第3章_CMOS器件模型ppt课件.ppt

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1、第３章　ＣＭＯＳ器件模型３.１MOS管大信号模型３.２　MOS管的小信号模型３.３　计算机仿真模型３.４　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３.１　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：１缓变沟道近似　２强反型近似３只考虑漂移电流近似４迁移率为常数近似１、电流　

2、Ｉ＝Ｑd＊vd２、Ｑd＝ＷＣox（Ｖgs－Ｖ（y）－Ｖth）３、vd＝μＥ＝μ［dＶ（y）／dy］４、饱和特性大信号ＭＯＳ管的工作区域ＮＭＯＳ管的电流方程NMOS管在截止区、线性区、恒流区的电流方程UGSUGS-UTHN(恒流区)硅常数表０.８um工艺参数跨导特性例题大信号模型的应用３.２MOS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

3、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gm工作在饱和区的MOS管可等效为一压控电流源，故可用跨导gm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IDS的变

4、化饱和区MOS管的gmb则衬底电位对漏极电流的影响可用一个电流源gmbVBS表示。在饱和区，gmb能被表示成饱和区MOS管的gmb而根据阈值电压与VBS之间的关系可得：因此有：上式中η=gmb/gm，gmb正比于γ。注意gmVGS与gmbVBS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＝１０gmb约＝１００gds增益AVMOS管的最高工作频率ftMOS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

5、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WLCox。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C2=WLCox，其中Cox为单位面积栅氧电容εox/tox；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Col）：包括栅源交叠电容C1＝WdCol与栅漏交叠电容C4=WdCol

6、：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：WCol。漏端夹断，沟道长度缩短，从沟道电荷分布相当于CGS增大，CGD减小，栅与沟道间的电位差从源区的VGS下降到夹断点的VGS-Vth，导致了在栅氧下的沟道内的垂直电场的不一致。即=2WLCox(VGS-VTH)/3因此有：CGS=2WLCox/3+WCol需要记住的电容0.35um主要参数讨论ＭＯＳ管的设计参数有几个，对ＭＯＳ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)３.

7、３计算机仿真模型ＳＰＩＣＥ　ＬＥＶＥＬ1ＳＰＩＣＥ　ＬＥＶＥＬ2ＳＰＩＣＥ　ＬＥＶＥＬ3ＢＳＩＭ３Ｖ３（深亚微米）ＬＥＶＥＬ49BerkeleyShort-ChannelIGFETModel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

8、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３.４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VON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ID与V