第3章 CMOS器件模型

,单击此处编辑母版标题样式,第章器件模型,.,MOS,管大信号模型,.,MOS,管的小信号模型 ,., 计算机仿真模型,.,亚阈值电压区,MOS,模型,CMOS,模型参数提取,*,主要内容,掌握有源器件,大信号等效模型,MOS,管的寄生电容；,低频小信号等效模型和高频小信号等效模型；,了解,MOS,器件计算机仿真模型,了解亚阈值电压区,MOS,模型,.,MOS,管大信号模型,MOS,管大小信号模型关系,大信号模型（直流偏置）,小信号模型（交变信号）,nmos,管的大信号特性,输出特性,大信号模型的推导思路,假设：缓变沟道近似强反型近似,只考虑漂移电流近似,迁移率为常数近似,、电流,d,vd, 、,d,ox,（,gs,（,y,）,th,）,、,vd,d,（,y,）,dy, 、,饱和特性,大信号管的工作区域,管的电流方程,NMOS,管在截止区、 线性区、 恒流区的电流方程,U,GS,U,THN,(,截止区,),U,DS,U,GS-,U,THN,(,恒流区,),硅常数表,.,um,工艺参数,跨导特性,例题 大信号模型的应用,.,MOS,管小信号模型,信号摆幅与偏置相比很小，对,MOS,管的直流工作点的影响可忽略；,需要确定直流工作点,使用小信号等效电路进行分析,突出主要的设计参数对性能的影响,1,低频小信号模型,根据以上分析， 一个衬底若不和源极短路， 则存在体效应。 同时考虑沟道调制效应和衬底调制效应,(,体效应,),的低频小信号模型,MOS,管交流小信号模型,-,低频,小信号是指对偏置的影响非常小的信号。由于在很多模拟电路中，,MOS,管被偏置在饱和区，所以主要推导出在饱和区的小信号模型。,几个重要的参数,跨导,输出电阻,增益,最高工作频率,饱和区,MOS,管的,跨导,g,m,工作在饱和区的,MOS,管可等效为一压控电流源，故可用跨导,g,m,来表示,MOS,管的电压转变电流的能力，跨导为漏源电压一定时，漏极电流随栅源电压的变化率，即：,饱和区,MOS,管的,跨导,栅跨导随过驱动电压以及,I,DS,的变化,饱和区,MOS,管的,g,mb,则衬底电位对漏极电流的影响可用一个电流源,g,mb,V,BS,表示。,在饱和区，,g,mb,能被表示成,饱和区,MOS,管的,g,mb,而根据阈值电压与,V,BS,之间的关系可得：,因此有：,上式中,=,g,mb,/,g,m,，,g,mb,正比于,。,注意,g,m,V,GS,与,g,mb,V,BS,具有相同极性，即提高衬底电位与提高栅压具有同等的效果。,饱和区,MOS,管的输出电阻,输出电阻定义为：当栅源电压与衬底电压为一常数时的漏源电压与漏极电流之比,一般有,gm,约,gmb,约,gds,增益,A,V,MOS,管的最高工作频率,f,t,MOS,管的最高工作频率定义：,对栅输入电容的充放电电流和漏源交流电流值相等时所对应的工作频率,。,MOS,管的最高工作频率,C,表示栅极输入电容，该电容正比于,WLC,ox,。,MOS,管的最高工作频率与沟道长度的平方成反比，因此，,减小,MOS,管的沟道长度就能很显著地提高工作频率,。,MOS,管交流小信号模型,-,高频,在高频应用时，,MOS,管的分布电容不能忽略,MOS,管的高频小信号电容,栅与沟道之间的,栅氧电容,C,2,=,WLCox,，其中,C,ox,为单位面积栅氧电容,ox,/t,ox,；,沟道,耗尽层电容,：,交叠电容,（多晶栅覆盖源漏区所形成的电容，每单位宽度的交叠电容记为,C,ol,）：,包括栅源交叠电容,C,1,WdC,ol,与栅漏交叠电容,C,4,=WdC,ol,：,MOS,管的高频小信号电容,MOS,管,栅源,电容,饱和区,栅漏电容大约为：,WC,ol,。,漏端夹断，沟道长度缩短，从沟道电荷分布相当于,C,GS,增大，,C,GD,减小，栅与沟道间的电位差从源区的,V,GS,下降到夹断点的,V,GS,-,V,th,，导致了在栅氧下的沟道内的垂直电场的不一致。即,=2,WLC,ox,(V,GS,-V,TH,)/3,因此有：,C,GS,=2,WLC,ox,/3 +,WC,ol,需要记住的电容,0.35um,主要参数,讨论,管的设计参数有几个，,对管的性能有何影响？,如何提高,MOS,管的性能,？,例题,:,求完整的,NMOS,管的小信号模型,Mos,管设计考虑,主要公式,(,掌握,),主要公式,(,续,),.,计算机仿真模型,1,2,3,（深亚微米）,49,Berkeley Short-Channel IGFET Model,模型参数变化,尺寸缩小考虑因素,短窄沟道效应,热载流子效应,漏感应势垒降低效应,载流子速度饱和效应,MOS,的,Spice,模型参数,目前许多数模混合计算机仿真软件的内核都是,Spice,。,计算机仿真,(,模拟,),的精度很大程度上取决于器件模型参数的准确性和算法的科学先进性。了解,Spice,模型参数的含义对于正确设计集成电路十分重要。,MOS,管,Spice,模型参数,求解过程,仿真示例,仿真结果,工艺角,不同晶片不同批次,不同工艺线有经过验证的器件模型,典型条件 四个工艺角（,SF,，,FS,，,SS,，,FS,）,满足以上条件的电路才是合格的,保证产品的成品率,.,亚阈值电压区,MOS,模型,亚阈值效应又,称为弱反型效应,指数关系,平方关系,V,ON,亚阈值工作区,衬底没有反型,弱反型,强反型,亚阈值效应,亚阈值导通，而且,I,D,与,V,GS,呈指数关系：,其中,1,是一非理想的因子；,I,D0,为特征电流：,，,m,为工艺因子，因此,I,D0,与工艺有关；而,V,T,称为热电压：,亚阈值效应,MOS,管亚阈值效应,亚阈值效应的应用,模拟电路的低压低功耗,数字电路的泄漏电流,器件性能参数计算,目的,通过计算机仿真得到器件模型参数,参数抽取过程：,1.)Extract the square-law model parameters for a transistor with length at least 10times Lmin.,2.) Using the values of,K,V,T, and,extract the model parameters for the model,简单,MOS,管的特性,饱和区,:,假设,其中,模型参数的抽取过程,假设,关系曲线,K,和,V,T,的计算,先检查数据的线性度,习题,试确定,值以及,N,SUB,值,习题,管存在哪些二阶效应？分别由什么原因引起的？对管的模型有何,影响？,管的设计参数有几个，,对管的性能有何影响？,本章小结,大,信号模型,小信号模型,主要参数,仿真模型,亚阈值效应,