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模拟模拟CMOSCMOS集成电路设计集成电路设计 第第 2 2 章章 MOSMOS器件物理基础器件物理基础 2.1 2.1 基本概念基本概念 2 漏（D: drain）、 栅（G: gate）、 源（S: source）、衬底（B: bulk） G S D MOSFET：一个低功耗、高效率的开关 MOS MOS符号符号 3 模拟电路中常用符号数字电路中常用 MOSFET是一个四端器件 2.2 MOS2.2 MOS的的I/VI/V特性特性 n n 沟道的形成沟道的形成 4 5 n n 阈值电压阈值电压V VTH TH nNMOS管的阈值电压通常定义为界面的电子浓度等于 P型衬底的多子浓度时的栅极电压。 在基础分析中，假定在基础分析中，假定 V V GSGS大于 大于 V V THTH时，器件会突然导通。 时，器件会突然导通。 通常通过沟道注入法来改变阈值电压的大小。 6 nMOS器件的3个工作区 1. 1. 截止区截止区 cutoffcutoff VGSVTH 7 2. 2. 线性区线性区 triode or linear region triode or linear region MOSFET 处于线性区 Derivation Derivation of I/V Characteristicsof I/V Characteristics 8 I/V Characteristics I/V Characteristics (cont.)(cont.) 9 I/V Characteristics (cont.)I/V Characteristics (cont.) 10 11 深三极管区 线性区的MOSFET等效为一个线性电阻（导通电阻Ron） 12 3. 3. 饱和区饱和区 active or saturation regionactive or saturation region 过驱动电压 Vov 有效电压Veff 过饱和电压 Vsat 一个重要的概念（VGS-VTH ） 13 饱和区内，电流近似只与 W/L 和过饱和电压VGS-VTH 有 关，不随源漏电压VDS变化 因此在VGS不变的条件下MOSFET可以等效为恒流源 跨导是小信号(AC)参数，用来表 征MOSFET将电压变化转换为电流 变化的能力。反映了器件的灵敏度 VGS对ID的控制能力。 14 引入重要的概念 跨导跨导 g gm m transconductance 利用这个特点可以实现信号的放大 如果在栅极上加上信号，则 饱和区的MOSFET可以看作是 受VGS控制的电流源 15 16 到此为止，我们已经学习了MOSFET的三种用途： 开关管 恒流源 放大管 分别处在什么工作区？ 17 怎么判断MOSFET处在什么工作区？ 方法二： （源极电压不 方便算出时） 比较栅极Vg和 漏端Vd的电压 高低 方法一： 比较源漏电压 Vds和过饱和电 压Vsat的高低 图中MOS管的作用是什么？应该工作在什么工作区？ 18 思考题 即NMOS开关不能传递最高电位，仅对低电位是比较理想的开关 相对的，PMOS开关不能传递最低电位，仅对高电位是比较理想的开关 19 20 2.3 2.3 二二级级效应效应 n n 体效应体效应 在前面的分析中在前面的分析中，我们未加说明地假定衬底和源我们未加说明地假定衬底和源都都是接是接 地的（地的（for NMOSfor NMOS）。实际上）。实际上当当V V B B VV S S 时，器件仍能正常工时，器件仍能正常工 作，但是作，但是随着随着V VSB SB的 的增加增加，阈值电压阈值电压V VTH TH会随之增加 会随之增加，这种这种 体电位（相对于源）的变化影响阈值电压的效应称为体电位（相对于源）的变化影响阈值电压的效应称为体效体效 应，应，也称为也称为“ “背栅效应背栅效应” ”。 21 其中，为体效应系数，典型值0.3-0.4V1/2 22 沟道层通过Cox耦 合到栅极，通过CD 耦合到体区。 所以体区电压同样可以（通过CD的耦合作用）影响沟道中 载流子的浓度，影响导电性，或者说阈值电压的大小。 23 体效应对电路体效应对电路性能的影响性能的影响 体效应会导致设计参量复杂化， AIC设计通常不希望有体效应 24 n n 沟道长度调制效应沟道长度调制效应 当沟道发生夹断后，如果当沟道发生夹断后，如果V VDSDS继续继续增大，有效沟道长度增大，有效沟道长度 L L 会随之减小，导致漏源电流会随之减小，导致漏源电流 I ID D 的大小略有上升，饱的大小略有上升，饱 和区的电流方程需要做如下修正：和区的电流方程需要做如下修正： L越大，沟调效应越小！ 其中为沟道长度调制系数 沟调效应使饱和区的MOSFET不能再看成理想的电流源， 而具有有限大小的输出电阻ro 25 26 n n 亚阈值导电性（弱反型）亚阈值导电性（弱反型） 在初步分析在初步分析MOSFETMOSFET的时候，我们假设当的时候，我们假设当V VGS GS V V THTH时， 时， 器件会突然关断，即器件会突然关断，即I IDD会立即减小到零；但实际上会立即减小到零；但实际上当当V VGSGS 略小于略小于V VTH TH 时，有一个 时，有一个“ “弱弱” ”的的反型层存在，反型层存在，I ID D大小随大小随 V V GSGS 下降存在一个下降存在一个“ “过程过程” ”，与，与V VGSGS呈呈指数指数关系：关系： n n 栅和沟道之间的栅和沟道之间的氧化层电容氧化层电容C C 1 1 n n 衬底和沟道之间的衬底和沟道之间的耗尽层电容耗尽层电容C C 2 2 n n 多晶硅栅与源和漏交叠而产生的电容多晶硅栅与源和漏交叠而产生的电容C C3 3、 、 C C4 4 ， 每单位宽度每单位宽度交叠电容交叠电容用用C Cov ov表示 表示 n n 源源/ /漏与衬底之间的漏与衬底之间的结电容结电容C C5 5、 C C6 6 2.4 MOS2.4 MOS器件电容器件电容 27 分析高频交流特性时 必须考虑寄生电容的影响 根据物理结构，可以把 MOSFET的寄生电容分为： 28 n n 器件器件关断时关断时，C CGD GD=C =CGS GS=C =Cov ovW W， C C GBGB由氧化层电容和耗尽区电容串连得到 由氧化层电容和耗尽区电容串连得到 n n 深三极管区时深三极管区时，V VD D V V S S ， n n 饱和区时饱和区时， 在三极管区和饱和区，在三极管区和饱和区，C CGB GB通常可以被忽略。 通常可以被忽略。 在电路分析中我们关心器件在电路分析中我们关心器件各个端口的等效电容各个端口的等效电容： 大信号和小信号模型大信号和小信号模型 n n 大信号模型大信号模型 n n 用于描述器件用于描述器件整体整体的电压的电压- -电流关系，通常为电流关系，通常为非线性非线性 n n 小信号模型小信号模型 n n 如果在静态工作点（偏置）上叠加变化的信号（交流信如果在静态工作点（偏置）上叠加变化的信号（交流信 号），其幅度号），其幅度“ “足够小足够小” ”，则可以用，则可以用线性化线性化的模型去近似的模型去近似 描述器件，这种线性化模型就是小信号模型。描述器件，这种线性化模型就是小信号模型。 29 2.5 MOS2.5 MOS小信号模型小信号模型 30 31 小信号参数： 32 MOSMOS管的完整小信号模型管的完整小信号模型 对于手算，模型不是越复杂越好。 能提供合适的精度即可 33 MOS SPICEMOS SPICE模型模型 模型精度决定电路仿真精度 最简单的模型Level 1，0.5m 适于手算 NMOS NMOS VSVS PMOS PMOS n n 在大多数工艺中，在大多数工艺中，NMOSNMOS管性能比管性能比PMOSPMOS管好管好 n迁移率4：1，高电流驱动能力，高跨导 n相同尺寸和偏置电流时，NMOS管rO大，更接近理想 电流源，能提供更高的电压增益 n n 对对Nwell Nwell 工艺，用工艺，用PMOSPMOS管可消除体效应管可消除体效应 n独占一个阱，可以有不同的体电位 34 NMOSNMOS管与管与PMOSPMOS管工艺参数的比较管工艺参数的比较 35 长沟道器件和短沟道器件长沟道器件和短沟道器件 前面的分析是针对长沟道器件（前面的分析是针对长沟道器件（4 4 mm以上）而言以上）而言 对短沟道器件而言，关系式必须修正对短沟道器件而言，关系式必须修正 用简单模型手算，建立直觉；用复杂模型仿真，用简单模型手算，建立直觉；用复杂模型仿真， 得到精确结果。得到精确结果。 36 MOSMOS管用作电容器时管用作电容器时 37 并联 串联 38 思考： 注意不要混淆管子的宽W和长