CMOS工藝PMOS壓控變?nèi)萏匦匝芯?/h1>
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：
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)萏匦郧€如圖3所示?？梢姡琍MOS管電容器的變?nèi)萏匦岳碚撉€與一般MIS結(jié)構(gòu)電容的特性變化趨勢(shì)相似。
2 PMOS管變?nèi)萏匦越Ｅc仿真
2.1 PMOS管變?nèi)莞哳l特性建模
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，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)：
2.2.1 變?nèi)莨軠?zhǔn)靜態(tài)特性的Hspice仿真
為獲得式(5)中所需的基本參數(shù)，且便于和理論分析的特性曲線作對(duì)比，選取Charted 0.35μm工藝庫，用Hspiee對(duì)PMOS管連接的變?nèi)萜髋c以固定電容器相串聯(lián)，離散加入一系列靜態(tài)偏壓，根據(jù)分壓逐一地得到PMOS變?nèi)萜鞯娜葜岛蛯?duì)應(yīng)的偏壓。仿真時(shí)，PMOS管尺寸取L=1μ，W=7.1μm，得到逐點(diǎn)仿真的準(zhǔn)靜態(tài)擬合曲線如圖4所示。
這個(gè)曲線的走勢(shì)與理論分析的變化趨勢(shì)一致。
2.2.2 變?nèi)莨芨哳l特性的Matlab仿真
取L=1μm，分別對(duì)W=7.1μm，W=4.3 μm兩種情形用Matlab仿真。其他參數(shù)為：εs=11.7×8.854×10-12F/m，γ=1/2，VFB=-1.95V，Na=5×1021m-3，ni=1.5×1014m-3，tox=7.46×10-9m，絕對(duì)溫度T為300K，VT=-0.8427V，e為基本電荷的電量;εox=3.9×8.854×10-12 F/m。仿真得到的PMOS變?nèi)萜鞲哳l特性VBG—CV曲線如圖5所示?？梢姡煌叽绲腜MOS變?nèi)莨?，其最大、最小電容有別，隨WL的增大二者均有所增大，相當(dāng)于極板正對(duì)面積增大。這就是設(shè)計(jì)中確定變?nèi)莘秶囊罁?jù)。
2.2.3 變?nèi)萏匦苑抡娼Y(jié)果的對(duì)比
為了說明所建模型的正確性，將尺寸為L=1 μm，W=7.1μm的PMOS管用HSpice仿真的準(zhǔn)靜態(tài)變?nèi)萏匦郧€與用Matlab分別仿真L=1μm時(shí)W=7.1μm，W=4.3 μm的高頻變?nèi)萏匦郧€放在同一VBG—CV坐標(biāo)上比較，如圖6所示。
可見，PMOS變?nèi)萏匦栽跍?zhǔn)靜態(tài)與高頻特性分離以前曲線吻合得很好。由于HSpiee仿真與具體工藝參數(shù)相結(jié)合，可以認(rèn)為仿真曲線為實(shí)際準(zhǔn)靜態(tài)特性，而用Matlab對(duì)高頻模型仿真所得到的高頻變?nèi)萏匦郧€為模型曲線。并且二者共同完成了對(duì)PMOS電容器連接的變?nèi)萏匦悦枋?，其結(jié)果和分析結(jié)果與圖2一致。
3 結(jié)語
本文對(duì)PMOS用作變?nèi)莨軙r(shí)的特性進(jìn)行了研究，用HSpice對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)特性進(jìn)行仿真描繪，從而確定了一些關(guān)鍵點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，建立了高頻變?nèi)萏匦缘暮喕Ｐ停肕atlab對(duì)模型進(jìn)行了仿真，并與HSpice得到的準(zhǔn)靜態(tài)結(jié)果局部比對(duì)、與理論分析總體比對(duì)均說明了結(jié)果的正確性。
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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：
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)萏匦郧€如圖3所示?？梢姡琍MOS管電容器的變?nèi)萏匦岳碚撉€與一般MIS結(jié)構(gòu)電容的特性變化趨勢(shì)相似。
2 PMOS管變?nèi)萏匦越Ｅc仿真
2.1 PMOS管變?nèi)莞哳l特性建模
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，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)：
2.2.1 變?nèi)莨軠?zhǔn)靜態(tài)特性的Hspice仿真
為獲得式(5)中所需的基本參數(shù)，且便于和理論分析的特性曲線作對(duì)比，選取Charted 0.35μm工藝庫，用Hspiee對(duì)PMOS管連接的變?nèi)萜髋c以固定電容器相串聯(lián)，離散加入一系列靜態(tài)偏壓，根據(jù)分壓逐一地得到PMOS變?nèi)萜鞯娜葜岛蛯?duì)應(yīng)的偏壓。仿真時(shí)，PMOS管尺寸取L=1μ，W=7.1μm，得到逐點(diǎn)仿真的準(zhǔn)靜態(tài)擬合曲線如圖4所示。
這個(gè)曲線的走勢(shì)與理論分析的變化趨勢(shì)一致。
2.2.2 變?nèi)莨芨哳l特性的Matlab仿真
取L=1μm，分別對(duì)W=7.1μm，W=4.3 μm兩種情形用Matlab仿真。其他參數(shù)為：εs=11.7×8.854×10-12F/m，γ=1/2，VFB=-1.95V，Na=5×1021m-3，ni=1.5×1014m-3，tox=7.46×10-9m，絕對(duì)溫度T為300K，VT=-0.8427V，e為基本電荷的電量;εox=3.9×8.854×10-12 F/m。仿真得到的PMOS變?nèi)萜鞲哳l特性VBG—CV曲線如圖5所示?？梢姡煌叽绲腜MOS變?nèi)莨?，其最大、最小電容有別，隨WL的增大二者均有所增大，相當(dāng)于極板正對(duì)面積增大。這就是設(shè)計(jì)中確定變?nèi)莘秶囊罁?jù)。
2.2.3 變?nèi)萏匦苑抡娼Y(jié)果的對(duì)比
為了說明所建模型的正確性，將尺寸為L=1 μm，W=7.1μm的PMOS管用HSpice仿真的準(zhǔn)靜態(tài)變?nèi)萏匦郧€與用Matlab分別仿真L=1μm時(shí)W=7.1μm，W=4.3 μm的高頻變?nèi)萏匦郧€放在同一VBG—CV坐標(biāo)上比較，如圖6所示。
可見，PMOS變?nèi)萏匦栽跍?zhǔn)靜態(tài)與高頻特性分離以前曲線吻合得很好。由于HSpiee仿真與具體工藝參數(shù)相結(jié)合，可以認(rèn)為仿真曲線為實(shí)際準(zhǔn)靜態(tài)特性，而用Matlab對(duì)高頻模型仿真所得到的高頻變?nèi)萏匦郧€為模型曲線。并且二者共同完成了對(duì)PMOS電容器連接的變?nèi)萏匦悦枋?，其結(jié)果和分析結(jié)果與圖2一致。
3 結(jié)語
本文對(duì)PMOS用作變?nèi)莨軙r(shí)的特性進(jìn)行了研究，用HSpice對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)特性進(jìn)行仿真描繪，從而確定了一些關(guān)鍵點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，建立了高頻變?nèi)萏匦缘暮喕Ｐ停肕atlab對(duì)模型進(jìn)行了仿真，并與HSpice得到的準(zhǔn)靜態(tài)結(jié)果局部比對(duì)、與理論分析總體比對(duì)均說明了結(jié)果的正確性。
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