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1、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,2.2 MOS的I/V特性,沟道的形成,4,5,阈值电压VTH NMOS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,
2、VGSVTH,7,2. 线性区 triode or linear region,MOSFET 处于线性区,Derivation of I/V Characteristics,8,I/V Characteristics (cont.),9,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. 饱和区 active 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V
3、GS-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
4、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（for NMOS）。实际上当VBVS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0.3-0.4V
5、1/2,22,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MO
6、SFET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、C6,2.4 MOS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
7、，VDVS， 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。,29,2.5 MOS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,MOS SPICE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,NM
8、OS VS PMOS,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（4m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式,复习题：,2. 右图中MOSFET的过饱和电压是多少？管子处于什么工作区？,41,3. 如图所示，Vin随时间线性增加。在不考虑沟调效应，需考虑体效应的前提下，画出Vout随时间的曲线。,4. 下图是MOS管的电压电流曲线，图中L1和L2的大小关系是？,