集成PMOS管變容特性分析與仿真建模
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時(shí)間：2011-07-25
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1．2 PMOS的變容管連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電容結構有著(zhù)類(lèi)似的機理，所以，電容值隨襯底與柵極之間的電壓VBG變化。
對于PMOS變容管，在襯柵電壓VBG的作用下，變容管的電容可以看作柵氧化層電容與半導體空間電荷區電容的串聯(lián)，即：
因為反型載流子溝道在VBG超過(guò)閾值電壓時(shí)建立，所以，當VBG遠遠超越閾值電壓時(shí)，變容管工作在強反型區域；在柵電位VG大于襯底電位VB時(shí)，變容管進(jìn)入積累區，此時(shí)柵氧化層與半導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，在反型區和積累區的變容管的電容值：
閾值反型點(diǎn)是當達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是半導體的介電常數、φs稱(chēng)為表面勢；Na為受主原子的濃度；e為基本電荷的電量；
為反型轉折點(diǎn)的空間電荷區最大寬度，φf=Vtln(Na／ni)為雜質(zhì)半導體襯底的相對費米勢，Vt= kT／e為熱電壓，ni為本征載流子濃度，k為玻爾茲曼常數，T為絕對溫度；εox為氧化層的介電常數；tox為氧化層厚度。由于處于耗盡區、弱反型區和中反型區3個(gè)區域中的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表示耗盡區域電容，而Ci與柵氧化層界面的空穴數量變化相關(guān))串聯(lián)構成，如式(1)所示。從反型載流子溝道建立開(kāi)始到強反型區又可細分為3個(gè)工作區域：弱反型區、中反型區和強反型區。如果Cb(Ci)占主
導地位，則MOS器件工作在中反型(耗盡)區；如果2個(gè)電容都不占主導地位，MOS器件工作在弱反型區。
進(jìn)入強反型區后分為高頻和低頻兩種測試情形，高頻條件下少數載流子的產(chǎn)生與復合均跟不上信號的變化，于是Cv不隨偏壓的變化；而低頻(準靜態(tài))下它能隨偏壓而變化。理論上，常常在各區段抓住影響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，構成連續的變容特性曲線(xiàn)如圖3所示?？梢?jiàn)，PMOS管電容器的變容特性理論曲線(xiàn)與一般MIS結構電容的特性變化趨勢相似。本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/178822.htm
2 PMOS管變容特性建模與仿真
2．1 PMOS管變容高頻特性建模
用HSpice和Candence Spectre進(jìn)行晶體管級電路模擬仿真時(shí)，軟件根據晶體管靜態(tài)條件下所建模型對PMOS變容管準靜態(tài)特性的獲取較為方便，但對其高頻特性顯得無(wú)能為力。以下將基于PMOS變容管準靜態(tài)特性的基本參數，采用特性曲線(xiàn)擬合的辦法，對PMOS變容管高頻(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(xiàn)類(lèi)似于雙曲正切函數曲線(xiàn)，選取曲線(xiàn)的關(guān)鍵點(diǎn)(-∞，Cox)、(VT，Cmin’)并引入電容變化指數γ(類(lèi)似于變容二極管的結電容變化指數)與此特性曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，得PMOS管高頻變容VBG～CV特性的模型函數：
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