集成電路設計：MOS器件物理模型-KIA MOS管

MOS器件是模擬集成電路設計的基礎，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 器件結構

通過模型導出的器件Model通常是一個四端口網絡，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(線性)

式子(2)條件為VDS = VGS- VH。

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

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

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

3、跨導

定義:漏電流的變化量除以柵源電壓的變化量

飽和區:

跨導與VGS成正比，與漏極電流的根號成比例

三級管區:

如果器件進入三極管區，跨導將下降。因此，放大應用時，我們通常使MOSFETI作于飽和區。

4、二級效應

體效應/背柵效應:

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稱為體效應:

為體效應系數。閾值電壓的改變在電路中起著很重要的作用。

溝道長度調制：

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。則修正公式(λ為溝道長度調制系數,溝道越長，其值越小):

溝道長度調制是在設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。

亞閾值導電性:

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

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

速度飽和

載流子遷移率也依賴于溝道區的橫向電場。當電場達到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電壓(VGS-VTH)成線性關系。

MOS器件模型有很多種，精度和復雜度各不相同：

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，只適合長溝器件且精度要求不高時。

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

3）Level3模型對Level2模型的解析表達式進行了簡化，并引入了很多經驗常數，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出的。然而，當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：加人大量的經驗參數來簡化這些方程，其不足之處是與器件工作原理失去了聯系。

5)此外還有其他各種模型。

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