场效应器件物理1-4频率5CMOS
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1、场效应器件物理场效应器件物理西安电子科技大学西安电子科技大学 XIDIDIAN UNIVERSITY XIDIDIAN UNIVERSITY 第第1010章章 MOSFETMOSFET基础基础10.4 10.4 频率限制特性频率限制特性 10.5 CMOS10.5 CMOS技术技术10.610.6小结小结10.4 频率特性频率特性 本节内容本节内容n 模型的基本概念模型的基本概念n MOSFET的小信号等效电路的小信号等效电路n 频率限制因素频率限制因素n 截止频率的定义、推导和影响因素截止频率的定义、推导和影响因素2022-5-31XIDIAN UNIVERSITY 10.4 频率特性频率特
2、性 模型概述模型概述p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。真验证。u常用的电路仿真软件如常用的电路仿真软件如HSPICE、PSPICE、SPECTREp仿真：围绕器件建立电路的仿真：围绕器件建立电路的IV关系，是一数学求解的过程关系，是一数学求解的过程u电路中元器件要用模型和模型参数来替代真正的器件电路中元器件要用模型和模型参数来替代真正的器件p模型：反映器件特性，可采用数学表达式、等效电路等形式模型：反映器件特性，可采用数学表达式、等效电路等形式u常用模型：等效电路模型。常用模型：等效电路模型。u模型参数
3、：描述等效电路中各元件值所用的参数。模型参数：描述等效电路中各元件值所用的参数。p等效电路模型建立方法：等效电路模型建立方法：u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，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，u再把元器件看成一个再把元器件看成一个“黑箱黑箱”，测量其端点的电学特性，提取出，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2022-5-3110.4 频率特性频率特性 MOSFETMOSFET物理模型：物理模型：交流小信号参数交流小信号参数源极串联电阻源极串联电阻栅源
4、交叠电容栅源交叠电容漏极串联电阻漏极串联电阻栅漏交叠电容栅漏交叠电容漏漏-衬底衬底pn结电容结电容栅源电容栅源电容栅漏电容栅漏电容跨导跨导寄生参数寄生参数本征参数本征参数pG-S：Cgs，Cgsp，rs；pG-D：Cgd，Cgdp ，rd；uCgs,Cgd: 体现了栅和源、漏体现了栅和源、漏附近的附近的沟道电荷间的相互作用沟道电荷间的相互作用线性区：线性区： Cgs Cgd (CoxWL)/2饱和区：饱和区： Cgd 0, Cgs2 (CoxWL)/3uCgsp,Cgdp:交叠电容交叠电容pD-S：gm ， Id gmVgsCds：漏：漏-衬底衬底pn结电容结电容 （DB结势垒电容结势垒电容B
5、S结势垒电容）结势垒电容）10.4 频率特性频率特性 完整的小信号等效电路完整的小信号等效电路p 共源共源n沟沟MOSFET小信号等效电路（小信号等效电路（VBS=0）总的栅源电容总的栅源电容总的栅漏电容总的栅漏电容10.4 频率特性频率特性 完整的小信号等效电路：完整的小信号等效电路：V VBSBS影响影响p 共源共源n沟沟MOSFET小信号等效电路（小信号等效电路（VBS0）10.4 频率特性频率特性 模型参数模型参数p模型参数：描述等效电路中各元件值所用的参数。模型参数：描述等效电路中各元件值所用的参数。p与与IDS相关的模型参数：相关的模型参数：W，L，KP(ucox)，LAMBDAp
6、与与VT相关的模型参数：相关的模型参数：VT0，GAMMA， PHIp与栅相关的三个电容参数：与栅相关的三个电容参数：CGD，CGS，CGB）（DSTGSoxnsatDVVVLCWI1)(22)()(222DSDSTGSoxnDVVVVLCWI体效应系数）（）（:22q222q222q2SS0fpfpafpafpaSBTSBoxmsfpoxssoxmsfpoxssoxSBTNVVVCNCQCNCQCVNV10.4 频率特性频率特性 模型和模型参数特点模型和模型参数特点o 部分模型参数的定义和部分模型参数的定义和0.5um工艺模型参数的典型值工艺模型参数的典型值2022-5-3110.4 频率特
7、性频率特性 模型和模型参数特点模型和模型参数特点o随着沟长的缩短，短沟窄沟效应凸现，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。正，模型的发展级别特别多，模型也越来越复杂。Berkly Short-channel IGET Model10.4 频率特性频率特性 模型和模型参数特点模型和模型参数特点p器件模型、模型参数是芯片厂家根据工艺线制备的器件提取器件模型、模型参数是芯片厂家根据工艺线制备的器件提取u生产工艺线不同，器件模型则不同；生产工艺线不同，器件模型则不同；u芯片制造厂不同，器件模型也会不同芯片制造厂
8、不同，器件模型也会不同p电路设计用到的器件模型、模型参数由芯片制造厂提供电路设计用到的器件模型、模型参数由芯片制造厂提供2022-5-311010.4 频率特性频率特性 简化的小信号等效电路简化的小信号等效电路msmmmdgsmgssmmgsmdgsgssmsgsmgsgssgrgggIVgVrggVgIVVrgrVgVVr11)1 ()(的影响只计入只计入rds10.4 频率特性频率特性 高频等效电路高频等效电路p 忽略寄生参数忽略寄生参数rs, rd, rds ,和和 Cds，高频小信号等效电路，高频小信号等效电路10.4 频率特性频率特性 MOSFETMOSFET频率限制因素频率限制因素
9、p限制因素限制因素2：栅电容充放电需要的时间：栅电容充放电需要的时间u截止频率截止频率fT：器件电流增益为：器件电流增益为1时的频率时的频率p限制因素限制因素1：沟道载流子的沟道输运时间沟道载流子的沟道输运时间m1设沟道长度cm/s710饱和漂移速度MOSFET Si对LslvGHz1001ps10ttsltfvL截止频率沟道渡越时间沟道渡越时间通常不是沟道渡越时间通常不是主要频率限制因素主要频率限制因素1TidIIff10.4 频率特性频率特性 电流电流- -频率关系频率关系负载电阻负载电阻)(dVgsVTgdCjgsVTgsCjiIgsMTgsgsLmTgdTgsgsTgdLLmTgdTg
10、siVCCjVRgCCjVCRjRgCCjI)1 (11输入电流输入电流输出电流输出电流u密勒效应：将跨越输入密勒效应：将跨越输入-输出端的电容等效到输入端，输出端的电容等效到输入端，C值会扩大（值会扩大（1K）倍，）倍， K为常数为常数)(/gsVdVTgdCjgsVmgLRdVdI)1 (LmTgdMRgCC密勒电容1TgdLCR通常2022-5-311510.4 频率特性频率特性 含有密勒电容等效电路含有密勒电容等效电路)1 (LmTgdMRgCC密勒电容p输入电流公式：输入电流公式：p米勒电容对米勒电容对MOSFET输入阻抗的影响：输入阻抗的影响：u使输入阻抗减小使输入阻抗减小gsMT
11、gsgsLmTgdTgsgsTgdLLmTgdTgsiVCCjVRgCCjVCRjRgCCjI)1 (1110.4 频率特性频率特性 截止频率推导截止频率推导)(2MTgsmidgsmdgsMTgsiCCfgIIVgIVCCjI电流增益输出电流输入电流MCTgsCGCmgGCmgMCTgsCmgIIffid等效输入栅极电容跨导截止频率2)(21T的倒数沟道长度的平方迁移率在理想情况下，饱和区22G2)()(, 0LLVVfVVLCWgWLCCCCnTGSnTTGSoxnmoxgsTgdT10.4 频率特性频率特性 提高频率特性途径提高频率特性途径p提高迁移率（提高迁移率（100方向，工艺优质）
