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基础基础11.4 11.4 频率限制特性频率限制特性 11.5 CMOS 11.5 CMOS技术小结技术小结2024/9/1712024/9/17XIDIAN UNIVERSITY 1.4 频率特性频率特性 本节本节内容内容n模型的基本概念模型的基本概念nMOSFET的小信号等效电路的小信号等效电路n频率限制因素频率限制因素n截止频率的定义、推导和影响因素截止频率的定义、推导和影响因素2024/9/1721.4 频率特性频率特性 模型概述模型概述n电路设计中为准确电路设计中为准确预测电路性能预测电路性能，利用电路仿真软件对电路进行，利用电路仿真软件对电路进行仿仿真验证真验证。n常用的常用的电路仿真软件电路仿真软件如如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关系关系，是一数学求解的过程，是一数学求解的过程。 电路中元器件要用模型和模型参数电路中元器件要用模型和模型参数来替代真正的器件来替代真正的器件。 模型模型：反映反映器件特性，可采用数学表达式、器件特性，可采用数学表达式、等效等效电路等形式。电路等形式。n常用模型：常用模型：等效电路模型等效电路模型。 模型参数：描述等效电路中各元件值所用的参数。模型参数：描述等效电路中各元件值所用的参数。n等效电路模型等效电路模型建立方法：建立方法： 首先通过器件物理分析确定器件等效电路模型的具体形式，首先通过器件物理分析确定器件等效电路模型的具体形式， 再再把元器件看成一个把元器件看成一个“黑箱黑箱”，测量其端点的，测量其端点的电学电学特性，特性，提取出描述提取出描述该器件特性的模型参数。该器件特性的模型参数。得到一等效电路得到一等效电路模型模型代替相应器件代替相应器件。2024/9/1731.4 频率特性频率特性 MOSFETMOSFET物理模型：物理模型：交流小信号参数交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2024/9/1741.4 频率特性频率特性 完整的小信号等效电路完整的小信号等效电路共源共源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2024/9/1751.4 频率特性频率特性 完整的小信号等效电路：完整的小信号等效电路：V VBSBS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（VBS0）2024/9/1761.4 频率特性频率特性 模型模型参数参数n模型参数：描述等效电路中各元件值所用的参数。模型参数：描述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，CGB2024/9/1771.4 频率特性频率特性 模型和模型参数特点：模型和模型参数特点：2024/9/1781.4 频率特性频率特性 模型和模型参数特点：模型和模型参数特点：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，模型的发展式都需修正，模型的发展级别特别多，模型也越来越复杂。级别特别多，模型也越来越复杂。n n LEVEL1 LEVEL1 最简单，适合长沟道器件，均匀掺杂的预分析最简单，适合长沟道器件，均匀掺杂的预分析最简单，适合长沟道器件，均匀掺杂的预分析最简单，适合长沟道器件，均匀掺杂的预分析n n LEVEL2 LEVEL2 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 管符合不好。管符合不好。管符合不好。管符合不好。n n LEVEL3 LEVEL3 经验模型，公式简单。模拟效率高，精度同经验模型，公式简单。模拟效率高，精度同经验模型，公式简单。模拟效率高，精度同经验模型，公式简单。模拟效率高，精度同LEVEL2LEVEL2。小尺寸管精。小尺寸管精。小尺寸管精。小尺寸管精 度不高。度不高。度不高。度不高。n n BSIM1 BSIM1（Berkly Short-channel IGET ModelLEVEL13LEVEL13，2828） 经验模型，记入电参数对几何尺寸的依赖性。长沟道管（经验模型，记入电参数对几何尺寸的依赖性。长沟道管（经验模型，记入电参数对几何尺寸的依赖性。长沟道管（经验模型，记入电参数对几何尺寸的依赖性。长沟道管（1um1um以以以以 上的器件）精度高。上的器件）精度高。上的器件）精度高。上的器件）精度高。2024/9/1791.4 频率特性频率特性 模型和模型参数特点：模型和模型参数特点： BSIM2 BSIM2（LEVEL39LEVEL39） 与与与与BSIM1BSIM1形式基本相同形式基本相同形式基本相同形式基本相同 改进电流公式，改进电流公式，改进电流公式，改进电流公式，L=0.25umL=0.25um以上的器件精度高。以上的器件精度高。以上的器件精度高。以上的器件精度高。 在几何尺寸范围大时，必须分成几个几何尺寸范围，对应几套模在几何尺寸范围大时，必须分成几个几何尺寸范围，对应几套模在几何尺寸范围大时，必须分成几个几何尺寸范围，对应几套模在几何尺寸范围大时，必须分成几个几何尺寸范围，对应几套模 型参数，每套参数适用于一个窄范围。型参数，每套参数适用于一个窄范围。型参数，每套参数适用于一个窄范围。型参数，每套参数适用于一个窄范围。 BSIM3 BSIM3 （LEVEL47LEVEL47、4949） 基于物理模型，而不是经验公式。基于物理模型，而不是经验公式。基于物理模型，而不是经验公式。基于物理模型，而不是经验公式。 在保持物理模型的基础上改进精度和计算效率，适用于不同的尺在保持物理模型的基础上改进精度和计算效率，适用于不同的尺在保持物理模型的基础上改进精度和计算效率，适用于不同的尺在保持物理模型的基础上改进精度和计算效率，适用于不同的尺 寸范围。寸范围。寸范围。寸范围。 尽可能减少器件模型参数（尽可能减少器件模型参数（尽可能减少器件模型参数（尽可能减少器件模型参数（BSIM2 60BSIM2 60个，个，个，个，BSIM3 33BSIM3 33个）个）个）个） 注意不同工作区域的连续性，以使电路模拟时收敛性好。注意不同工作区域的连续性，以使电路模拟时收敛性好。注意不同工作区域的连续性，以使电路模拟时收敛性好。注意不同工作区域的连续性，以使电路模拟时收敛性好。 * *基于基于基于基于MOSMOS器件的准二维分析（记入几何和工艺参数）器件的准二维分析（记入几何和工艺参数）器件的准二维分析（记入几何和工艺参数）器件的准二维分析（记入几何和工艺参数）n电路设计用到的器件模型、电路设计用到的器件模型、模型参数模型参数由晶圆制造厂提供，是由晶圆制造厂提供，是工艺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生产工艺线不同、晶圆制造厂不同，器件模型则不同生产工艺线不同、晶圆制造厂不同，器件模型则不同2024/9/17101.4 频频率率特特性性 简简化化的的小小信信号号等等效效电电路路只计入只计入rds2024/9/17111.4 频频率率特特性性 高高频频等等效效电路电路忽略寄生参数忽略寄生参数rs, rd, rds ,和和 Cds，高频小信号等效电路，高频小信号等效电路2024/9/17121.4 频率特性频率特性 MOSFETMOSFET频率限制因素频率限制因素限制因素限制因素2：栅电容充放电需要的时间：栅电容充放电需要的时间限制因素限制因素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因素主要频率限制因素2024/9/17131.4 频频率率特特性性 电电流流- -频频率关系率关系负载电阻负载电阻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-输出端的电输出端的电容等效到输入端，容等效到输入端，C值会扩大（值会扩大（1K）倍，）倍，K为常数为常数2024/9/17141.4 频频率率特特性性 含含有有密密勒勒电电容容等等效效电电路路米勒电容：使输入阻抗减小米勒电容：使输入阻抗减小2024/9/17151.4 频频率率特特性性 截截止止频频率率推推导导2024/9/17161.4 频率特性频率特性 提高频率特性途径提高频率特性途径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（硅栅基本取代了铝栅）减小寄生电容（硅栅基本取代了铝栅）2024/9/17172024/9/17XIDIAN UNIVERSITY 1.4 频率特性频率特性 需掌握需掌握内容内容n模型的基本概念模型的基本概念nMOSFET的高低频等效电路的高低频等效电路n思考：饱和区思考：饱和区VGS变化，沟道电荷的来源？变化，沟道电荷的来源？n频率特性的影响因素频率特性的影响因素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、推导和影响因素截止频率的定义、推导和影响因素n提高截止频率的途径提高截止频率的途径2024/9/17182024/9/17XIDIAN UNIVERSITY 1.5 开关开关特性特性 本节本节内容内容nCMOS概念概念nCMOS如何实现低功耗，全电平摆幅如何实现低功耗，全电平摆幅nCMOS的开关过程及影响因素的开关过程及影响因素nMOSFET的版图的版图nCMOS闩锁效应闩锁效应nMOSFET的噪声特性的噪声特性2024/9/17191.5 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2024/9/17201.5 开关特性开关特性 什么是什么是CMOS？nCMOS（Complentary 互补互补CMOS）nn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2024/9/17211.5 开关特性开关特性 CMOS反相器反相器nNMOS传输高高电平会有平会有VTN的的损失。失。原因？原因？nPMOS传输低低电平会有平会有VTP的的损失。失。原因？原因？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:输出端出端对地地总电容，包括下一容，包括下一级负载电容、引容、引线电容、容、NMOS和和PMOS的漏的漏衬PN结电容。容。n全全电平平摆幅：幅：VOH- VOL=VDD-0=VDDn静静态功耗：充放功耗：充放电完成后完成后电路的功耗，近似路的功耗，近似为零零: 静静态时一管一管导通，另一管截止，不存在直流通路。通，另一管截止，不存在直流通路。n动态功耗：功耗：输入高低入高低电平平转换过程中的功耗。程中的功耗。2024/9/1722开关特性开关特性 开关时间开关时间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t tonon和关断时间和关断时间t toffoff。 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） 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）： 减小沟长减小沟长L L（L5um,LXj:很好的保持长沟特性。很好的保持长沟特性。n要求浓度高，形成良好的欧姆接触，减小要求浓度高，形成良好的欧姆接触，减小RSRD。2024/9/17392024/9/17XIDIAN UNIVERSITY 1.6 补充补充 器件设计器件设计材料的选择：材料的选择：（1）衬底材料：）衬底材料：n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关系最密切。关系最密切。n若选用离子注入调整若选用离子注入调整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，增加耐压。可减小寄生电容，增加耐压。n衬底晶向：尽量采用（衬底晶向：尽量采用（100）晶向）晶向 表面态密度小，载流子迁移率较高。表面态密度小，载流子迁移率较高。（2）栅材料：）栅材料：n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介质的使用介质的使用 ，需要选，需要选择某些稀有金属（择某些稀有金属（Ni，Co，Ti等）作栅。等）作栅。n栅绝缘层材料：最成熟的栅绝缘层材料：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HfO2.2024/9/174011.7 小结小结nMOSFET的几个简单公式：的几个简单公式：萨氏方程：萨氏方程：MOSFT电流电电流电压特性的经典描述。压特性的经典描述。2024/9/174111.7 小结小结 1nMOSFET是一种表面性器件，工作电流延表面横向流动，是一种表面性器件，工作电流延表面横向流动，所以器件特性强烈依赖于沟道表面尺寸所以器件特性强烈依赖于沟道表面尺寸W、L。L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、扩散、复合效应（双仅多子参与导电，无少子存贮、扩散、复合效应（双极里讲过），开关速度高，适于高频高速工作极里讲过），开关速度高，适于高频高速工作 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，mosfet）nSb,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硅栅基本取代了铝栅，可实现自对准，减小器件尺寸，提硅栅基本取代了铝栅，可实现自对准，减小器件尺寸，提高集成度。高集成度。2024/9/1742 11.7 小结小结 2nMOSFET可以分为可以分为n沟道、沟道、p沟道，增强型、耗尽型。对于不同类型的沟道，增强型、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述特性曲线和特性函数是描述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频率特性的因素有栅电容充放电时间和载流子沟道渡越频率特性的因素有栅电容充放电时间和载流子沟道渡越时间，通常前者是决定时间，通常前者是决定MOSFET截止频率的主要限制因素。截止频率的主要限制因素。nCMOS技术使技术使n沟沟MOSFET和和p沟沟MOSFET的优势互补，但可能存在闩的优势互补，但可能存在闩锁等不良效应。锁等不良效应。2024/9/1743 11.7 小结小结 2nMOS电容是电容是MOSFET的核心。随表面势的不同，半导体表面可以处于的核心。随表面势的不同，半导体表面可以处于堆积、平带、耗尽、本征、弱反型、强反型等状态。堆积、平带、耗尽、本征、弱反型、强反型等状态。 MOSFET导通时导通时工作在强反型状态工作在强反型状态n栅压、功函数差、氧化层电荷都会引起半导体表面能带的弯曲或表面势。栅压、功函数差、氧化层电荷都会引起半导体表面能带的弯曲或表面势。n表面处于平带时的栅压为平带电压，使表面处于强反型的栅压为阈值电表面处于平带时的栅压为平带电压，使表面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、氧化层厚度压。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。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，界面陷阱使面陷阱使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）或者截止状态，故根据栅压的变化可以处于导通（强反型）或者截止状态，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较可用作开关；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。大变化，故可用作放大。2024/9/1744课前提问题（课前提问题（1）n11.1 MOS电容电容n场场效效应应管管通通常常有有哪哪三三个个电电极极？作作为为放放大大管管使使用用时时，输输入入信信号号（或或者者控控制制信信号号）通通常常加加在在哪哪个个极极？输输出出信信号号（或或者者被被控制信号）通常加在哪个极？控制信号）通常加在哪个极？n在在集集成成电电路路所所采采用用的的MOS结结构构中中，M、O、S通通常常采采用用何何种材料？种材料？n什什么么叫叫半半导导体体的的表表面面势势？有有哪哪些些原原因因可可能能引引起起半半导导体体的的表表面势？面势？n改改变变MOS电电容容二二端端的的电电压压时时，半半导导体体表表面面可可能能会会处处于于哪哪几几种状态？种状态？n请说明平带电压和阈值电压的区别。请说明平带电压和阈值电压的区别。2024/9/174511.2 C-V曲线什么因素会使C-V曲线平移？什么因素会使C-V曲线的变化变缓？11.3 MOSFET原理在结构上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）2024/9/1746重要术语解释2024/9/1747重要术语解释2024/9/1748知识点2024/9/1749复习题2024/9/1750END 2024/9/1751