參數的典型值2021-11-2110.4

7、頻率特性頻率特性 模型和模型參數特點模型和模型參數特點o隨著溝長的縮短，短溝窄溝效應凸現，隨著溝長的縮短，短溝窄溝效應凸現，IV公式和閾值電壓公式都需修公式和閾值電壓公式都需修正，模型的發展級別特別多，模型也越來越復雜。正，模型的發展級別特別多，模型也越來越復雜。Berkly Short-channel IGET Model10.4 頻率特性頻率特性 模型和模型參數特點模型和模型參數特點p器件模型、模型參數是芯片廠家根據工藝線制備的器件提取器件模型、模型參數是芯片廠家根據工藝線制備的器件提取u生產工藝線不同，器件模型則不同；生產工藝線不同，器件模型則不同；u芯片制造廠不同，器件模型也會不同芯片

8、制造廠不同，器件模型也會不同p電路設計用到的器件模型、模型參數由芯片制造廠提供電路設計用到的器件模型、模型參數由芯片制造廠提供2021-11-211010.4 頻率特性頻率特性 簡化的小信號等效電路簡化的小信號等效電路msmmmdgsmgssmmgsmdgsgssmsgsmgsgssgrgggIVgVrggVgIVVrgrVgVVr11)1 ()(的影響只計入只計入rds10.4 頻率特性頻率特性 高頻等效電路高頻等效電路p 忽略寄生參數忽略寄生參數rs, rd, rds ,和和 Cds，高頻小信號等效電路，高頻小信號等效電路10.4 頻率特性頻率特性 MOSFETMOSFET頻率限制因素頻率

9、限制因素p限制因素限制因素2：柵電容充放電需要的時間：柵電容充放電需要的時間u截止頻率截止頻率fT：器件電流增益為：器件電流增益為1時的頻率時的頻率p限制因素限制因素1：溝道載流子的溝道輸運時間溝道載流子的溝道輸運時間m1設溝道長度cm/s710飽和漂移速度MOSFET Si對LslvGHz1001ps10ttsltfvL截止頻率溝道渡越時間溝道渡越時間通常不是溝道渡越時間通常不是主要頻率限制因素主要頻率限制因素1TidIIff10.4 頻率特性頻率特性 電流電流- -頻率關系頻率關系負載電阻負載電阻)(dVgsVTgdCjgsVTgsCjiIgsMTgsgsLmTgdTgsgsTgdLLmT

10、gdTgsiVCCjVRgCCjVCRjRgCCjI)1 (11輸入電流輸入電流輸出電流輸出電流u密勒效應：將跨越輸入密勒效應：將跨越輸入-輸出端的電容等效到輸入端，輸出端的電容等效到輸入端，C值會擴大（值會擴大（1K）倍，）倍， K為常數為常數)(/gsVdVTgdCjgsVmgLRdVdI)1 (LmTgdMRgCC密勒電容1TgdLCR通常2021-11-211510.4 頻率特性頻率特性 含有密勒電容等效電路含有密勒電容等效電路)1 (LmTgdMRgCC密勒電容p輸入電流公式：輸入電流公式：p米勒電容對米勒電容對MOSFET輸入阻抗的影響：輸入阻抗的影響：u使輸入阻抗減小使輸入阻抗減

11、小gsMTgsgsLmTgdTgsgsTgdLLmTgdTgsiVCCjVRgCCjVCRjRgCCjI)1 (1110.4 頻率特性頻率特性 截止頻率推導截止頻率推導)(2MTgsmidgsmdgsMTgsiCCfgIIVgIVCCjI電流增益輸出電流輸入電流MCTgsCGCmgGCmgMCTgsCmgIIffid等效輸入柵極電容跨導截止頻率2)(21T的倒數溝道長度的平方遷移率在理想情況下，飽和區22G2)()(, 0LLVVfVVLCWgWLCCCCnTGSnTTGSoxnmoxgsTgdT10.4 頻率特性頻率特性 提高頻率特性途徑提高頻率特性途徑p提高遷移率（提高遷移率（100方向，

12、工藝優質）方向，工藝優質）p縮短縮短Lp減小寄生電容（硅柵基本取代了鋁柵）減小寄生電容（硅柵基本取代了鋁柵）的倒數溝道長度的平方遷移率在理想情況下，222)(LLVVfnTGSnT10.4 頻率特性頻率特性 需掌握內容需掌握內容 n 模型的基本概念模型的基本概念n MOSFET的高低頻等效電路的高低頻等效電路n 思考：飽和區思考：飽和區VGS變化，溝道電荷的來源？變化，溝道電荷的來源？n 頻率特性的影響因素頻率特性的影響因素n 米勒電容和含米勒電容和含CM的等效電路的等效電路n 截止頻率的定義、推導和影響因素截止頻率的定義、推導和影響因素n 提高截止頻率的途徑提高截止頻率的途徑2021-11-

13、21XIDIAN UNIVERSITY 10.5 開關特性開關特性 本節內容本節內容n CMOS概念概念n CMOS如何實現低功耗，全電平擺幅如何實現低功耗，全電平擺幅n CMOS的開關過程及影響因素的開關過程及影響因素n MOSFET的版圖的版圖n CMOS閂鎖效應閂鎖效應n MOSFET的噪聲特性的噪聲特性2021-11-21XIDIAN UNIVERSITY 10.5 開關特性開關特性 開關原理開關原理MOS開關相當于一個反相器。開關相當于一個反相器。CMOS反相器反相器p CMOS（Complentary 互補互補CMOS）u n溝溝MOSFET與與p溝溝MOSFET互補互補u 實現低

14、功耗、全電平擺幅實現低功耗、全電平擺幅u 數字邏輯電路的首選工藝數字邏輯電路的首選工藝10.5 開關特性開關特性 什么是什么是CMOS？10.5 開關特性開關特性 CMOS反相器反相器pCMOS如何實現低功耗，全電平擺幅？如何實現低功耗，全電平擺幅？nCLT：輸出端對地總電容，包括下一級負載電容、引線電輸出端對地總電容，包括下一級負載電容、引線電 容、容、 NMOS和和PMOS的漏襯的漏襯PN結電容結電容n全電平擺幅：全電平擺幅：VOH- VOL=VDD-0=VDDn靜態功耗：充放電完成后電路的功耗，近似為零，靜態功耗：充放電完成后電路的功耗，近似為零， 靜態時一管導通，另一管截止，不存在直流

15、通路靜態時一管導通，另一管截止，不存在直流通路n動態功耗：輸入高低電平轉換過程中的功耗。動態功耗：輸入高低電平轉換過程中的功耗。pNMOS傳輸高電平會有傳輸高電平會有VTN的損失。原因？的損失。原因？pPMOS傳輸低電平會有傳輸低電平會有VTP的損失。原因？的損失。原因？p開關時間：輸出相對于輸入的時間延遲，包括導通時間開關時間：輸出相對于輸入的時間延遲，包括導通時間t tonon和關斷時間和關斷時間t toffoffu載流子溝道輸運時間，（本征延遲）載流子溝道輸運時間，（本征延遲）u輸出端對地電容的充放電時間。（負載延遲）輸出端對地電容的充放電時間。（負載延遲）p提高開關速度途徑（降低開關時

16、間）：提高開關速度途徑（降低開關時間）：u減小溝長減小溝長L L（L5um,LXj:很好的保持長溝特性。很好的保持長溝特性。u 要求濃度高，形成良好的歐姆接觸，減小要求濃度高，形成良好的歐姆接觸，減小RSRD。2021-11-214110.6 補充補充 器件設計器件設計p材料的選擇：材料的選擇：（1）襯底材料：）襯底材料：u摻雜濃度：摻雜濃度：VT、 gm、耐壓與、耐壓與NB相關，相關，VT與與NB關系最密切。關系最密切。u若選用離子注入調整若選用離子注入調整VT技術，技術，NB的濃度可適當減小，的濃度可適當減小， 可減小寄生電容，增加耐壓。可減小寄生電容，增加耐壓。u襯底晶向：盡量采用（襯底

17、晶向：盡量采用（100）晶向）晶向 表面態密度小，載流子遷移率較高。表面態密度小，載流子遷移率較高。（2）柵材料：）柵材料：u硅柵優于鋁柵（面積、寄生電容），但隨著絕緣層高硅柵優于鋁柵（面積、寄生電容），但隨著絕緣層高K介質的使用介質的使用 ，需，需要選擇某些稀有金屬（要選擇某些稀有金屬（Ni，Co，Ti等）作柵。等）作柵。u柵絕緣層材料：最成熟的柵絕緣層材料：最成熟的SiO2，45nm工藝后采用的高工藝后采用的高K介質介質HfO2.msfpoxCssQoxCSDQTNV2|max|10.7 小結小結p MOSFET的幾個簡單公式：的幾個簡單公式：2)()(2TGSoxnsatDVVLCWI)

18、(gdTGSoxnLmsVVLCWg22)(LTVGSVnTf)(222DSDSTGSoxnDVVVVLCWI薩氏方程：薩氏方程：MOSFT電流電流電壓特性的經典描述。電壓特性的經典描述。msfpoxCssQoxCSDQTNV2|max|DRSRRLdg1onpMOSFET是一種表面性器件，工作電流延表面橫向流動，所以器是一種表面性器件，工作電流延表面橫向流動，所以器件特性強烈依賴于溝道表面尺寸件特性強烈依賴于溝道表面尺寸W、L。L越小，截止頻率和跨導越小，截止頻率和跨導越大，集成度越高。越大，集成度越高。pFET僅多子參與導電，無少子存貯、擴散、復合效應（雙極里講僅多子參與導電，無少子存貯、

19、擴散、復合效應（雙極里講過），開關速度高，適于高頻高速工作過），開關速度高，適于高頻高速工作 pMOSFET的柵源間有絕緣介質，所以為電容性高輸入阻抗，可用的柵源間有絕緣介質，所以為電容性高輸入阻抗，可用來存儲信息。（存儲電路，來存儲信息。（存儲電路，mosfet）pSb,db處于反偏（至少處于反偏（至少0偏），同一襯底上的多偏），同一襯底上的多MOSFET可實現可實現自隔離效果。自隔離效果。p硅柵基本取代了鋁柵，可實現自對準，減小器件尺寸，提高集成度。硅柵基本取代了鋁柵，可實現自對準，減小器件尺寸，提高集成度。10.7 小結小結 1pMOSFET可以分為可以分為n溝道、溝道、p溝道，增強型、

20、耗盡型。對于不同類溝道，增強型、耗盡型。對于不同類型的型的MOSFET，柵源電壓、漏源電壓、閾值電壓的極性不同。，柵源電壓、漏源電壓、閾值電壓的極性不同。p特性曲線和特性函數是描述特性曲線和特性函數是描述MOSFET電流電流-電壓特性的主要方式。電壓特性的主要方式。跨導和截止頻率是表征跨導和截止頻率是表征MOSFET性質的兩個最重要的參數。性質的兩個最重要的參數。p根據根據MOSFET的轉移特性（的轉移特性（ID-VGS），可分為導通區和截止區；），可分為導通區和截止區；根據根據MOSFET的輸出特性（的輸出特性（ID-VDS），可分為線性區、非飽和區），可分為線性區、非飽和區和飽和區。和飽和

21、區。p影響影響MOSFET頻率特性的因素有柵電容充放電時間和載流子溝道頻率特性的因素有柵電容充放電時間和載流子溝道渡越時間，通常前者是決定渡越時間，通常前者是決定MOSFET截止頻率的主要限制因素。截止頻率的主要限制因素。pCMOS技術使技術使n溝溝MOSFET和和p溝溝MOSFET的優勢互補，但可能的優勢互補，但可能存在閂鎖等不良效應。存在閂鎖等不良效應。 11.7 小結小結 2pMOS電容是電容是MOSFET的核心。隨表面勢的不同，半導體表面可以處的核心。隨表面勢的不同，半導體表面可以處于堆積、平帶、耗盡、本征、弱反型、強反型等狀態。于堆積、平帶、耗盡、本征、弱反型、強反型等狀態。 MOS

22、FET導導通時工作在強反型狀態通時工作在強反型狀態p柵壓、功函數差、氧化層電荷都會引起半導體表面能帶的彎曲或表面柵壓、功函數差、氧化層電荷都會引起半導體表面能帶的彎曲或表面勢。勢。p表面處于平帶時的柵壓為平帶電壓，使表面處于強反型的柵壓為閾值表面處于平帶時的柵壓為平帶電壓，使表面處于強反型的柵壓為閾值電壓。閾值電壓與平帶電壓、半導體摻雜濃度、氧化層電荷、氧化層電壓。閾值電壓與平帶電壓、半導體摻雜濃度、氧化層電荷、氧化層厚度等有關。厚度等有關。pC-V曲線常用于表征曲線常用于表征MOS電容的性質，氧化層電荷使電容的性質，氧化層電荷使C-V曲線平移，曲線平移，界面陷阱使界面陷阱使C-V曲線變緩曲線變緩pMOSFET根據柵壓的變化可以處于導通（強反型）或者截止狀態，根據柵壓的變化可以處于導通（強反型）或者截止狀態，故可用作開關；加在柵源上的信號電壓的微小變化