集成PMOS管變?nèi)萏匦苑治雠c仿真建模

作者：時(shí)間：2011-07-25 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

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1．2 PMOS的變?nèi)莨苓B接及其壓控特性分析
圖2為PMOS管連接成壓控可變電容的示意圖。具體是將漏、源和襯底短接作為電容的一極接高電平，柵極作為另一極接低電平。這種連接與MIS電容結(jié)構(gòu)有著類似的機(jī)理，所以，電容值隨襯底與柵極之間的電壓VBG變化。
對(duì)于PMOS變?nèi)莨埽谝r柵電壓VBG的作用下，變?nèi)莨艿碾娙菘梢钥醋鳀叛趸瘜与娙菖c半導(dǎo)體空間電荷區(qū)電容的串聯(lián)，即：

因?yàn)榉葱洼d流子溝道在VBG超過(guò)閾值電壓時(shí)建立，所以，當(dāng)VBG遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越閾值電壓時(shí)，變?nèi)莨芄ぷ髟趶?qiáng)反型區(qū)域；在柵電位VG大于襯底電位VB時(shí)，變?nèi)莨苓M(jìn)入積累區(qū)，此時(shí)柵氧化層與半導(dǎo)體之間的界面電壓為正且足夠高使得電子可以自由移動(dòng)。這樣，在反型區(qū)和積累區(qū)的變?nèi)莨艿碾娙葜担?br />

閾值反型點(diǎn)是當(dāng)達(dá)到最大耗盡寬度且反型層電荷密度為零時(shí)得到的最小電容：

平帶是發(fā)生在堆積和耗盡模式間，電容為：

式(1)～式(4)中牽扯到的各參量的意義分別為：

為耗盡層的厚度，εs是半導(dǎo)體的介電常數(shù)、φs稱為表面勢(shì)；Na為受主原子的濃度；e為基本電荷的電量；

為反型轉(zhuǎn)折點(diǎn)的空間電荷區(qū)最大寬度，φf=Vtln(Na／ni)為雜質(zhì)半導(dǎo)體襯底的相對(duì)費(fèi)米勢(shì)，Vt= kT／e為熱電壓，ni為本征載流子濃度，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度；εox為氧化層的介電常數(shù)；tox為氧化層厚度。
由于處于耗盡區(qū)、弱反型區(qū)和中反型區(qū)3個(gè)區(qū)域中的PMOS只有很少的移動(dòng)載流子，這使得PMOS電容Cv減小(比Cox小)。此時(shí)，Cv可以看成由氧化層電容Cox和半導(dǎo)體表面空間電荷層電容(由Cb與Ci的并聯(lián)電容值，Cb表示耗盡區(qū)域電容，而Ci與柵氧化層界面的空穴數(shù)量變化相關(guān))串聯(lián)構(gòu)成，如式(1)所示。從反型載流子溝道建立開(kāi)始到強(qiáng)反型區(qū)又可細(xì)分為3個(gè)工作區(qū)域：弱反型區(qū)、中反型區(qū)和強(qiáng)反型區(qū)。如果Cb(Ci)占主
導(dǎo)地位，則MOS器件工作在中反型(耗盡)區(qū)；如果2個(gè)電容都不占主導(dǎo)地位，MOS器件工作在弱反型區(qū)。
進(jìn)入強(qiáng)反型區(qū)后分為高頻和低頻兩種測(cè)試情形，高頻條件下少數(shù)載流子的產(chǎn)生與復(fù)合均跟不上信號(hào)的變化，于是Cv不隨偏壓的變化；而低頻(準(zhǔn)靜態(tài))下它能隨偏壓而變化。理論上，常常在各區(qū)段抓住影響MOS管電容Cv的主要因素進(jìn)行研究，但各個(gè)次要因素與主要因素相互作用，構(gòu)成連續(xù)的變?nèi)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/特性">特性曲線如圖3所示?？梢?jiàn)，PMOS管電容器的變?nèi)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/特性">特性理論曲線與一般MIS結(jié)構(gòu)電容的特性變化趨勢(shì)相似。

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/178822.htm

2 PMOS建模與仿真
2．1 PMOS建模
用HSpice和Candence Spectre進(jìn)行晶體管級(jí)電路模擬仿真時(shí)，軟件根據(jù)晶體管靜態(tài)條件下所建模型對(duì)PMOS變?nèi)莨軠?zhǔn)靜態(tài)特性的獲取較為方便，但對(duì)其高頻特性顯得無(wú)能為力。以下將基于PMOS變?nèi)莨軠?zhǔn)靜態(tài)特性的基本參數(shù)，采用特性曲線擬合的辦法，對(duì)PMOS變?nèi)莨芨哳l(即動(dòng)態(tài))特性進(jìn)行建模。
由圖3可見(jiàn)，Cv隨VBG變化的高頻特性曲線類似于雙曲正切函數(shù)曲線，選取曲線的關(guān)鍵點(diǎn)(-∞，Cox)、(VT，Cmin’)并引入電容變化指數(shù)γ(類似于變?nèi)荻O管的結(jié)電容變化指數(shù))與此特性曲線進(jìn)行擬合，得PMOS管高頻變?nèi)軻BG～CV特性的模型函數(shù)：