PPT《第五章 MOS 场效应管的特性》

0 + ?Cdb 深亚微米CMOS IC工艺的寄生电容(数据) Cap.N+Act.P+Act.PolyM1M2M3UnitsArea (sub.)5269378325108aF/um2Area (poly)541811aF/um2Area (M1)46 17aF/um2Area (M2)49aF/um2Area (N+act.)3599aF/um2Area (P+act.)3415aF/um2Fringe (sub.)249261aF/um 深亚微米CMOS IC工艺的寄生电容(图示) Cross view of parasitic capacitor of TSMC_0.35um CMOS technology 5.2 MOSFET的阈值电压VT 阈值电压是MOS器件的一个重要参数.按MOS沟道随栅压正向和负向增加而形成或消失的机理,存在着两种类型的MOS器件:耗尽型(Depletion):沟道在Vgs=0时已经存在.当Vgs 负 到一定程度时截止.一般情况,这类器件用作负载.增强型(Enhancement):在正常情况下它是截止的,只有当Vgs 正 到一定程度,才会导通,故用作开关. VT的组成 概念上讲, VT就是将栅极下面的Si表面从P型Si变为N型Si所必要的电压. 它由两个分量组成, 即: VT= Us+ VoxUs : Si表面电位;

Vox: SiO2层上的压降. 图5.5 1. Us 的计算 将栅极下面的Si表面从P/N型Si变为N/P型Si所必要的电压Us 与衬底浓度Na有关.在半导体理论中,P型半导体的费米能级是靠近满带的,而N型半导体的费米能级则是靠近导带的.要想把P型变为N型,外加电压必须补偿这两个费米能级之差. 所以有: 图5.4 2. Vox的计算 Vox根据右图从金属到氧化物到Si衬底Xm处的电场分布曲线导出: VT的理想计算公式 在工艺环境确定后,MOS管的阈值电压VT主要决定于:1. 衬底的掺杂浓度Na.2. Cox 5.3 MOSFET的体效应 前面的推导都假设源极和衬底都接地,认为Vgs是加在栅极与衬底之间的.实际上,在许多场合,源极与衬底并不连接在一起.通常,衬底是接地的,但源极未必接地,源极不接地时对VT值的影响称为体效应(Body Effect). 图5.6 图5.7 某一CMOS工艺条件下,NMOS阈值电压随源极-衬底电压的变化曲线 5.4 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)? ? 5.5 MOSFET的噪声 MOSFET的噪声来源主要由两部分: 热噪声(thermal noise) 闪烁噪声(flicker noise,1/f-noise) MOSFET的噪声(续) 热噪声是由沟道内载流子的无规则热运动造成 的,通过沟道电阻生成热噪声电压 veg(T,t),其等效电压值可近似表达为 Df为所研究的频带宽度, T是绝对温度.设MOS模拟电路工作在饱和区, gm可写为所以,结论:增加MOS的栅宽和偏置电流,可减小器件的热噪声. 闪烁噪声(flicker noise,1/f -noise)的形成机理:沟道处SiO2与Si界面上电子的充放电而引起. 闪烁噪声的等效电压值可表达为K2是一个系数,典型值为3?1024V2F/Hz.因为 ??1,所以闪烁噪声被称之为1/f 噪声.电路设计时,增加栅长W,可降低闪烁噪声. MOSFET的噪声(续) 两点重要说明:1. 有源器件的噪声特性对于小信号放大器和振荡器等模拟电路的设计是至关重要的;

2. 所有FET(MOSFET, MESFET等)的1/f 噪声都高出相应的BJT的1/f 噪声约10倍.这一特征在考虑振荡器电路方案时必须要给予重视. MOSFET的噪声(续) 5.6 MOSFET尺寸按比例缩小(Scaling-down) MOSFET尺寸缩小对器件性能的影响 MOSFET特性:非饱和区 饱和区 结论1:L ? ? Ids ? tox? ? Ids ? L? + tox?? Ids ? ? 减小L和tox引起MOSFET的电流控制能力提高结论2:W? ? Ids? ? P? 减小W引起MOSFET的电流控制能力和输出功率减小结论3:( L? + tox?+W?)?Ids=C ? AMOS? 同时减小L,tox和W, 可保持Ids不变,但导致 器件占用面积减小,电路集成度提高.总结论:缩小MOSFET尺寸是VLSI发展的总趋势! MOSFET尺寸缩小对器件性能的影响 减小L引起的问题: L??Vds=C ? (Ech?,Vdsmax?) 即在Vds?Vdsmax=VDD不变的情况下,减小L将导致击穿电压降低.解决方案:减小L的同时降低电源电压VDD.降低电源电压的关键:降低开启电压VT MOSFET尺寸缩小对器件性能的影响 图5.8 栅长、阈值电压、与电源电压 L(?m)1020.50.350.18VT(V) 7-9 410.60.4VDD(V) 201253.31.8 VT的功能与降低VT的措施VT的功能:1) 在栅极下面的Si区域中形成反型层;