集成電路設(shè)計(jì)：MOS器件物理模型-KIA MOS管

MOS器件是模擬集成電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，簡(jiǎn)單列舉一下基本知識(shí)點(diǎn)：

1、基本器件模型

以下模型是針對(duì)長(zhǎng)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(gè)四端口網(wǎng)絡(luò)，這是在實(shí)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(duì)應(yīng)PMOS器件襯底接電源（或最高電平）。襯底電壓不同會(huì)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(zhǎng)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(jì)算三極管區(qū)(線性)

式子(2)條件為VDS = VGS- VH。

當(dāng)VDS > VGS- VTH時(shí)，器件工作在飽和區(qū)。同時(shí)會(huì)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(wú)關(guān)，呈“平方律”特性，此時(shí)并沒有考慮二次效應(yīng)的影響。

特殊:當(dāng)VDS<< VGS- VTH 時(shí),工作在深三極管區(qū)。此時(shí)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(hào)成比例

三級(jí)管區(qū):

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

4、二級(jí)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(shì)問題，源襯電勢(shì)差變化會(huì)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?cè)?/span>電路中起著很重要的作用。

溝道長(zhǎng)度調(diào)制：

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

溝道長(zhǎng)度調(diào)制是在設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(shí)際上VGS≤VTH時(shí)，實(shí)際器件并非完全關(guān)斷，一個(gè)“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(gè)指數(shù)關(guān)系:

亞閾值導(dǎo)電性是晶體管的一個(gè)重要工作狀態(tài)，這表明不能只以簡(jiǎn)單的導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)來(lái)描述晶體管的工作。同時(shí)“弱”反型也提供了另一種電路設(shè)計(jì)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(chǎng)。當(dāng)電場(chǎng)達(dá)到1 V/um時(shí)，遷移率開始下降。由于載流子速度v=uE，當(dāng)電場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)，u會(huì)達(dá)到一個(gè)飽和值，約為l0^7 cm/S。

載流子在整個(gè)溝道都達(dá)到速度飽和時(shí)，漏極電流為：

ID=VSat*WCox(VGS-VTH),此時(shí)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(jiǎn)單便于手工計(jì)算推導(dǎo)，只適合長(zhǎng)溝器件且精度要求不高時(shí)。

2）當(dāng)溝道長(zhǎng)度小于4um時(shí)。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(duì)Level2模型的解析表達(dá)式進(jìn)行了簡(jiǎn)化，并引入了很多經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，提高了對(duì)溝道長(zhǎng)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(diǎn)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(jìn)入亞微米后，物理意義明確、模型準(zhǔn)確、運(yùn)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(yàn)參數(shù)來(lái)簡(jiǎn)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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