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模拟CMOS集成电路设计 第2章MOS器件物理基础 2 1基本概念 2 漏 D drain 栅 G gate 源 S source 衬底 B bulk MOSFET 一个低功耗 高效率的开关 MOS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 2MOS的I V特性 沟道的形成 4 5 阈值电压VTHNMOS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VGS大于VTH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 MOS器件的3个工作区 1 截止区cutoff VGS VTH 7 2 线性区triodeorlinearregion MOSFET处于线性区 DerivationofI VCharacteristics 8 I VCharacteristics cont 9 I VCharacteristics 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 饱和区activeorsaturationregion 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gm 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 3二级效应 体效应在前面的分析中 我们未加说明地假定衬底和源都是接地的 forNMOS 实际上当VB VS时 器件仍能正常工作 但是随着VSB的增加 阈值电压VTH会随之增加 这种体电位 相对于源 的变化影响阈值电压的效应称为体效应 也称为 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 沟道长度调制效应当沟道发生夹断后 如果VDS继续增大 有效沟道长度L 会随之减小 导致漏源电流ID的大小略有上升 饱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 亚阈值导电性 弱反型 在初步分析MOSFET的时候 我们假设当VGS VTH时 器件会突然关断 即ID会立即减小到零 但实际上当VGS略小于VTH时 有一个 弱 的反型层存在 ID大小随VGS下降存在一个 过程 与VGS呈指数关系 栅和沟道之间的氧化层电容C1衬底和沟道之间的耗尽层电容C2多晶硅栅与源和漏交叠而产生的电容C3 C4 每单位宽度交叠电容用Cov表示源 漏与衬底之间的结电容C5 C6 2 4MOS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 器件关断时 CGD CGS CovW CGB由氧化层电容和耗尽区电容串连得到深三极管区时 VD VS 饱和区时 在三极管区和饱和区 CGB通常可以被忽略 在电路分析中我们关心器件各个端口的等效电容 大信号和小信号模型 大信号模型用于描述器件整体的电压 电流关系 通常为非线性小信号模型如果在静态工作点 偏置 上叠加变化的信号 交流信号 其幅度 足够小 则可以用线性化的模型去近似描述器件 这种线性化模型就是小信号模型 29 2 5MOS小信号模型 30 31 小信号参数 32 MOS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 MOSSPICE模型 模型精度决定电路仿真精度最简单的模型 Level1 0 5 m适于手算 NMOSVSPMOS 在大多数工艺中 NMOS管性能比PMOS管好迁移率4 1 高电流驱动能力 高跨导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对Nwell工艺 用PMOS管可消除体效应独占一个阱 可以有不同的体电位 34 NMOS管与PMOS管工艺参数的比较 35 长沟道器件和短沟道器件 前面的分析是针对长沟道器件 4 m以上 而言对短沟道器件而言 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 得到精确结果 36 MOS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L 以及串并联关系 39 倒比管 40 解释什么是小信号跨导 给出饱和区MOSFET小信号跨导的三种表达形