集成电路设计：MOS器件物理模型-KIA MOS管

MOS器件是模拟集成电路设计的基础，简单列举一下基本知识点：

1、基本器件模型

以下模型是针对长沟器件

图 1 MOS 器件结构

通过模型导出的器件Model通常是一个四端口网络，这是在实际器件中衬底也是需要接参考的。

通常NMOS器件衬底接地（或最低电平），相对应PMOS器件衬底接电源（或最高电平）。衬底电压不同会影响沟道电流。

图 2 衬底的连接

2、I-V特性

μn为电子迁移率, L为有效沟道长度，VTH为阈值电压,

Cox为单位面积的栅化层电容。

式子(1) 普遍使用，但一般用于计算三极管区(线性)

式子(2)条件为VDS = VGS- VH。

当VDS > VGS- VTH时，器件工作在饱和区。同时会在沟道形成耗尽区, L- > L＇< L。

若L＇近似等于L，那么ID与VDS无关，呈“平方律”特性，此时并没有考虑二次效应的影响。

特殊:当VDS<< VGS- VTH 时,工作在深三极管区。此时可用做线性电阻。

3、跨导

定义:漏电流的变化量除以栅源电压的变化量

饱和区:

跨导与VGS成正比，与漏极电流的根号成比例

三级管区:

如果器件进入三极管区，跨导将下降。因此，放大应用时，我们通常使MOSFETI作于饱和区。

4、二级效应

体效应/背栅效应:

此种情况就是提到的衬底电势问题，源衬电势差变化会引起阈值电压变化的效应称为体效应:

为体效应系数。阈值电压的改变在电路中起着很重要的作用。

沟道长度调制：

栅漏电压差增大时，实际反型沟道长度逐渐减小。实际的L＇为漏源电压的函数。则修正公式(λ为沟道长度调制系数,沟道越长，其值越小):

沟道长度调制是在设计过程中是不可忽视的问题,尤其是短沟道器件中,除了考虑沟道长度还得考虑载流子迁移率的速度饱和的问题。

亚阈值导电性:

实际上VGS≤VTH时，实际器件并非完全关断，一个“弱”反型层仍然存在，并有源漏电流，其关系类似二极管是个指数关系:

亚阈值导电性是晶体管的一个重要工作状态，这表明不能只以简单的导通和关断状态来描述晶体管的工作。同时“弱”反型也提供了另一种电路设计的思路，在大多数电路中也是经常用到这一特性。

速度饱和

载流子迁移率也依赖于沟道区的横向电场。当电场达到1 V/um时，迁移率开始下降。由于载流子速度v=uE，当电场足够强时，u会达到一个饱和值，约为l0^7 cm/S。

载流子在整个沟道都达到速度饱和时，漏极电流为：

ID=VSat*WCox(VGS-VTH),此时漏极电流与过驱电压(VGS-VTH)成线性关系。

MOS器件模型有很多种，精度和复杂度各不相同：

1）Level1 模式就是一般教科书里的MOS模型，简单便于手工计算推导，只适合长沟器件且精度要求不高时。

2）当沟道长度小于4um时。Level1模型就表现出其缺陷，Level2模型就是为了表征更多的高阶效应而建立的。

3）Level3模型对Level2模型的解析表达式进行了简化，并引入了很多经验常数，提高了对沟道长度小于1um的器件的模拟精度。

4）BSIM/BSIM2/BSIM3模型：Leve1 - 3模型的特点是通过一些方程式描述器件特性，而这些方程是直接从器件物理导出的。然而，当器件尺寸进入亚微米后，物理意义明确、模型准确、运算效率高的解析式的建立变得困难。BSIM采用一种与其不同的方法：加人大量的经验参数来简化这些方程，其不足之处是与器件工作原理失去了联系。

5)此外还有其他各种模型。

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