CMOS元器件及其模型

cmos电路和器件基本结构CMOS电路和器件基本结构一、引言CMOS（亦称为互补金属-氧化物-半导体）电路是一种常用的逻辑电路，它由NMOS（N型金属-氧化物-半导体）和PMOS（P型金属-氧化物-半导体）两种互补型的MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）组成。

CMOS电路以其低功耗、高集成度和低电压操作等特点，在现代集成电路设计中得到广泛应用。

本文将介绍CMOS电路和器件的基本结构。

二、CMOS电路的基本结构1. NMOS器件NMOS器件由P型衬底上生长的N型沟道和两个掺入P型源极和漏极的P型扩散区组成。

沟道区域上方由一层薄的氧化硅（SiO2）作为绝缘层，上面再覆盖一层金属（通常为铝）作为电极。

当沟道区没有电压施加时，NMOS处于截止状态，导通状态需要在沟道区施加正电压。

2. PMOS器件PMOS器件与NMOS器件相反，由N型衬底上生长的P型沟道和两个掺入N型源极和漏极的N型扩散区组成。

沟道区域上方同样有一层氧化硅和金属电极。

当沟道区施加负电压时，PMOS处于导通状态，截止状态需要在沟道区施加正电压。

3. CMOS电路CMOS电路是通过将NMOS和PMOS器件相互串联或并联而构成的。

在CMOS电路中，NMOS器件的漏极与PMOS器件的源极相连，共同组成电路的输出端；NMOS器件的源极与PMOS器件的漏极相连，共同组成电路的输入端。

当输入信号施加到NMOS和PMOS器件上时，根据不同的输入信号电平，其中一个器件处于导通状态，另一个器件处于截止状态，从而实现电路的逻辑功能。

三、CMOS电路的工作原理CMOS电路的工作原理是基于MOSFET的三个重要特性：沟道截止、沟道饱和和门极电势控制。

当输入信号为低电平时，NMOS处于导通状态，PMOS处于截止状态，此时电路输出为高电平；当输入信号为高电平时，NMOS处于截止状态，PMOS处于导通状态，此时电路输出为低电平。

由于CMOS电路的输出仅在输入发生变化时才会改变，且输出信号的上升和下降均经过一个NMOS和一个PMOS器件，因此CMOS电路具有较低的功耗和较高的抗噪声能力。

集成电路常用器件介绍一、CMOS工艺下器件：CMOS工艺可分为P阱CMOS、N阱CMOS和双阱CMOS。

以NWELL工艺为例说明CMOS中常用有源及无源器件的器件结构、工作原理、特性参数等。

建议在此之前先了解CMOS的基本工艺。

1.1有源器件1. MOS管采用N阱工艺制作的PMOS与NMOS结构示意图如图（1.1-1），在衬底为轻掺杂P-的材料上，扩散两个重掺杂的N+区就构成了N沟器件，两个N+区即源漏，中间为沟道。

中间区域的表面上有以薄层介质材料二氧化硅将栅极（多晶硅）与硅隔离开。

同样，P沟器件是在衬底为轻掺杂的N-的材料（即N阱或NWELL）上，扩散两个重掺杂的P+区形成的。

图（1.1-1）图中的B端是指衬底，采用N阱工艺时，N阱接最高电位VDD，Psub接VSS。

通常将PMOS、NMOS的源极与衬底接在一起使用。

这样，栅极和衬底各相当于一个极板，中间是二氧化硅绝缘层，形成电容。

当栅源电压变化时，将改变衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。

以N沟器件为例说明MOS管的工作原理：（1）N沟增强型MOS管：当栅源之间不加电压时，漏源之间是两只背靠背的PN结，不存在导电沟道，因此即使漏源之间加电压，也不会有漏极电流。

当u DS=0,且u GS>0时，由于二氧化硅的存在，栅极电流为零。

但是栅极金属层将聚集正电荷，它们排斥P型衬底靠近二氧化硅一侧的空穴，使之留下不能移动的负离子区，形成耗尽层。

当u GS增大，一方面耗尽层加宽，另一方面将衬底的自由电子吸引到耗尽层于绝缘层之间，形成一个N型薄层，称为反型层，如图（1.1-2）。

这个反型层即源漏之间的导电沟道。

指沟道刚刚形成的栅源电压称为开启电压U GS(th)。

u GS 越大反型层越厚，导电沟道电阻越小。

图（1.1-2）当u GS是大于U GS(th)的一个确定值时，若在漏源之间加正向电压，则产生一定的漏极电流。

此时，u DS的变化对导电沟道的影响与结型场效应管相似，即当u DS较小时，u DS的增大使漏极电流线性增大，沟道沿源漏方向逐渐变窄，一旦u DS增大到使u GD= U GS(th)[即u DS＝U GS- U GS(th)]时，沟道在漏极一侧出现夹断点，称为预夹断，如图(1.1-3)所示。

第一章CMOS电路中的器件及其模型第一节MOSFET基础第二节MOSFET的SPICE模型第一节MOSFET基础MOSFET的基本结构MOSFET的基本原理MOSFET的稳态特性MOSFET的动态特性MOSFET的二级效应第一节MOSFET基础MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor 金属－氧化物－半导体场效应晶体管四端器件：栅Gate源Source漏Drain衬底BodySDG多晶硅有源区金属WLSiO 2SiO 2n +n +S D Lp-Sit ox x jGMOS 晶体管的结构版图剖面图B关键参数：沟道长度L 沟道宽度W 栅氧化层厚度Tox衬底掺杂浓度Nsub 源漏pn 结结深xj实际沟道长度L = LG –2LDP-SiL DL(drawn)n+n+n+n+杂质的横向扩散实际沟道宽度DaWWW2-=场氧化产生的鸟嘴沟道宽度W W W 123w W=4wW=W1+W2+W3W =4WSSS S DD DMOS晶体管的电势分布MOS晶体管的分类I－V特性•简单电流方程•四端器件的完整电流方程•亚阈值区电流方程•MOS晶体管的主要直流参数MOSFET的工作过程及I－V 特性亚阈线性饱和I DSV G－V tMOSFET的输入、输出特性曲线MOS 管的电流电压NMOS 管的I~V 特性推导NMOS 管的电流——电压关系式：设：Vgs>Vtn ，且Vgs 保持不变，则：沟道中产生感应电荷，根据电流的定义有：其中：τ电子平均传输时间栅下感应总电子电荷数Qc Ids =L τυ=沟道长度电子运动速度ν=μn*E ds μn 为电子迁移率（cm ²/v*sec ）E ds =V ds /L 沟道水平方向场强代入：ν=（μn*V ds ）/L代入：关键是求Qc ，需要分区讨论：ds n V L ⨯=μτ2（1）线性区：Vgs-Vtn>Vds设：Vds 沿沟道区线性分布则：沟道平均电压等于Vds/2由电磁场理论可知：Qc=e o ⨯e ox ⨯Eg ⨯W ⨯L 其中：tox 为栅氧厚度e o 为真空介电常数e ox 为二氧化硅的介电常数W 为栅的宽度t oxVds Vtn Vgs Eg 2/)(--=令：Cox=(e o ⨯e ox)/tox 单位面积栅电容K= Cox ⨯μn 工艺因子βn=K(W/L) 导电因子则：Ids=βn[(Vgs-Vtn)-Vds/2]Vds——线性区的电压-电流方程当工艺一定时，K 一定，βn 与（W/L ）有关。

cmos电路和器件基本结构CMOS电路和器件基本结构CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）电路是一种广泛应用于数字集成电路中的技术。

CMOS电路由CMOS 器件构成，它是一种特殊的半导体器件。

本文将介绍CMOS电路和器件的基本结构。

一、CMOS电路的基本原理CMOS电路的基本原理是利用n型MOS（NMOS）和p型MOS （PMOS）两种互补型的场效应晶体管（FET）来实现电路的逻辑功能。

NMOS和PMOS的特性互补，通过它们的联合工作可以实现低功耗、高集成度和高噪声抑制的优点。

二、CMOS器件的基本结构CMOS器件由一对互补型的MOSFET组成，即NMOS和PMOS。

这两种器件的基本结构如下：1. NMOS结构NMOS器件由一个n型沟道和两个控制电极（栅极和源极）组成。

栅极用于控制沟道的导电性，源极和漏极用于连接电路。

当栅极施加高电压时，沟道会形成导电通道，电流可以从源极流向漏极；当栅极施加低电压时，导电通道关闭，电流无法流动。

2. PMOS结构PMOS器件由一个p型沟道和两个控制电极（栅极和源极）组成。

栅极用于控制沟道的导电性，源极和漏极用于连接电路。

与NMOS 相反，当栅极施加低电压时，沟道会形成导电通道，电流可以从源极流向漏极；当栅极施加高电压时，导电通道关闭，电流无法流动。

三、CMOS电路的工作原理CMOS电路的工作原理是利用两个互补型MOSFET的特性，通过不同的输入信号来控制输出信号。

当输入信号为高电平时，NMOS 导通，PMOS截止；当输入信号为低电平时，PMOS导通，NMOS 截止。

这样就实现了输入信号与输出信号之间的逻辑关系。

四、CMOS电路的优点CMOS电路具有以下几个优点：1. 低功耗：CMOS电路只在切换时才消耗电能，而静态时几乎不消耗电能，因此功耗较低。

2. 高集成度：CMOS电路中的晶体管可以非常小型化，因此可以实现高度集成的芯片设计。