集成電路設(shè)計：MOS器件物理模型-KIA MOS管

MOS器件是模擬集成電路設(shè)計的基礎(chǔ)，簡單列舉一下基本知識點：

1、基本器件模型

以下模型是針對長溝器件

圖 1 MOS 器件結(jié)構(gòu)

通過模型導(dǎo)出的器件Model通常是一個四端口網(wǎng)絡(luò)，這是在實際器件中襯底也是需要接參考的。

通常NMOS器件襯底接地（或最低電平），相對應(yīng)PMOS器件襯底接電源（或最高電平）。襯底電壓不同會影響溝道電流。

圖 2 襯底的連接

2、I-V特性

μn為電子遷移率, L為有效溝道長度，VTH為閾值電壓,

Cox為單位面積的柵化層電容。

式子(1) 普遍使用，但一般用于計算三極管區(qū)(線性)

式子(2)條件為VDS = VGS- VH。

當(dāng)VDS > VGS- VTH時，器件工作在飽和區(qū)。同時會在溝道形成耗盡區(qū), L- > L＇< L。

若L＇近似等于L，那么ID與VDS無關(guān)，呈“平方律”特性，此時并沒有考慮二次效應(yīng)的影響。

特殊:當(dāng)VDS<< VGS- VTH 時,工作在深三極管區(qū)。此時可用做線性電阻。

3、跨導(dǎo)

定義:漏電流的變化量除以柵源電壓的變化量

飽和區(qū):

跨導(dǎo)與VGS成正比，與漏極電流的根號成比例

三級管區(qū):

如果器件進入三極管區(qū)，跨導(dǎo)將下降。因此，放大應(yīng)用時，我們通常使MOSFETI作于飽和區(qū)。

4、二級效應(yīng)

體效應(yīng)/背柵效應(yīng):

此種情況就是提到的襯底電勢問題，源襯電勢差變化會引起閾值電壓變化的效應(yīng)稱為體效應(yīng):

為體效應(yīng)系數(shù)。閾值電壓的改變在電路中起著很重要的作用。

溝道長度調(diào)制：

柵漏電壓差增大時，實際反型溝道長度逐漸減小。實際的L＇為漏源電壓的函數(shù)。則修正公式(λ為溝道長度調(diào)制系數(shù),溝道越長，其值越小):

溝道長度調(diào)制是在設(shè)計過程中是不可忽視的問題,尤其是短溝道器件中,除了考慮溝道長度還得考慮載流子遷移率的速度飽和的問題。

亞閾值導(dǎo)電性:

實際上VGS≤VTH時，實際器件并非完全關(guān)斷，一個“弱”反型層仍然存在，并有源漏電流，其關(guān)系類似二極管是個指數(shù)關(guān)系:

亞閾值導(dǎo)電性是晶體管的一個重要工作狀態(tài)，這表明不能只以簡單的導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)來描述晶體管的工作。同時“弱”反型也提供了另一種電路設(shè)計的思路，在大多數(shù)電路中也是經(jīng)常用到這一特性。

速度飽和

載流子遷移率也依賴于溝道區(qū)的橫向電場。當(dāng)電場達到1 V/um時，遷移率開始下降。由于載流子速度v=uE，當(dāng)電場足夠強時，u會達到一個飽和值，約為l0^7 cm/S。

載流子在整個溝道都達到速度飽和時，漏極電流為：

ID=VSat*WCox(VGS-VTH),此時漏極電流與過驅(qū)電壓(VGS-VTH)成線性關(guān)系。

MOS器件模型有很多種，精度和復(fù)雜度各不相同：

1）Level1 模式就是一般教科書里的MOS模型，簡單便于手工計算推導(dǎo)，只適合長溝器件且精度要求不高時。

2）當(dāng)溝道長度小于4um時。Level1模型就表現(xiàn)出其缺陷，Level2模型就是為了表征更多的高階效應(yīng)而建立的。

3）Level3模型對Level2模型的解析表達式進行了簡化，并引入了很多經(jīng)驗常數(shù)，提高了對溝道長度小于1um的器件的模擬精度。

4）BSIM/BSIM2/BSIM3模型：Leve1 - 3模型的特點是通過一些方程式描述器件特性，而這些方程是直接從器件物理導(dǎo)出的。然而，當(dāng)器件尺寸進入亞微米后，物理意義明確、模型準確、運算效率高的解析式的建立變得困難。BSIM采用一種與其不同的方法：加人大量的經(jīng)驗參數(shù)來簡化這些方程，其不足之處是與器件工作原理失去了聯(lián)系。

5)此外還有其他各種模型。

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