场效应器件物理1-4频率5CMOS

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1、半导体物理与器件西安电子科技大学XIDIDIANUNIVERSITY张丽第11章MOSFET基础11.4频率限制特性11.5CMOS技术11.6小结2021/10/112021/10/1XIDIANUNIVERSITY1.4频率特性本节内容模型的基本概念MOSFET的小信号等效电路频率限制因素截止频率的定义、推导和影响因素2021/10/12XIDIANUNIVERSITY1.4频率特性模型概述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行仿真验证。常用的电路仿真软件如HSPICE、PSPICE、SPECTRE仿真：围绕器件建立电路的IV关

2、系，是一数学求解的过程。电路中元器件要用模型和模型参数来替代真正的器件。模型：反映器件特性，可采用数学表达式、等效电路等形式。常用模型：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。等效电路模型建立方法：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，再把元器件看成一个“黑箱”，测量其端点的电学特性，提取出描述该器件特性的模型参数。得到一等效电路模型代替相应器件。2021/10/131.4频率特性MOSFET物理模型：交流小信号参数源极串联电阻栅源交叠电容漏极串联电阻栅漏交叠电容漏-衬底pn结电容栅源电容栅漏电容跨导寄生参数本征参数2

3、021/10/141.4频率特性完整的小信号等效电路共源n沟MOSFET小信号等效电路（VBS=0）总的栅源电容总的栅漏电容2021/10/151.4频率特性完整的小信号等效电路：VBS影响共源n沟MOSFET小信号等效电路（VBS<0）2021/10/161.4频率特性模型参数模型参数：描述等效电路中各元件值所用的参数。与IDS相关的模型参数：W，L，KP(ucox)，LAMBDA与VT相关的模型参数：VT0，GAMMA，PHI与栅相关的三个电容参数：CGD，CGS，CGB2021/10/171.4频率特性模型和模型参数特点：部分模型参数的定义和0

4、.5um工艺模型参数的典型值2021/10/181.4频率特性模型和模型参数特点：随着沟长的缩短，短沟窄沟效应凸现，IV公式和阈值电压公式都需修正，模型的发展级别特别多，模型也越来越复杂。•LEVEL1–最简单，适合长沟道器件，均匀掺杂的预分析•LEVEL2–含详细的器件物理二级模型，但公式复杂，模拟效率低，小尺寸管符合不好。•LEVEL3–经验模型，公式简单。模拟效率高，精度同LEVEL2。小尺寸管精度不高。•BSIM1（BerklyShort-channelIGETModelLEVEL13，28）–经验模型，记入电参数对几何尺寸的依赖性。长沟道管

5、（1um以上的器件）精度高。2021/10/191.4频率特性模型和模型参数特点：•BSIM2（LEVEL39）–与BSIM1形式基本相同–改进电流公式，L=0.25um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，对应几套模型参数，每套参数适用于一个窄范围。•BSIM3（LEVEL47、49）–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，适用于不同的尺寸范围。–尽可能减少器件模型参数（BSIM260个，BSIM333个）–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MOS器件的准二维分

6、析（记入几何和工艺参数）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。生产工艺线不同、晶圆制造厂不同，器件模型则不同2021/10/1101.4频率特性简化的小信号等效电路只计入rds2021/10/1111.4频率特性高频等效电路忽略寄生参数rs,rd,rds,和Cds，高频小信号等效电路2021/10/1121.4频率特性MOSFET频率限制因素限制因素2：栅电容充放电需要的时间限制因素1：沟道载流子的沟道输运时间沟道渡越时间通常不是主要频率限制因素2021/10/1131.4频率特性电流-频率关系负载电阻输入电

7、流输出电流密勒效应：将跨越输入-输出端的电容等效到输入端，C值会扩大（1＋K）倍，K为常数2021/10/1141.4频率特性含有密勒电容等效电路米勒电容：使输入阻抗减小2021/10/1151.4频率特性截止频率推导2021/10/1161.4频率特性提高频率特性途径提高迁移率（100方向，工艺优质）缩短L减小寄生电容（硅栅基本取代了铝栅）2021/10/1172021/10/1XIDIANUNIVERSITY1.4频率特性需掌握内容模型的基本概念MOSFET的高低频等效电路思考：饱和区VGS变化，沟道电荷的来源？频率特性的影响因素米勒电容和含CM

8、的等效电路截止频率的定义、推导和影响因素提高截止频率的途径2021/10/118XIDIANUNIVERSI