集成PMOS管变容特性分析与仿真建模

作者：时间：2011-07-25 来源：网络收藏

1．2PMOS的变容管连接及其压控特性分析
图2为PMOS管连接成压控可变电容的示意图。具体是将漏、源和衬底短接作为电容的一极接高电平，栅极作为另一极接低电平。这种连接与MIS电容结构有着类似的机理，所以，电容值随衬底与栅极之间的电压VBG变化。
对于PMOS变容管，在衬栅电压VBG的作用下，变容管的电容可以看作栅氧化层电容与半导体空间电荷区电容的串联，即：

因为反型载流子沟道在VBG超过阈值电压时建立，所以，当VBG远远超越阈值电压时，变容管工作在强反型区域；在栅电位VG大于衬底电位VB时，变容管进入积累区，此时栅氧化层与半导体之间的界面电压为正且足够高使得电子可以自由移动。这样，在反型区和积累区的变容管的电容值：

阈值反型点是当达到最大耗尽宽度且反型层电荷密度为零时得到的最小电容：

平带是发生在堆积和耗尽模式间，电容为：

式(1)～式(4)中牵扯到的各参量的意义分别为：

为耗尽层的厚度，εs是半导体的介电常数、φs称为表面势；Na为受主原子的浓度；e为基本电荷的电量；

为反型转折点的空间电荷区最大宽度，φf=Vtln(Na／ni)为杂质半导体衬底的相对费米势，Vt= kT／e为热电压，ni为本征载流子浓度，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度；εox为氧化层的介电常数；tox为氧化层厚度。
由于处于耗尽区、弱反型区和中反型区3个区域中的PMOS只有很少的移动载流子，这使得PMOS电容Cv减小(比Cox小)。此时，Cv可以看成由氧化层电容Cox和半导体表面空间电荷层电容(由Cb与Ci的并联电容值，Cb表示耗尽区域电容，而Ci与栅氧化层界面的空穴数量变化相关)串联构成，如式(1)所示。从反型载流子沟道建立开始到强反型区又可细分为3个工作区域：弱反型区、中反型区和强反型区。如果Cb(Ci)占主
导地位，则MOS器件工作在中反型(耗尽)区；如果2个电容都不占主导地位，MOS器件工作在弱反型区。
进入强反型区后分为高频和低频两种测试情形，高频条件下少数载流子的产生与复合均跟不上信号的变化，于是Cv不随偏压的变化；而低频(准静态)下它能随偏压而变化。理论上，常常在各区段抓住影响MOS管电容Cv的主要因素进行研究，但各个次要因素与主要因素相互作用，构成连续的变容特性曲线如图3所示。可见，PMOS管电容器的变容特性理论曲线与一般MIS结构电容的特性变化趋势相似。

本文引用地址：//m.amcfsurvey.com/article/178822.htm

2 PMOS管变容特性建模与仿真
2．1 PMOS管变容高频特性建模
用HSpice和Candence Spectre进行晶体管级电路模拟仿真时，软件根据晶体管静态条件下所建模型对PMOS变容管准静态特性的获取较为方便，但对其高频特性显得无能为力。以下将基于PMOS变容管准静态特性的基本参数，采用特性曲线拟合的办法，对PMOS变容管高频(即动态)特性进行建模。
由图3可见，Cv随VBG变化的高频特性曲线类似于双曲正切函数曲线，选取曲线的关键点(-∞，Cox)、(VT，Cmin’)并引入电容变化指数γ(类似于变容二极管的结电容变化指数)与此特性曲线进行拟合，得PMOS管高频变容VBG～CV特性的模型函数：