集成电路设计基础Ch05课件.ppt

1、第五章第五章 MOS MOS 场效应管的特性场效应管的特性5.1 MOS5.1 MOS场效应管场效应管 5.2 MOS 5.2 MOS管的阈值电压管的阈值电压5.3 5.3 体效应体效应 5.4 MOSFET5.4 MOSFET的温度特性的温度特性 5.5 MOSFET5.5 MOSFET的噪声的噪声5.6 MOSFET5.6 MOSFET尺寸按比例缩小尺寸按比例缩小5.7 MOS5.7 MOS器件的二阶效应器件的二阶效应5.1 MOS5.1 MOS场效应管场效应管5.1.1 MOS5.1.1 MOS管伏安特性的推导管伏安特性的推导两个两个PNPN结结： 1 1）N N型漏极与型漏极与P P型

2、衬底；型衬底； 2 2）N N型源极与型源极与P P型衬底。型衬底。 同双极型晶体管中的同双极型晶体管中的PNPN结结 一样一样, ,在结周围由于载流在结周围由于载流 子的扩散、漂移达到动态平子的扩散、漂移达到动态平 衡，而产生了耗尽层。衡，而产生了耗尽层。一个电容器结构一个电容器结构： 栅极与栅极下面的区域形成一个电容器，是栅极与栅极下面的区域形成一个电容器，是MOSMOS管的核管的核心。心。图 5.1MOSFETMOSFET的三个基本几何参数的三个基本几何参数l栅长栅长: :L Ll栅宽栅宽: :W Wl氧化层厚度氧化层厚度: : t toxoxtoxSDn(p)poly-Sidiffus

3、ionp+/n+p+/n+WGLMOSFETMOSFET的三个基本几何参数的三个基本几何参数lL Lminmin、 W Wminmin和和 t toxox 由工艺确定由工艺确定lL Lminmin： MOS MOS工艺的特征尺寸工艺的特征尺寸(feature size)(feature size) 决定决定MOSFETMOSFET的速度的速度和功耗等众多特性和功耗等众多特性lL L和和W W由设计者选定由设计者选定l通常选取通常选取L=L= L Lminmin，由此，由此，设计者设计者只需选取只需选取W WlW W影响影响MOSFETMOSFET的速度，的速度，决定电路驱动能力和决定电路驱动能

4、力和功耗功耗MOSFETMOSFET的伏安特性的伏安特性: :电容结构l当栅极不加电压或加负电压时，栅极下面的区域保持当栅极不加电压或加负电压时，栅极下面的区域保持P P型导电类型，漏和源之间等效于一对背靠背的二极管，型导电类型，漏和源之间等效于一对背靠背的二极管，当漏源电极之间加上电压时，除了当漏源电极之间加上电压时，除了PNPN结的漏电流之外，结的漏电流之外，不会有更多电流形成。不会有更多电流形成。l当栅极上的正电压不断升高时，当栅极上的正电压不断升高时，P P型区内的空穴被不断型区内的空穴被不断地排斥到衬底方向。当栅极上的电压超过阈值电压地排斥到衬底方向。当栅极上的电压超过阈值电压V V

5、T T，在栅极下的在栅极下的P P型区域内就形成电子分布，建立起反型层，型区域内就形成电子分布，建立起反型层，即即N N型层，把同为型层，把同为N N型的源、漏扩散区连成一体，形成型的源、漏扩散区连成一体，形成从漏极到源极的导电沟道。这时，栅极电压所感应的从漏极到源极的导电沟道。这时，栅极电压所感应的电荷电荷Q Q为，为， Q Q= =CVCVgege式中式中V Vgege是栅极有效控制电压。是栅极有效控制电压。非饱和时，在漏源电压非饱和时，在漏源电压V Vdsds作用下，这些电荷作用下，这些电荷Q Q将在将在 时间内通过沟道，因此有时间内通过沟道，因此有dsdsVLELL 2MOSMOS的伏

6、安特性的伏安特性电荷在沟道中的渡越时间 为载流子速度，为载流子速度，E Edsds= = V Vdsds/ /L L为漏到源方向电场强度，为漏到源方向电场强度，V Vdsds为漏到源电压。为漏到源电压。 为为载流子迁移率：载流子迁移率：l n n = 650 cm= 650 cm2 2/(V/(V. .s) s) 电子迁移率电子迁移率(nMOS)(nMOS)l p p = 240 cm= 240 cm2 2/(V/(V. .s) s) 空穴迁移率空穴迁移率(pMOS)(pMOS)MOSFETMOSFET的伏安特性的伏安特性方程推导方程推导非饱和情况下，通过非饱和情况下，通过MOSMOS管漏源间

7、的电流管漏源间的电流I Idsds为：为：dsTgsgedsdsTgsoxoxdsdsTgsoxoxdsgeoxoxdsgedsVVVVVVVVLWtVVVVLWtVVLtWLVLCVQI21with 21 )21( 222= = . . 0 0 栅极栅极- -沟道间沟道间 氧化层介电常数氧化层介电常数, , = 4.5, = 4.5, 0 0 = 0.88541851= 0.88541851. .1010-11-11 C C. .V V-1.-1.m m-1-1V Vgege是栅级对衬底的有效控制电压是栅级对衬底的有效控制电压其值为栅级到衬底表面的电压减其值为栅级到衬底表面的电压减V VT

8、T当当V Vgsgs- -V VT T= =V Vdsds时，满足时，满足: :I Idsds达到最大值达到最大值I Idsmaxdsmax，其值为其值为V Vgsgs- -V VT T= =V Vdsds，意味着近漏端的栅极有效控制电压，意味着近漏端的栅极有效控制电压V Vgege= =V Vgsgs- -V VT T- -V Vdsds= =V Vgsgs- -V Vdsds- -V VT T = = V Vgdgd- -V VT T =0=0感应电荷为感应电荷为0 0，沟道夹断，电流不会再增大沟道夹断，电流不会再增大，因而，这个，因而，这个 I Idsmax dsmax 就是饱和电流。就

9、是饱和电流。0dsdsdVdI2Tgsoxoxdsmax21VVLWtIMOSMOS的伏安特性的伏安特性漏极饱和电流漏极饱和电流MOSFET特性曲线l在非饱和区在非饱和区 线性工作区线性工作区l在饱和区在饱和区 ( (I Idsds 与与 V Vdsds无关无关) . MOSFET) . MOSFET是是平方律平方律器件器件! !IdsVds0线性区饱和区击穿区11bVaIgsCVdsds22TgsdsVVaI5.1.2 MOSFET5.1.2 MOSFET电容的组成电容的组成 MOS MOS电容是一个相当复杂的电容，有多层介质：电容是一个相当复杂的电容，有多层介质：首先，在栅极电极下面有一层

10、首先，在栅极电极下面有一层SiOSiO2 2介质。介质。SiOSiO2 2下面是下面是P P型衬底，衬底型衬底，衬底是比较厚的。最后，是一个衬底电极，它同衬底之间必须是欧姆接是比较厚的。最后，是一个衬底电极，它同衬底之间必须是欧姆接触。触。MOSMOS电容还与外加电压有关。电容还与外加电压有关。1 1）当当V Vgsgs000时，栅极上的正电荷排斥了时，栅极上的正电荷排斥了SiSi中的空穴，在栅中的空穴，在栅极下面的极下面的SiSi表面上，形成了一个耗尽区。表面上，形成了一个耗尽区。 耗尽区中没有可以自由活动的载流子，只有空穴被赶耗尽区中没有可以自由活动的载流子，只有空穴被赶走后剩下的固定的负

11、电荷。这些束缚电荷是分布在厚走后剩下的固定的负电荷。这些束缚电荷是分布在厚度为度为X Xp p的整个耗尽区内，而栅极上的正电荷则集中在的整个耗尽区内，而栅极上的正电荷则集中在栅极表面。这说明了栅极表面。这说明了MOSMOS电容器可以看成两个电容器的电容器可以看成两个电容器的串联。串联。l以以SiOSiO2 2为介质的电容器为介质的电容器C Coxoxl以耗尽层为介质的电容器以耗尽层为介质的电容器C CSiSi 总电容总电容C C为为: : 比原来的比原来的C Coxox要小些。要小些。111SioxCCCMOSMOS电容电容束缚电荷层厚度束缚电荷层厚度耗尽层电容的计算方法同耗尽层电容的计算方法

12、同PNPN结的耗尽层电容的计算结的耗尽层电容的计算方法相同方法相同: :利用泊松公式利用泊松公式式中式中N NA A是是P P型衬底中的型衬底中的掺杂浓度，将上式积分掺杂浓度，将上式积分得耗尽区上的电位差得耗尽区上的电位差 ：从而得出束缚电荷层厚度从而得出束缚电荷层厚度ASiSiqN1 1221pSiAASiXqNdxdxqNASipNqX2MOSMOS电容电容 耗尽层电容这时，在耗尽层中束缚电荷的总量为，这时，在耗尽层中束缚电荷的总量为，它是耗尽层两侧电位差它是耗尽层两侧电位差 的函数，因此，耗尽层电容为，的函数，因此，耗尽层电容为，是一个非线性电容，随电位差的增大而减小。是一个非线性电容，

13、随电位差的增大而减小。ASiASiApAqNWLNqWLNWLXqNQ22q 221221ASiASiSiqNWLqNWLdvdQCMOSMOS电容电容耗尽层电容特性l随着随着V Vgsgs的增大，排斥掉更多的空穴，耗尽层厚度的增大，排斥掉更多的空穴，耗尽层厚度X Xp p增增大，耗尽层上的电压降大，耗尽层上的电压降 就增大，因而耗尽层电容就增大，因而耗尽层电容C CSiSi就减小。耗尽层上的电压降的增大，实际上就意味着就减小。耗尽层上的电压降的增大，实际上就意味着SiSi表面电位势垒的下降，意味着表面电位势垒的下降，意味着SiSi表面能级的下降。表面能级的下降。l一旦一旦SiSi表面能级下降

14、到表面能级下降到P P型衬底的费米能级，型衬底的费米能级，SiSi表面表面的半导体呈中性。这时，在的半导体呈中性。这时，在SiSi表面，电子浓度与空穴表面，电子浓度与空穴浓度浓度相等相等，成为本征半导体。，成为本征半导体。MOSMOS电容电容耗尽层电容特性耗尽层电容特性( (续续) )3 3）若若V Vgsgs再增大，排斥掉更多的空穴，吸引了更多的电子，使再增大，排斥掉更多的空穴，吸引了更多的电子，使得得SiSi表面电位下降，能级下降，达到低于表面电位下降，能级下降，达到低于P P型衬底的费米能型衬底的费米能级。这时，级。这时，SiSi表面的电子浓度超过了空穴的浓度，半导体表面的电子浓度超过了

15、空穴的浓度，半导体呈呈N N型，这就是反型层。不过，它只是一种弱反型层。因为型，这就是反型层。不过，它只是一种弱反型层。因为这时电子的浓度还低于原来空穴的浓度。这时电子的浓度还低于原来空穴的浓度。 随着反型层的形成，来自栅极正电荷发出的电力线，随着反型层的形成，来自栅极正电荷发出的电力线，已部分地落在这些电子上，耗尽层厚度的增加就已部分地落在这些电子上，耗尽层厚度的增加就减慢减慢了，了，相应的相应的MOSMOS电容电容C CSiSi的减小也减慢了。的减小也减慢了。4 4） 当当V Vgsgs增加，达到增加，达到V VT T值，值，SiSi表面电位的下降，能级下表面电位的下降，能级下降已达到降已

16、达到P P型衬底的费米能级与本征半导体能级差的二型衬底的费米能级与本征半导体能级差的二倍。它不仅抵消了空穴，成为本征半导体，而且在形倍。它不仅抵消了空穴，成为本征半导体，而且在形成的反型层中，电子浓度已达到原先的空穴浓度这样成的反型层中，电子浓度已达到原先的空穴浓度这样的反型层就是强反型层。显然，耗尽层厚度不再增加，的反型层就是强反型层。显然，耗尽层厚度不再增加，C CSiSi也不再减小。这样，也不再减小。这样， 就达到最小值就达到最小值C Cminmin。 最小的最小的C CSiSi是由最大的耗尽层厚度是由最大的耗尽层厚度X Xpmaxpmax计算出来的。计算出来的。oxSioxSiCCCC

17、CMOSMOS电容电容耗尽层电容特性(续)MOSMOS电容电容凹谷特性5 5）当当V Vgsgs继续增大，反型层中电子的浓度增加，来自栅极正继续增大，反型层中电子的浓度增加，来自栅极正电荷的电力线，部分落在这些电子上，落在耗尽层束缚电电荷的电力线，部分落在这些电子上，落在耗尽层束缚电子上的电力线数目就有所减少。耗尽层电容将增大。两个子上的电力线数目就有所减少。耗尽层电容将增大。两个电容串联后，电容串联后，C C将增加。当将增加。当V Vgsgs足够大时，反型层中的电子足够大时，反型层中的电子浓度已大到能起到屏蔽作用，全部的电力线落在电子上。浓度已大到能起到屏蔽作用，全部的电力线落在电子上。这时

18、，反型层中的电子将成为一种镜面反射，感应全部负这时，反型层中的电子将成为一种镜面反射，感应全部负电荷，于是，电荷，于是，C = CC = Coxox 。电容曲线出现了凹谷形，如图。电容曲线出现了凹谷形，如图6.2 6.2 。 必须指出，上述讨论未考虑到反型层中的电子是哪里必须指出，上述讨论未考虑到反型层中的电子是哪里来的。若该来的。若该MOSMOS电容是一个孤立的电容，这些电子只能依电容是一个孤立的电容，这些电子只能依靠共价键的分解来提供，它是一个慢过程。靠共价键的分解来提供，它是一个慢过程。MOSMOS电容电容测量若测量电容的方法是逐点测量法若测量电容的方法是逐点测量法一种慢进程，那么将测量

19、到这一种慢进程，那么将测量到这种凹谷曲线。种凹谷曲线。 图 5.2MOSMOS电容电容凹谷特性测量l若测量电容采用高频方法，譬如，扫频方法，若测量电容采用高频方法，譬如，扫频方法，电压变化很快。共价键就来不及瓦解，反型层电压变化很快。共价键就来不及瓦解，反型层就无法及时形成，于是，电容曲线就回到就无法及时形成，于是，电容曲线就回到C Coxox值。值。l然而，在大部分场合，然而，在大部分场合，MOSMOS电容与电容与n n+ +区接在一区接在一起，有大量的电子来源，反型层可以很快形成，起，有大量的电子来源，反型层可以很快形成，故不论测量频率多高，电压变化多快，电容曲故不论测量频率多高，电压变化

20、多快，电容曲线都呈凹谷形。线都呈凹谷形。5.1.3 MOS5.1.3 MOS电容电容的计算的计算MOSMOS电容电容C C仅仅是栅极对衬底的电容，不是外电路中可以观察仅仅是栅极对衬底的电容，不是外电路中可以观察的电容的电容C Cg g， C Cs s 和和C Cd d。MOSMOS电容电容C C对对C Cg g，C Cd d有所贡献。在源极和有所贡献。在源极和衬底之间有结电容衬底之间有结电容C Csbsb，在漏极和衬底之间也有结电容，在漏极和衬底之间也有结电容C Cdbdb。 另外，源极耗尽区、漏极另外，源极耗尽区、漏极耗尽区都渗进到栅极下面的耗尽区都渗进到栅极下面的区域。又，栅极与漏极扩散区

21、域。又，栅极与漏极扩散区，栅极与源极扩散区都存区，栅极与源极扩散区都存在着某些交迭，故客观上存在着某些交迭，故客观上存在着在着C Cgsgs和和C Cgdgd。当然，引出。当然，引出线之间还有杂散电容，可线之间还有杂散电容，可以计入以计入C Cgsgs和和C Cgdgd。图图 5.3C Cg g、C Cd d的值还与所加的电压有关的值还与所加的电压有关: :1 1）若若V VgsgsVVVT T，沟道建立，沟道建立，MOSMOS管导通。管导通。MOSMOS电容是变化的，电容是变化的，呈凹谷状，从呈凹谷状，从C Coxox下降到最低点，又回到下降到最低点，又回到C Coxox。这时，。这时，MO

22、SMOS电容电容C C对对C Cg g，C Cd d都有贡献，它们的分配取决于都有贡献，它们的分配取决于MOSMOS管的工管的工作状态。作状态。MOSMOS电容的计算电容的计算MOSMOS电容的计算电容的计算l若处于若处于非饱和状态非饱和状态，则按，则按1/31/3与与2/32/3分配，即分配，即C Cg g = C = Cgs gs + 2/3C+ 2/3CC Cd d = C = Cdbdb +1/3C +1/3C 那是因为在非饱和状态下，与栅极电荷成比例的沟道那是因为在非饱和状态下，与栅极电荷成比例的沟道电流为电流为 由由V Vgsgs和和V Vdsds的系数可知栅极电压的系数可知栅极电

23、压V Vgsgs对栅极电荷的影对栅极电荷的影响力，与漏极电压响力，与漏极电压V Vdsds对栅极电荷的影响力为对栅极电荷的影响力为2:12:1的关系，的关系，故贡献将分别为故贡献将分别为 2/3 2/3与与1/3 1/3 dsdsTgsoxdsVVVVLWtI21MOSMOS电容的计算电容的计算( (续续) )n若处于若处于饱和饱和状态，则状态，则表明沟道电荷已与表明沟道电荷已与V Vdsds无关，沟道已夹断。那么，无关，沟道已夹断。那么，C Cg g = C = Cgs gs + 2/3 C+ 2/3 C， C Cd d = C = Cdbdb + 0 + 0l在饱和状态下，沟道长度受到在饱

24、和状态下，沟道长度受到V Vdsds的调制，的调制，L L变小变小2ds21TgsoxVVLWtI2ds21TgsoxVVLLWtIMOSMOS电容的计算电容的计算( (续续) ) 当当V Vdsds增加时，增加时，L L 增大，增大，I Idsds增加，那是因增加，那是因为载流子速度增加了，它与为载流子速度增加了，它与C C的分配无关。然的分配无关。然而，而，L L 的增大使得漏极耗尽层宽度有所增加，的增大使得漏极耗尽层宽度有所增加，增大了结电容。故，增大了结电容。故， C Cg g = C = Cgs gs + + 2 2/ /3 3C C C Cd d = C = Cdbdb + 0 +

25、 + 0 + C Cdbdb深亚微米深亚微米CMOS ICCMOS IC工艺的寄生工艺的寄生电容电容( (数据数据) )Cap.Cap.N+Act.N+Act. P+Act.P+Act. PolyPolyM1M1M2M2M3M3UnitsUnitsArea (sub.)Area (sub.) 5265269379378383252510108 8aF/umaF/um2 2Area (poly)Area (poly)545418181111aF/umaF/um2 2Area (M1)Area (M1)46 46 1717aF/umaF/um2 2Area (M2)Area (M2)4949aF/

26、umaF/um2 2Area (N+act.)Area (N+act.)35993599aF/umaF/um2 2Area (P+act.)Area (P+act.)34153415aF/umaF/um2 2Fringe (sub.)Fringe (sub.)249249261261aF/umaF/um深亚微米深亚微米CMOS ICCMOS IC工艺的寄生工艺的寄生电容电容( (图示图示) )PolyPolyElectrodeMetal1Metal2PolyP+P+P+N+N+Metal3N_wellSUB88013832213109514503452648159864463614308363

27、214086734123517383929625762Cross view of parasitic capacitor of TSMC_0.35um CMOS technology5.2 MOSFET5.2 MOSFET的阈值电压的阈值电压V VT T阈值电压是阈值电压是MOSMOS器件的一个重要参数。按器件的一个重要参数。按MOSMOS沟道随沟道随栅压正向和负向增加而形成或消失的机理，存在着栅压正向和负向增加而形成或消失的机理，存在着两种类型的两种类型的MOSMOS器件：器件：l耗尽型耗尽型(Depletion)(Depletion)：沟道在：沟道在V Vgsgs=0=0时已经存在。当时已

28、经存在。当V Vgsgs“负负”到一定程度时截止。一般情况，这类器件用到一定程度时截止。一般情况，这类器件用作负载。作负载。l增强型增强型(Enhancement)(Enhancement)：在正常情况下它是截止的，：在正常情况下它是截止的，只有当只有当V Vgsgs“正正”到一定程度，才会导通，故用作开关。到一定程度，才会导通，故用作开关。V VT T的组成的组成=概念上讲概念上讲, V, VT T就是将栅极下面的就是将栅极下面的SiSi表面从表面从P P型型SiSi变为变为N N型型SiSi所必要的电压。它所必要的电压。它由两个分量组由两个分量组成成, , 即即: : V VT T= U=

29、 Us s+ V+ VoxoxU Us s : Si : Si表面电位表面电位; ; V Voxox: SiO: SiO2 2层上的压降。层上的压降。图 5.51. U1. Us s 的计算的计算l将栅极下面的将栅极下面的SiSi表面从表面从P/NP/N型型SiSi变为变为N/PN/P型型SiSi所必要的所必要的电压电压U Us s 与衬底浓度与衬底浓度N Na a有关。有关。l在半导体理论中，在半导体理论中，P P型半导体的费米能级是靠近满带的，型半导体的费米能级是靠近满带的，而而N N型半导体的费米能级则是靠近导带的。要想把型半导体的费米能级则是靠近导带的。要想把P P型型变为变为N N型

30、，外加电压必须补偿这两个费米能级之差。型，外加电压必须补偿这两个费米能级之差。l l 所以有所以有: :iabpSnNqkTqUln22图 5.42. V2. Voxox的计算的计算V Voxox根据右图从金属根据右图从金属到氧化物到到氧化物到SiSi衬底衬底XmXm处的电场分布曲处的电场分布曲线导出线导出: :aiaSioxaNqnNkTCqNV2ox/ln40XMOS-toxXmEoxE0ExmE(X)aiaSioxaiaoxsTNqnNkTCqNnNqkTVUV2/ln4ln2V VT T的理想计算公式的理想计算公式在工艺环境确定后，在工艺环境确定后，MOSMOS管的阈值电压管的阈值电压

31、V VT T主要决定于：主要决定于： 1. 1. 衬底的掺杂浓度衬底的掺杂浓度N Na a。 2. C2. Coxox5.3 MOSFET5.3 MOSFET的体效应的体效应前面的推导都假设源极和衬底都接地，认为前面的推导都假设源极和衬底都接地，认为V Vgsgs是加是加在栅极与衬底之间的。实际上，在许多场合，源极与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，但源极衬底并不连接在一起。通常，衬底是接地的，但源极未必接地未必接地, ,源极不接地时对源极不接地时对V VT T值的影响称为体效应值的影响称为体效应(Body Effect)(Body Effe

32、ct)。图图 5.6图图5.7 5.7 某一某一CMOSCMOS工艺条件下，工艺条件下，NMOSNMOS阈值阈值电压随源极电压随源极- -衬底电压的变化曲线衬底电压的变化曲线5.4 MOSFET5.4 MOSFET的温度特性的温度特性MOSFETMOSFET的温度特性主要来源于沟道中载流子的迁移率的温度特性主要来源于沟道中载流子的迁移率 和和阈值电压阈值电压V VT T随温度的变化。随温度的变化。载流子的迁移率随温度变化的基本特征是：载流子的迁移率随温度变化的基本特征是： T T 由于由于所以，所以， T T g gm m 阈值电压阈值电压V VT T的绝对值同样是随温度的升高而减小：的绝对值

33、同样是随温度的升高而减小：T T V VT T V VT T( (T T) ) (2 (2 4) mV/ 4) mV/C C V VT T 的变化与衬底的杂质浓度的变化与衬底的杂质浓度N Ni i和氧化层的厚度和氧化层的厚度t toxox有关有关 ( (N Ni i , , t toxox ) ) V VT T( (T T) ) Tgsoxm VVLWtg5.5 MOSFET5.5 MOSFET的噪声的噪声MOSFETMOSFET的噪声来源主要由两部分：的噪声来源主要由两部分：l 热噪声热噪声(thermal noise)(thermal noise)l 闪烁噪声闪烁噪声(flicker no

34、ise(flicker noise，1/f-1/f-noise) noise) MOSFETMOSFET的噪声的噪声( (续续) )l热噪声是由沟道内载流子的无规则热运动造成热噪声是由沟道内载流子的无规则热运动造成 的，通过沟道电阻生的，通过沟道电阻生成热噪声电压成热噪声电压 v vegeg( (T T，t t) )，其等效电压值可近似表达为，其等效电压值可近似表达为 f f为所研究的频带宽度为所研究的频带宽度, T, T是绝对温度是绝对温度. .l设设MOSMOS模拟电路工作在饱和区模拟电路工作在饱和区, , g gm m可写为可写为所以，所以，结论：结论：增加增加MOSMOS的栅宽和偏置电

35、流，可减小器件的热噪声。的栅宽和偏置电流，可减小器件的热噪声。fgTvm2eg32DSoxm2ILtWg2eg vW2eg vIds闪烁噪声闪烁噪声(flicker noise(flicker noise，1/1/f f -noise) -noise)的形成机理：的形成机理：沟道处沟道处SiOSiO2 2与与SiSi界面上电子的充放电而引起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闪烁噪声的等效电压值可表达为K K2 2是一个系数，典型值为是一个系数，典型值为3 3 10102424V V2 2F/HzF/Hz。因为因为 1 1，所以闪烁噪声被称之为，所以闪烁噪声被称之为1/1/

36、f f 噪声噪声。1)(1)时时, , 电路指标变化电路指标变化。Parameter 参参数数 变变化化因因子子 备备注注 Voltage 电电压压 1/ Circuit density 电电路路密密度度 2 L W Device current 器器件件电电流流 1/ Power 功功率率 1/ 2 Ids Vds Capacitance 电电容容 1/ Delay 沟沟道道延延迟迟 1/ Line resistance 连连线线电电阻阻 Line capacitance 连连线线电电容容 1/ Line response time 连连线线响响应应时时间间 1 RL CL Figure o

37、f merit 0 优优值值 2 1/L2 Scaling-downScaling-down的三种方案的三种方案( (续续) )MOSFETMOSFET特征尺寸按特征尺寸按 ( ( 1)1)缩减的众多优点：缩减的众多优点：电路密度增加电路密度增加 2 2倍倍 VLSI, ULSI VLSI, ULSI功耗降低功耗降低 2 2倍倍 器件时延降低器件时延降低 倍倍 器件速率提高器件速率提高 倍倍线路上的延迟不变线路上的延迟不变优值增加优值增加 2 2倍倍这就是为什么人们把这就是为什么人们把MOSMOS工艺的特征尺寸做得一小再工艺的特征尺寸做得一小再小，使得小，使得MOSMOS电路规模越来越大，电路

38、规模越来越大，MOSMOS电路速率越来电路速率越来越高的重要原因。越高的重要原因。5.7 MOS5.7 MOS器件的二阶效应器件的二阶效应 随着随着MOSMOS工艺向着亚微米、深亚微米的方向发展，工艺向着亚微米、深亚微米的方向发展，采用简化的、只考虑一阶效应的采用简化的、只考虑一阶效应的MOSMOS器件模型来进行电器件模型来进行电路模拟，已经不能满足精度要求。此时必须考虑二阶路模拟，已经不能满足精度要求。此时必须考虑二阶效应。效应。二阶效应出于两种原因：二阶效应出于两种原因：1) 1) 当器件尺寸缩小时，电源电压还得保持为当器件尺寸缩小时，电源电压还得保持为5V5V，于是，于是，平均电场强度增

39、加了，引起了许多二次效应。平均电场强度增加了，引起了许多二次效应。2) 2) 当管子尺寸很小时，这些小管子的边缘相互靠在一当管子尺寸很小时，这些小管子的边缘相互靠在一起，产生了非理想电场，也严重地影响了它们的起，产生了非理想电场，也严重地影响了它们的特性。特性。下面具体讨论二阶效应在各方面的表现。下面具体讨论二阶效应在各方面的表现。5.7.1 L5.7.1 L和和W W的变化的变化在一阶理论的设计方法中，总认为在一阶理论的设计方法中，总认为L L、W W是同是同步缩减的，是可以严格控制的。事实并非如此，步缩减的，是可以严格控制的。事实并非如此，真正器件中的真正器件中的L L、W W并不是原先版

40、图上所定义的并不是原先版图上所定义的L L、W W。原因之一在于制造误差，如右图所示；原因。原因之一在于制造误差，如右图所示；原因之二是之二是L L、W W定义本身就不确切，不符合实际情定义本身就不确切，不符合实际情况。况。图图 5.9 L L和和W W的变化的变化( (续续) ) 通常，在通常，在ICIC中各晶体管之间是由场氧化区（中各晶体管之间是由场氧化区（field oxidefield oxide）来隔）来隔离的。在版图中，凡是没有管子的地方，一般都是场区。场是由一离的。在版图中，凡是没有管子的地方，一般都是场区。场是由一层很厚的层很厚的SiOSiO2 2形成的。多晶硅或铝线在场氧化区

41、上面穿过，会不会形成的。多晶硅或铝线在场氧化区上面穿过，会不会产生寄生产生寄生MOSMOS管呢？不会的。因为管呢？不会的。因为MOSMOS管的开启电压为，管的开启电压为， 对于对于ICIC中的中的MOSMOS管，管，SiOSiO2 2层很薄，层很薄，C Coxox较大，较大，V VT T较小。对于场区，较小。对于场区，SiOSiO2 2层很厚，层很厚，C Coxox很小，电容上的压降很大，使得这个场区的寄生很小，电容上的压降很大，使得这个场区的寄生MOSMOS管的开启电压远远大于电源电压，即管的开启电压远远大于电源电压，即V VTFTFVVDDDD。这里寄生的。这里寄生的MOSMOS管永管永远

42、不会打开，不能形成远不会打开，不能形成MOSMOS管管( (如图如图5.9b)5.9b)。FPSaSioxFPFBTUqNCVV2212另外，人们又在氧化区的下面注入称为场注入区（另外，人们又在氧化区的下面注入称为场注入区（field implantfield implant）的）的P P+ + 区，如下图所示。这样，在氧化区下面衬底的区，如下图所示。这样，在氧化区下面衬底的 N Na a值值 较大，也提高了寄较大，也提高了寄生生 MOS MOS 管的开启电压。同时，这个注入区也用来控制表面的漏电流。如管的开启电压。同时，这个注入区也用来控制表面的漏电流。如果没有这个果没有这个P P+ +注入

43、区，那么，两个注入区，那么，两个MOSMOS管的耗尽区很靠近，漏电增大。由管的耗尽区很靠近，漏电增大。由于于P P+ +是联在衬底上的，处于最低电位，于是，反向结隔离性能良好，漏是联在衬底上的，处于最低电位，于是，反向结隔离性能良好，漏电流大大减小。电流大大减小。 结论结论: : 所以，在实际情况中，需要一个很厚的氧化区和一个注入区，所以，在实际情况中，需要一个很厚的氧化区和一个注入区，给工艺制造带来了新的问题。给工艺制造带来了新的问题。图 5.10场注入场注入L L和和W W的变化的变化( (续续) ) 制造步骤：先用有源区的制造步骤：先用有源区的maskmask，在场区外生成一个氮，在场区

44、外生成一个氮化硅的斑区。然后，再以这个斑区作为化硅的斑区。然后，再以这个斑区作为implant maskimplant mask，注，注入入P P+ +区。最后，以这个斑区为掩膜生成氧化区。然而，在区。最后，以这个斑区为掩膜生成氧化区。然而，在氧化过程中，氧气会从斑区的边沿处渗入，造成了氧化区氧化过程中，氧气会从斑区的边沿处渗入，造成了氧化区具有鸟嘴形（具有鸟嘴形（bird beakbird beak）。）。Bird beakBird beak的形状和大小与氧化工艺中的参数有关，但的形状和大小与氧化工艺中的参数有关，但是有一点是肯定的，器件尺寸，有源区的边沿更动了。器是有一点是肯定的，器件尺寸

45、，有源区的边沿更动了。器件的宽度不再是版图上所画的件的宽度不再是版图上所画的W Wdrawndrawn，而是，而是W W， W W = W = Wdrawndrawn 2 2 W W式中式中 W W就是就是bird beakbird beak侵入部分，其大小差不多等于氧侵入部分，其大小差不多等于氧化区厚度的数量级。当器件尺寸还不是很小时，这个化区厚度的数量级。当器件尺寸还不是很小时，这个 W W影响不大；当器件缩小后，这个影响不大；当器件缩小后，这个 W W是可观的，它影响了是可观的，它影响了开启电压。开启电压。L L和和W W的变化的变化( (续续) )另一方面，那个注入区也有影响。由于另一

46、方面，那个注入区也有影响。由于P P+ +区是先做好的，后来在高区是先做好的，后来在高温氧化时，这个温氧化时，这个P P+ +区中的杂质也扩散了，侵入到管子区域，改变了衬区中的杂质也扩散了，侵入到管子区域，改变了衬底的浓度底的浓度N Na a，影响了开启电压。，影响了开启电压。同时，扩散电容也增大了，同时，扩散电容也增大了，N N+ +区与区与P P+ +区的击穿电压降低。另外，栅区的击穿电压降低。另外，栅极长度极长度L L不等于原先版图上所绘制的不等于原先版图上所绘制的L Ldrawndrawn，也减小了，如图所示。，也减小了，如图所示。L Ldrawndrawn是图上绘制的栅极长度。是图上

47、绘制的栅极长度。L Lfinalfinal是加工完后的实际栅极长度。是加工完后的实际栅极长度。L Lfinalfinal = L = Ldrawndrawn 2 2 L LpolypolyL L和和W W的变化的变化( (续续) )=尺寸缩小的原因是在蚀刻（尺寸缩小的原因是在蚀刻（etchingetching）过程中，多晶硅）过程中，多晶硅（PloyPloy）被腐蚀掉了。）被腐蚀掉了。=另一方面，扩散区又延伸进去了，两边合起来延伸了另一方面，扩散区又延伸进去了，两边合起来延伸了2 2 L Ldiffdiff，故沟道长度仅仅是，故沟道长度仅仅是， L = LL = Ldrawndrawn 2 2 L Lpolypoly 2 2 L Ldiffdiff这这2 2 L Ldiffdiff是重叠区，也增加了结电容。是重叠区，也增加了结电容。 C Cgsgs = W = W L LdiffdiffC Coxox C Cgdgd = W = W L LdiffdiffC Coxox式中式中C Coxox是单位面积电容。是单位面积电容。