模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)第2章MOS器件物理基礎(chǔ)

第二章

MOS器件物理基礎(chǔ)1MOSFET的結(jié)構(gòu)2襯底Ldrawn：溝道總長(zhǎng)度Leff：溝道有效長(zhǎng)度，Leff＝Ldrawn－2LDMOSFET的結(jié)構(gòu)LD：橫向擴(kuò)散長(zhǎng)度（bulk、body）3MOS管正常工作的基本條件MOS管正常工作的基本條件是:所有襯源（B、S）、襯漏（B、D）pn結(jié)必須反偏！寄生二極管4同一襯底上的NMOS和PMOS器件寄生二極管*N-SUB必須接最高電位VDD！*P-SUB必須接最低電位VSS！*阱中MOSFET襯底常接源極SMOS管所有pn結(jié)必須反偏:5例：判斷制造下列電路的襯底類(lèi)型6NMOS器件的閾值電壓VTH(a)柵壓控制的MOSFET(b)耗盡區(qū)的形成(c)反型的開(kāi)始(d)反型層的形成7以NMOS為例：D和S接地①VG<0，空穴在硅表面積積累②0<VG<VTH硅表面耗盡：表面只有固定的負(fù)電荷③VG>VTH

硅表面反型：自由電子吸引到硅表面強(qiáng)反型條件：

柵極下硅表面反型層的載流子濃度=

襯底摻雜濃度8這里是多晶硅柵和硅襯底的函數(shù)，＝，Nsub是襯底的摻雜濃度，Qdep是耗盡層的電荷，Cox是單位面積的柵極電容。由pn結(jié)的原理，,這里εsi是硅的介電常數(shù)。因?yàn)镃ox經(jīng)常出現(xiàn)在器件的計(jì)算公式中，一般認(rèn)為tox＝50A，Cox＝6.9fF/，Cox的值可以來(lái)估其他厚度的氧化層面積。=為體效應(yīng)系數(shù)，為源－體之間的電勢(shì)差9NMOS管VGS>VT、VDS=0時(shí)的示意圖10NMOS管VGS>VT、0<VDS<VGS-VT時(shí)的示意圖溝道夾斷條件Vds≥Vgs-Vth11NMOS溝道電勢(shì)示意圖(0<VDS<VGS-VT)邊界條件:V(x)|x=0=0,V(x)|x=L=VDS12Qd：溝道電荷密度Cox：?jiǎn)挝幻娣e柵電容溝道單位長(zhǎng)度電荷(C/m)WCox：MOSFET單位長(zhǎng)度的總電容Qd(x)：沿溝道點(diǎn)x處的電荷密度V(x)：溝道x點(diǎn)處的電勢(shì)I/V特性的推導(dǎo)（1）電荷移動(dòng)速度(m/s)V(x)|x=0=0,V(x)|x=L=VDS13I/V特性的推導(dǎo)（2）對(duì)于半導(dǎo)體：且14三極管區(qū)的MOSFET（0<VDS<

VGS－VT）等效為一個(gè)壓控電阻15I/V特性的推導(dǎo)（3）三極管區(qū)(線性區(qū))每條曲線在VDS＝VGS－VTH時(shí)取最大值，且大小為：VDS＝VGS－VTH時(shí)溝道剛好被夾斷16飽和區(qū)的MOSFET（VDS≥

VGS－VT）當(dāng)V(x)接近VGS-VT，Qd(x)接近于0，即反型層將在X≤L處終止，溝道被夾斷。17NMOS管VGS>VT、VDS>VGS-VT時(shí)的示意圖電子耗盡區(qū)18NMOS管的電流公式截至區(qū)，Vgs<VTH線性區(qū),Vgs

>VTHVDS<Vgs

-VTH飽和區(qū),Vgs

>VTHVDS>Vgs

-VTH19MOSFET的I/V特性TriodeRegionVDS>VGS-VT溝道電阻隨VDS增加而增加導(dǎo)致曲線彎曲曲線開(kāi)始斜率正比于VGS-VTVDS<VGS-VT用作恒流源條件：工作在飽和區(qū)且VGS＝const！20例2.1：在圖2.14a中，表示M1是受VG控制的電阻。假設(shè)Cox＝50uA/V，W/L=10，VTH＝0.7V。漏端開(kāi)路解：因?yàn)槁┒碎_(kāi)路，ID＝0，VDS＝0。因此，假如器件導(dǎo)通，它就工作在深線性區(qū)。如果VG<1V+VTH,M1截止，Ron＝無(wú)窮大。如果VG>1V+VTH我們有21MOSFET的跨導(dǎo)gm22例2.2：如圖2.19，畫(huà)出跨導(dǎo)與的函數(shù)曲線當(dāng)從無(wú)窮大減小到零時(shí)來(lái)研究的變化，會(huì)使這個(gè)問(wèn)題變的簡(jiǎn)單。只要，晶體管就工作在飽和區(qū)，和就保持相對(duì)恒定，這可從式得到。當(dāng)它工作在線性區(qū)時(shí)，此時(shí)有=因此，如圖2.19曲線所示，一旦器件進(jìn)入線性區(qū)，跨導(dǎo)將下降。因此，在放大應(yīng)用時(shí)，我們通常使MOSFET工作在飽和區(qū)23MOS管飽和的判斷條件NMOS飽和條件：Vgs>VTN；Vds≥Vgs-VTHNPMOS飽和條件:Vgs<VTP；Vds≤Vgs-VTP

gdgd判斷MOS管是否工作在飽和區(qū)時(shí)，不必考慮Vs24MOS模擬開(kāi)關(guān)MOS管為什么可用作模擬開(kāi)關(guān)？MOS管D、S可互換，電流可以雙向流動(dòng)?？赏ㄟ^(guò)柵源電源（Vgs）方便控制MOS管的導(dǎo)通與關(guān)斷。關(guān)斷后Id≈025NMOS模擬開(kāi)關(guān)傳送高電平的閾值損失特性假定“1”電平為3V，“0”電平為0V，VTN＝0.5V，試確定C1、C2的終值電壓。26PMOS模擬開(kāi)關(guān)傳送低電平的閾值損失特性假定“1”電平為3V，“0”電平為0V，VTP＝-0.5V，試確定C1、C2的終值電壓。27MOS管的開(kāi)啟電壓VT及體效應(yīng)ΦMS：多晶硅柵與硅襯底功函數(shù)之差Qdep耗盡區(qū)的電荷,是襯源電壓VBS的函數(shù)Cox：?jiǎn)挝幻娣e柵氧化層電容28MOS管的開(kāi)啟電壓VT及體效應(yīng)無(wú)體效應(yīng)源極跟隨器

有體效應(yīng)體效應(yīng)系數(shù)，VBS＝0時(shí)，＝0一般，體效應(yīng)使設(shè)計(jì)復(fù)雜化29MOS管體效應(yīng)的Pspice仿真結(jié)果Vb=0.5vVb=0vVb=-0.5vIdVg體效應(yīng)的應(yīng)用：利用襯底作為MOS管的第3個(gè)輸入端利用VT減小用于低壓電源電路設(shè)計(jì)30襯底跨導(dǎo)gmb31例2.3在圖2.23(a)圖中。假設(shè)，，。如果從到0變化,畫(huà)出漏電流的曲線解：如果足夠負(fù)，的閾值電壓將超過(guò)1.2V，器件處于關(guān)斷，即1.2v=0.6+0.4

解得:又由下式可知,當(dāng)時(shí),增加,如圖b所示32MOSFET的溝道調(diào)制效應(yīng)33MOSFET的溝道調(diào)制效應(yīng)LL’34MOS管溝道調(diào)制效應(yīng)的Pspice仿真結(jié)果VGS-VT=0.15V,W=100μ?ID/?VDS∝λ/L∝1/L2Ｌ=2μＬ=6μＬ=4μ35MOS管跨導(dǎo)gm不同表示法比較跨導(dǎo)gm123上式中:36亞閾值導(dǎo)電性當(dāng)下降到低于時(shí)管子會(huì)突然關(guān)斷。事實(shí)上，時(shí)，一個(gè)弱的反型層仍然存在，還是有電流從D流向S。甚至當(dāng)，也并非無(wú)限小，而是與成指數(shù)關(guān)系。這種效應(yīng)稱為“亞閾值導(dǎo)電”

圖2.27MOS亞閾值導(dǎo)特性對(duì)于的典型值，在室溫下，要使下降一個(gè)數(shù)量級(jí)，必須下降約80mV。產(chǎn)生漏電，對(duì)靜態(tài)功耗、動(dòng)態(tài)電路不利。37亞閾值導(dǎo)電特性(ζ>1,是一個(gè)非理想因子)38MOS管亞閾值導(dǎo)電特性的Pspice仿真結(jié)果VgSlogID仿真條件：VT＝0.6ＶW/L＝100μ/2μMOS管亞閾值電流ID一般為幾十~幾百nA,常用于低功耗放大器、帶隙基準(zhǔn)設(shè)計(jì)。39MOS器件版圖40MOS器件電容在許多模擬電路中，器件電容也必須加以考慮以便預(yù)測(cè)其交流特性。我們認(rèn)為電容存在于MOSFET的四個(gè)端子中任意兩個(gè)之間。（1）基本的覆蓋電容（線性的）（2）溝道電容（非線性的，值與晶體管的工作區(qū)域有關(guān)。（3）結(jié)電容，也是非線性的。41TheGateCapacitancetoxn+n+CrosssectionLGateoxidexdxdLdPolysilicon

gateTopviewGate-bulkoverlapSourcen+Drainn+W42GateCapacitanceCut-offResistiveSaturationMostimportantregionsindigitaldesign:saturationandcut-off43GateCapacitanceCapacitanceasafunctionofVGS(withVDS=0)Capacitanceasafunctionofthe

degreeofsaturation44MeasuringtheGateCap45DiffusionCapacitanceBottomSidewallSidewallChannelSourceNDChannel-stopimplant

NA1SubstrateNAWxjLS46JunctionCapacitance47LinearizingtheJunctionCapacitanceReplacenon-linearcapacitancebylarge-signalequivalentlinearcapacitancewhichdisplacesequalchargeovervoltageswingofinterest48Capacitancesin0.25mmCMOSprocess49MOS電容電容存在于MOS管的任意二極點(diǎn)之間電容可分為：①柵-溝道電容：②柵-源漏交疊電容：==是單位長(zhǎng)度電容③溝道-襯底耗盡層電容：④結(jié)電容：C5，C6底板電容Cj0、側(cè)壁電容Cjsw50不同工作區(qū)的MOS電容①關(guān)斷：②線性區(qū)：③飽和區(qū)：SDGB如果柵壓發(fā)生變化，電荷是由源和漏提供，而不是由襯底提供。P27最后一段51柵源、柵漏電容隨VGS的變化曲線C3=C4=COVWCov：每單位寬度的交疊電容MOS管關(guān)斷時(shí):CGD=CGS=CovW,CGB=C1//C2C1=WLCoxMOS管深線性區(qū)時(shí):CGD=CGS=C1/2+CovW,CGB=0,C2被溝道屏蔽MOS管飽和時(shí):CGS=2C1/3+CovW

,藹CGD=CovW,CGB=0,C2被溝道屏蔽52MOS電容器的結(jié)構(gòu)。53MOS器件電容54減小MOS器件電容的版圖結(jié)構(gòu)對(duì)于圖a:CDB=CSB=WECj

+2(W+E)Cjsw對(duì)于圖b:CDB=(W/2)ECj+2((W/2)+E)CjswCSB=2((W/2)ECj+2((W/2)+E)Cjsw=WECj

+2(W+2E)Cjsw55柵極電阻56MOS小信號(hào)模型漏電流公式和與電壓有關(guān)的電容構(gòu)成了MOS的大信號(hào)模型。當(dāng)信號(hào)顯著影響偏置工作點(diǎn)時(shí)，應(yīng)考慮非線性效應(yīng)。若信號(hào)對(duì)偏置影響小時(shí)，則可以用小信號(hào)模型簡(jiǎn)化計(jì)算。小信號(hào)模型是工作點(diǎn)附近的大信號(hào)模型的近似由于模擬電路中MOS偏置在飽和區(qū)，可以導(dǎo)出其相應(yīng)的小信號(hào)模型。57（1）由于漏電流是柵-源電壓的函數(shù)，因此我們可以引入一個(gè)值為gmVGS的壓控電流源。(a)(2)由于溝長(zhǎng)調(diào)制，漏電流也隨著漏-源電壓變化。這一效應(yīng)也可用一個(gè)壓控電流源模擬。但是，如果一個(gè)電流源的電流值與它兩端的電壓成線性關(guān)系，則該電流源等效于一個(gè)線性阻抗。(b)(c)58連接于D和S之間的輸出電阻可由下式得到：輸出電阻ro影響模擬電路的許多特性。例如，它限定著大多數(shù)放大器的最大電壓增益。59（3）襯底電勢(shì)影響閾值電壓，因而也影響柵-源過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓，在所有其他端子保持恒定電壓的情況下，漏電流是襯底電壓的函數(shù)。也就是說(shuō)，襯底相當(dāng)于另一個(gè)柵。用連接于B和S之間的電流源模擬這一關(guān)系，其電流值為gmbVbs,其中g(shù)mb=60在飽和區(qū)：因此我們又有g(shù)mbVBS和gmVGS有相同的極性，也就是說(shuō)，增大柵電壓與增大襯底電壓效果相同。61完整的MOS小信號(hào)模型也包括器件電容MOS小信號(hào)模型中的電容圖2.38完整的MOS小信號(hào)模型62例：求下列電路的低頻小信號(hào)輸出電阻(γ＝0)63例：求下列電路的低頻小信號(hào)輸出電阻(γ＝0)64例：求下列電路的低頻小信號(hào)輸出電阻(γ＝0)65小信號(hào)電阻總結(jié)（γ＝0）對(duì)于圖（A）：對(duì)于圖（B）：對(duì)于圖（C）：66NMOS器件的電容--電壓特性積累區(qū)強(qiáng)反型67例：若W/L＝50/0.5，|ID|＝500uA，分別求:

NMOS、PMOS的跨導(dǎo)及輸出阻抗以及本征增益gmr0

（tox=9e-9λn