半导体物理与器件半导体物理与器件西安电子科技大学西安电子科技大学 XIDIDIAN UNIVERSITY XIDIDIAN UNIVERSITY 张丽张丽第第1111章章 MOSFET MOSFET根底根底11.4 11.4 频率限制特性频率限制特性 11.5 CMOS 11.5 CMOS技术技术11.611.6小结小结2022-12-20XIDIAN UNIVERSITY 1.4 频率特性频率特性 本节内本节内容容模型的根本概念模型的根本概念MOSFET的小信号等效电路的小信号等效电路频率限制要素频率限制要素截止频率的定义、推导和影响要素截止频率的定义、推导和影响要素1.4 频率特性频率特性 模型概模型概述述n电路设计中为准确预测电路性能，利用电路仿真软件对电路进展仿电路设计中为准确预测电路性能，利用电路仿真软件对电路进展仿真验证n常用的电路仿真软件如常用的电路仿真软件如HSPICE、PSPICE、SPECTREn仿真：围绕器件建立电路的仿真：围绕器件建立电路的IV关系，是一数学求解的过程关系，是一数学求解的过程n 电路中元器件要用模型和模型参数来替代真正的器件电路中元器件要用模型和模型参数来替代真正的器件。
n 模型：反映器件特性，可采用数学表达式、等效电路等方式模型：反映器件特性，可采用数学表达式、等效电路等方式n常用模型：等效电路模型常用模型：等效电路模型n 模型参数：描画等效电路中各元件值所用的参数模型参数：描画等效电路中各元件值所用的参数n等效电路模型建立方法：等效电路模型建立方法：n 首先经过器件物理分析确定器件等效电路模型的详细方式，首先经过器件物理分析确定器件等效电路模型的详细方式，n 再把元器件看成一个再把元器件看成一个“黑箱，丈量其端点的电学特性，提取出黑箱，丈量其端点的电学特性，提取出描画该器件特性的模型参数得到一等效电路模型替代相应器件描画该器件特性的模型参数得到一等效电路模型替代相应器件1.4 频率特性频率特性 MOSFET物理模型：交物理模型：交流小信号参数流小信号参数源极串联电阻源极串联电阻栅源交叠电容栅源交叠电容漏极串联电阻漏极串联电阻栅漏交叠电容栅漏交叠电容漏漏-衬底衬底pn结电容结电容栅源电容栅源电容栅漏电容栅漏电容跨导跨导寄生参数寄生参数本征参数本征参数1.4 频率特性频率特性 完好的小信号等完好的小信号等效电路效电路共源共源n沟沟MOSFET小信号等效电路小信号等效电路VBS=0总的栅源电容总的栅源电容总的栅漏电容总的栅漏电容1.4 频率特性频率特性 完好的小信号等效电路：完好的小信号等效电路：VBS影响影响共源共源n沟沟MOSFET小信号等效电路小信号等效电路VBS01.4 频率特性频率特性 模型参模型参数数n模型参数：描画等效电路中各元件值所用的参数。
模型参数：描画等效电路中各元件值所用的参数n与与IDS相关的模型参数：相关的模型参数：W，L，KP(ucox)，LAMBDAn与与VT相关的模型参数：相关的模型参数：VT0，GAMMA，PHIn与栅相关的三个电容参数：与栅相关的三个电容参数：CGD，CGS，CGB）（DSTGSoxnsatDVVVLCWI1)(22)()(222DSDSTGSoxnDVVVVLCWI体效应系数）（）（:22q222q222q2SS0fpfpafpafpaSBTSBoxmsfpoxssoxmsfpoxssoxSBTNVVVCNCQCNCQCVNV1.4 频率特性频率特性 模型和模型模型和模型参数特点：参数特点：n部分模型参数的定义和部分模型参数的定义和0.5um工艺模型参数的典型值工艺模型参数的典型值1.4 频率特性频率特性 模型和模型模型和模型参数特点：参数特点：n随着沟长的缩短，短沟窄沟效应凸现，随着沟长的缩短，短沟窄沟效应凸现，IV公式和阈值电压公公式和阈值电压公式都需修正，模型的开展级别特别多，模型也越来越复杂式都需修正，模型的开展级别特别多，模型也越来越复杂n LEVEL1n 最简单，适宜长沟道器件，均匀掺杂的预分析最简单，适宜长沟道器件，均匀掺杂的预分析n LEVEL2n 含详细的器件物理二级模型，但公式复杂，模拟效率低，含详细的器件物理二级模型，但公式复杂，模拟效率低，小尺寸小尺寸n 管符合不好。
管符合不好n LEVEL3n 阅历模型，公式简单模拟效率高，精度同阅历模型，公式简单模拟效率高，精度同LEVEL2小尺寸管精小尺寸管精n 度不高n BSIM1Berkly Short-channel IGET ModelLEVEL13，28n 阅历模型，记入电参数对几何尺寸的依赖性长沟道管阅历模型，记入电参数对几何尺寸的依赖性长沟道管1um以以n 上的器件精度高上的器件精度高1.4 频率特性频率特性 模型和模型模型和模型参数特点：参数特点：n电路设计用到的器件模型、模型参数由晶圆制造厂提供，是工艺电路设计用到的器件模型、模型参数由晶圆制造厂提供，是工艺厂家根据制备的器件提取厂家根据制备的器件提取n消费工艺线不同、晶圆制造厂不同，器件模型那么不同消费工艺线不同、晶圆制造厂不同，器件模型那么不同1.4 频率特性频率特性 简化的小信号简化的小信号等效电路等效电路只计入只计入rdsmsmmmdgsmgssmmgsmdgsgssmsgsmgsgssgrgggIVgVrggVgIVVrgrVgVVr11)1()(的影响1.4 频率特性频率特性 高频高频等效电路等效电路忽略寄生参数忽略寄生参数rs,rd,rds,和和 Cds，高频小信号等效，高频小信号等效电路电路1.4 频率特性频率特性 MOSFET频率频率限制要素限制要素限制要素限制要素2：栅电容充放电需求的时间：栅电容充放电需求的时间限制要素限制要素1：沟道载流子的沟道输运时间：沟道载流子的沟道输运时间m1设沟道长度cm/s710饱和漂移速度MOSFET Si对LslvGHz1001ps10ttsltfvL截止频率沟道渡越时间沟道渡越时间通常不是沟道渡越时间通常不是主要频率限制要素主要频率限制要素1TidIIff截止频率：1.4 频率特性频率特性 电流电流-频率关系频率关系负载电阻负载电阻)(dVgsVTgdCjgsVTgsCjiIgsMTgsgsLmTgdTgsgsTgdLLmTgdTgsiVCCjVRgCCjVCRjRgCCjI)1(11)1(LmTgdMRgCC密勒电容1TgdLCR通常输入电流输入电流输出电流输出电流密勒效应：将跨越输入密勒效应：将跨越输入-输出端的输出端的电容等效到输入端，电容等效到输入端，C值会扩展值会扩展1K倍，倍，K为常数为常数)(/gsVdVTgdCjgsVmgLRdVdI1.4 频率特性频率特性 含有密勒电容含有密勒电容等效电路等效电路)1(LmTgdMRgCC密勒电容米勒电容：使输入阻抗减小米勒电容：使输入阻抗减小gsMTgsgsLmTgdTgsgsTgdLLmTgdTgsiVCCjVRgCCjVCRjRgCCjI)1(111.4 频率特性频率特性 截止频截止频率推导率推导)(2MTgsmidgsmdgsMTgsiCCfgIIVgIVCCjI电流增益输出电流输入电流MCTgsCGCmgGCmgMCTgsCmgIIffid等效输入栅极电容跨导截止频率2)(21T的倒数沟道长度的平方迁移率在理想情况下，饱和区22G2)()(,0LLVVfVVLCWgWLCCCCnTGSnTTGSoxnmoxgsTgdT1.4 频率特性频率特性 提高频率特提高频率特性途径性途径n提高迁移率提高迁移率100方向，工艺优质方向，工艺优质n缩短缩短Ln减小寄生电容硅栅根本取代了铝栅减小寄生电容硅栅根本取代了铝栅的倒数沟道长度的平方迁移率在理想情况下，222)(LLVVfnTGSnT2022-12-20XIDIAN UNIVERSITY 1.4 频率特性频率特性 需掌握需掌握内容内容n模型的根本概念模型的根本概念nMOSFET的高低频等效电路的高低频等效电路n思索：饱和区思索：饱和区VGS变化，沟道电荷的来源？变化，沟道电荷的来源？n频率特性的影响要素频率特性的影响要素n米勒电容和含米勒电容和含CM的等效电路的等效电路n截止频率的定义、推导和影响要素截止频率的定义、推导和影响要素n提高截止频率的途径提高截止频率的途径2022-12-20XIDIAN UNIVERSITY 1.5 开关特性开关特性 本节内本节内容容CMOS概念概念CMOS如何实现低功耗，全电平摆幅如何实现低功耗，全电平摆幅CMOS的开关过程及影响要素的开关过程及影响要素MOSFET的幅员的幅员CMOS闩锁效应闩锁效应MOSFET的噪声特性的噪声特性1.5 开关特性开关特性 开关原理开关原理MOS开关相当于一个反相器。
开关相当于一个反相器CMOS反相器反相器1.5 开关特性开关特性 什么是什么是CMOS？nCMOSComplentary 互补互补CMOSnn沟沟MOSFET与与p沟沟MOSFET互补互补n实现低功耗、全电平摆幅实现低功耗、全电平摆幅n数字逻辑电路的首选工艺数字逻辑电路的首选工艺1.5 开关特性开关特性 CMOS反反相器相器nNMOS传输高电平会有传输高电平会有VTN的损的损失缘由？失缘由？nPMOS传输低电平会有传输低电平会有VTP的损的损失缘由？失缘由？CMOS如何实现低功耗，全电平摆幅？如何实现低功耗，全电平摆幅？CLT:输出端对地总电容，包括下一级输出端对地总电容，包括下一级负载电容、引线电容、负载电容、引线电容、NMOS和和PMOS的漏衬的漏衬PN结电容n全电平摆幅：全电平摆幅：VOH-VOL=VDD-0=VDDn静态功耗：充放电完成后电路的功耗，近似为零静态功耗：充放电完成后电路的功耗，近似为零:n 静态时一管导通，另一管截止，不存在直流通路静态时一管导通，另一管截止，不存在直流通路n动态功耗：输入高低电平转换过程中的功耗动态功耗：输入高低电平转换过程中的功耗1.5开关特性开关特性 开关时开关时间间n开关时间：输出相对于输入的时间延迟，包括导通时间开关时间：输出相对于输入的时间延迟，包括导通时间tonton和关断时间和关断时间tofftoff。
n 来源：载流子沟道输运时间，本征延迟来源：载流子沟道输运时间，本征延迟n 输出端对地电容的充放电时间负载延迟输出端对地电容的充放电时间负载延迟n提高开关速度途径降低开关时间：提高开关速度途径降低开关时间：n 减小沟长减小沟长L LL5um,LXj:很好的坚持长沟特性很好的坚持长沟特性要求浓度高，构成良好的欧姆接触，减小要求浓度高，构成良好的欧姆接触，减小RSRD2022-12-20XIDIAN UNIVERSITY 1.6 补充补充 器件设计器件设计资料的选择：资料的选择：1衬底资料：衬底资料：掺杂浓度：掺杂浓度：gm、VT、耐压与、耐压与NB相关，相关，VT与与NB关系最亲密关系最亲密假设选用离子注入调整假设选用离子注入调整VT技术，技术，NB的浓度可适当减小，的浓度可适当减小，可减小寄生电容，添加耐压可减小寄生电容，添加耐压衬底晶向：尽量采用衬底晶向：尽量采用100晶向晶向 外表态密度小，载流子迁移率较高外表态密度小，载流子迁移率较高2栅资料：栅资料：硅栅优于铝栅面积、寄生电容，但随着绝缘层高硅栅优于铝栅面积、寄生电容，但随着绝缘层高K介质的运用介质的运用，需求选择某些，需求选择某些稀有金属稀有金属Ni，Co，Ti等作栅。
等作栅栅绝缘层资料：最成熟的栅绝缘层资料：最成熟的SiO2，45nm工艺后采用的高工艺后采用的高K介质介质HfO2.msfpoxCssQoxCSDQTNV2|max|11.7 小结小结nMOSFET的几个简单公式：的几个简单公式：2)()(2TGSoxnsatDVVLCWI)(gdTGSoxnLmsVVLCWg22)(LTVGSVnTf)(222DSDSTGSoxnDVVVVLCWI萨氏方程：萨氏方程：MOSFT电流电流电压特性的经典描画电压特性的经典描画msfpoxCssQoxCSDQTNV2|max|DRSRRLdg1on11.7 小结小结 1nMOSFET是一种外表性器件，任务电流延外表横向流动，是一种外表性器件，任务电流延外表横向流动，所以器件特性剧烈依赖于沟道外表尺寸所以器件特性剧烈依赖于沟道外表尺寸W、LL越小，越小，截止频率和跨导越大，集成度越高截止频率和跨导越大，集成度越高nFET仅多子参与导电，无少子存贮、分散、复合效应仅多子参与导电，无少子存贮、分散、复合效应双极里讲过，开关速度高，适于高频高速任务双极里讲过，开关速度高，适于高频高速任务 nMOSFET的栅源间有绝缘介质，所以为电容性高输入阻的栅源间有绝缘介质，所以为电容性高输入阻抗，可用来存储信息。
存储电路，抗，可用来存储信息存储电路，mosfetnSb,db处于反偏至少处于反偏至少0偏，同一衬底上的多偏，同一衬底上的多MOSFET可实现自隔离效果可实现自隔离效果n硅栅根本取代了铝栅，可实现自对准，减小器件尺寸，硅栅根本取代了铝栅，可实现自对准，减小器件尺寸，提高集成度提高集成度11.7 小结小结 2nMOSFET可以分为可以分为n沟道、沟道、p沟道，加强型、耗尽型对于不同类型的沟道，加强型、耗尽型对于不同类型的MOSFET，栅源电压、漏源电压、阈值电压的极性不同栅源电压、漏源电压、阈值电压的极性不同n特性曲线和特性函数是描画特性曲线和特性函数是描画MOSFET电流电流-电压特性的主要方式跨导电压特性的主要方式跨导和截止频率是表征和截止频率是表征MOSFET性质的两个最重要的参数性质的两个最重要的参数n根据根据MOSFET的转移特性的转移特性ID-VGS，可分为导通区和截止区；根据，可分为导通区和截止区；根据MOSFET的输出特性的输出特性ID-VDS，可分为线性区、非饱和区和饱和区可分为线性区、非饱和区和饱和区n影响影响MOSFET频率特性的要素有栅电容充放电时间和载流子沟道渡越频率特性的要素有栅电容充放电时间和载流子沟道渡越时间，通常前者是决议时间，通常前者是决议MOSFET截止频率的主要限制要素。
截止频率的主要限制要素nCMOS技术使技术使n沟沟MOSFET和和p沟沟MOSFET的优势互补，但能够存在闩的优势互补，但能够存在闩锁等不良效应锁等不良效应11.7 小结小结 2nMOS电容是电容是MOSFET的中心随外表势的不同，半导体外表可以处于的中心随外表势的不同，半导体外表可以处于堆积、平带、耗尽、本征、弱反型、强反型等形状堆积、平带、耗尽、本征、弱反型、强反型等形状MOSFET导通时导通时任务在强反型形状任务在强反型形状n栅压、功函数差、氧化层电荷都会引起半导体外表能带的弯曲或外表栅压、功函数差、氧化层电荷都会引起半导体外表能带的弯曲或外表势n外表处于平带时的栅压为平带电压，使外表处于强反型的栅压为阈值外表处于平带时的栅压为平带电压，使外表处于强反型的栅压为阈值电压阈值电压与平带电压、半导体掺杂浓度、氧化层电荷、氧化层电压阈值电压与平带电压、半导体掺杂浓度、氧化层电荷、氧化层厚度等有关厚度等有关nC-V曲线常用于表征曲线常用于表征MOS电容的性质，氧化层电荷使电容的性质，氧化层电荷使C-V曲线平移，界曲线平移，界面圈套使面圈套使C-V曲线变缓曲线变缓nMOSFET根据栅压的变化可以处于导通强反型或者截止形状，故根据栅压的变化可以处于导通强反型或者截止形状，故可用作开关；加在栅源上的信号电压的微小变化可以引起漏源电流的可用作开关；加在栅源上的信号电压的微小变化可以引起漏源电流的较大变化，故可用作放大。
较大变化，故可用作放大课前提问题课前提问题1n11.1 MOS电容电容n场效应管通常有哪三个电极？作为放大管运用时，输入场效应管通常有哪三个电极？作为放大管运用时，输入信号或者控制信号通常加在哪个极？输出信号或信号或者控制信号通常加在哪个极？输出信号或者被控制信号通常加在哪个极？者被控制信号通常加在哪个极？n在集成电路所采用的在集成电路所采用的MOS构造中，构造中，M、O、S通常采用通常采用何种资料？何种资料？n什么叫半导体的外表势？有哪些缘由能够引起半导体的什么叫半导体的外表势？有哪些缘由能够引起半导体的外表势？外表势？n改动改动MOS电容二端的电压时，半导体外表能够会处于哪电容二端的电压时，半导体外表能够会处于哪几种形状？几种形状？n请阐明平带电压和阈值电压的区别请阐明平带电压和阈值电压的区别11.2 C-V曲线什么要素会使C-V曲线平移？什么要素会使C-V曲线的变化变缓？11.3 MOSFET原理在构造上MOSFET与MOS电容有何不同？为什么MOSFET可以起到开关或放大的作用？在MOSFET中，存在有哪几种类型的电荷？n沟道MOSFET处于饱和区时，VGS和VDS应满足何种条件？11.4 频率特性11.5 CMOS技术课前提问题2重要术语解释重要术语解释知识点复习题END 。