Для магистратуры / CMOS_IC

20

Переход от закрытого состояния МОП-транзистора к открытому происходит достаточно плавно и его выделяют отдельно – подпороговый режим. В подпороговом режиме зависимость тока стока от напряжений на электродах носит экспоненциальный характер

ID = (WL)It exp((VGS − Vt )nVT )[1 − exp(− VDS ϕT )], (2.15)

где It – темновой ток; n = 1 + СCB / Cox – коэффициент деления напряжения на затворе между каналом и подложкой; ϕT = kT/q – тепловой потенциал

(ϕT ≈ 26 мВ при T = 300 К)

Подпороговый ток принято характеризовать размахом напряже-

Из (2.16) следует, что минимальное значение St равно 63 мВ, в реальных приборах St обычно находится в диапазоне 70 - 90 мВ.

2.2.3.Малосигнальные параметры:

Вобласти насыщения (VGS – Vth < VDS) поведение МОПтранзистора (если не учитывать короткоканальные эффекты) описывают следующие малосигнальные параметры:

крутизна по затвору

gm = ∂ID ∂VGS VDS =const = (W L)µnCox (VGS − Vth )(1 + λVDS )≈ 2βID

(2.17)

выходная проводимость

g d = ∂ID ∂VDS VGS =const = (W 2L )µn C ox (VGS − Vth )2 λ ≈ λID

(2.18)

крутизна по подложке

gb = ∂ID ∂VBS VDS =const = (WL)µnCox (VGS − Vth )(−∂Vth ∂VBS )=

gm γ(2 2ΦF + VSB )= ηgm

(2.19)

Из формул (2.17) и (2.18) следует gd = 1/2(VGS – Vth)λgm = (VGS –

Vth)/2VAgm << gm, где VA – напряжение Эрли (VA = 1 / λ), которое много больше, чем эффективное напряжение на затворе V0. Обычно η ≈ 1/5 и в дальнейших оценках будем считать gm ≈ 5gb ≈ 50 – 100 gd.

Малосигнальные параметры можно определить из ВАХ реальных приборов, рис.2.4.

21

Рис.2.4 Типичные ВАХ МОП-транзисторов: а – выходная ВАХ n-МОП I; б – входная ВАХ n-МОП в диодном режиме; в – выходная ВАХ p-МОП; г – выходная ВАХ n-МОП при VGS = 0 и 2,5 В

На рис.2.4,а - в приведены типичные ВАХ, а в Табл. 2.1 – типичные параметры n-МОП и p-МОП, соответствующие технологии 0.25 КМОП. Размеры затворов транзисторов (в мкм) W/L = 10/1. На рис.2.4,г показано изменение ВАХ n-МОП при уменьшении длины канала.

Из приведенных графиков видно,что:

1) Квадратичная зависимость тока стока от напряжения на затворе имеет место только при малых превышениях порогового напряжения (до 200 –

24

Рис.2.6. Емкостная модель МОП-транзистора.

При открытом МОП-транзисторе емкостная связь затвора с электродами изменяется, и для упрощенного определения взаимных емкостей часть канала относят к истоку, а часть к стоку. В результате, в первом приближении, получается элементарная зависимость емкостей от режимов (Табл. 2.2).

Примечание: Сgs – емкость затвор-исток открытого МОП-транзистора; Сgd – емкость затвор –сток открытого МОП-транзистора;, Lov – эффективная длина перекрытия затвора с истоком/стоком; As, Ad – площади истока/стока, соответственно; Ps, Pd – периметры истока/стока, соответственно; Cj – удельная емкость дна

истока/стока на карман Cj = Cj0 / (1 + Vs(d)/Ф0)mj ; Cjp – удельная емкость периферии S/D на карман, Cjp = Cjp0 / (1 + Vs(d)/Ф0)mjp ;Ф0 – контактная разность потенциалов, Ф0 ≈ 0,9 В; mj, mjp – показатели степени в формулах емкости S/D.

25

2.2.6. Эквивалентная схема

Учет статических и динамических связей между электродами четырехполюсника, а также учет зависимости параметров генератора тока от режима, работы приводят к следующей эквивалентной схеме МОПтранзистора, представленной на рис.2.7.

Рис.2.7. Эквивалентная схема МОП-транзистора

2.2.7. Максимальное быстродействие

Из анализа эквивалентной схемы МОП-транзистора, приведенной на рис.2.7, следует, что максимальная рабочая частота (при которой еще возможно усиление)

а с учетом ограничения скорости (используя (2.10)):

Из формулы (2.21) следует, что для повышения быстродействия необходимо уменьшать длину канала, сохраняя высокую подвижность носителей, что чрезвычайно трудно, поскольку подвижность падает при повышении степени легирования. При заданной конструкции МОПтранзистора для повышения рабочей частоты следует повышать эффективное входное напряжение (рабочий ток), что приводит к снижению коэффициента усиления по напряжению.

2.2.8. Температурная зависимость

Температура влияет на многие параметры МОП-транзисторов, а в диапазоне комнатных температур необходимо учитывать температурную зависимость порогового напряжения. В формулу для порогового напряжения входят величины ΨB и NA, зависящие от температуры. Дифференцируя выражение (2.1) по температуре, после преобразований получаем:

27

n-карман диоды закрыты и на работу схемы оказывают влияния (в динамике) только их барьерные емкости.

2.3.2.Биполярные транзисторы

Всоставе КМОП ИС имеется несколько типов биполярных транзисторов, образованных близкорасположенными р–п-переходами. При нормальной работе КМОП, когда на подложке нулевой потенциал, а на кармане напряжение питания, все р–п-переходы (а значит и биполярные транзисторы) закрыты. При необходимости можно использовать р-п-р транзистор, у которого коллектором служит подложка, базой – п-карман,

аэмиттером п+-область в кармане (рис.2.9).

Рис.2.9. Структура р–п–р-транзистора

Поскольку потенциал подложки фиксирован, такой транзистор допускает использование в схеме эмиттерного повторителя при подаче на базу (карман) входного сигнала.

2.3.3.Тиристоры

Всоставе КМОП ИС наряду с указанным р-п-р транзистором, существует продольный п-р-п транзистор, образованный стоком/истоком n-МОП и карманом (рис.2.10).

29

2.4. Пассивные элементы

Пассивные элементы (резисторы, конденсаторы) широко используются в аналоговых КМОП ИС для обеспечения линейных преобразований сигналов.

2.4.1.Резисторы

Всоставе КМОП ИС имеется ряд проводящих слоев, которые

можно использовать в качестве резисторов, в том числе карман, поликремний, n+ сток/исток, р+ сток/исток (рис.2.12,а),.

Иногда формируют специальный дополнительный слой резистивного поликремния, обладающего заданной и более стабильной проводимостью (рис.2.12,б).

Диапазон величин сопротивлений таких резисторов составляет от

десятков Ом/ (высоколегированные диффузионные и поликремниевые слои) до нескольких кОм/ (карман и специальные слои поликремния), (Табл.2.4)

Недостатками подобных резисторов являются большая занимаемая площадь, значительный разброс величин сопротивлений и наличие паразитной емкости. Как правило, резисторы используют в тех случаях, когда требуется высокая линейность сопротивления.