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1、CMOS模擬集成電路分析與設(shè)計模擬集成電路分析與設(shè)計1/87教材及參考書教材及參考書o教材：n吳建輝編著：“CMOS模擬集成電路分析與設(shè)計模擬集成電路分析與設(shè)計”(第二版第二版)，電子工業(yè)出版社。o參考書：nRazavi B:Design of analog CMOS integrated circuitsnAllen P E:CMOS Analog Circuit DesignnR.Jacob Baker:CMOS Mixed-Signal Circuit Design2/87引言引言o模擬電路與模擬集成電路模擬電路與模擬集成電路oWhy CMOS？o先進工藝下模擬集成電路挑戰(zhàn)？先進工藝下模

2、擬集成電路挑戰(zhàn)？3/87半導(dǎo)體材料(襯底)有源器件特征4/87第一講第一講基本基本MOS器件物理器件物理5/87本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容n本章是本章是CMOS模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)，主要內(nèi)容為：模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)，主要內(nèi)容為：1、有源器件：、有源器件：n主要從主要從MOS晶體管基本結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析其閾值電壓及基本特征晶體管基本結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析其閾值電壓及基本特征（輸入輸出特征、轉(zhuǎn)移特征等）；（輸入輸出特征、轉(zhuǎn)移特征等）；n介紹介紹MOS管寄生電容；管寄生電容；n講解講解MOS管主要二次效應(yīng)，進而得出其低頻小信號等效模型和管主要二次效應(yīng)，進而得出其低頻小信號等效模型和高頻小信號等效模型；高頻小信號等

3、效模型；n介紹有源電阻結(jié)構(gòu)與特點。介紹有源電阻結(jié)構(gòu)與特點。2、無源器件：、無源器件：n模擬集成電路中慣用電阻、電容結(jié)構(gòu)及其特點。模擬集成電路中慣用電阻、電容結(jié)構(gòu)及其特點。3、等百分比縮小理論、等百分比縮小理論4、短溝道效應(yīng)及狹溝道效應(yīng)、短溝道效應(yīng)及狹溝道效應(yīng)5、MOS器件模型器件模型6/871、有源器件、有源器件主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：o幾何結(jié)構(gòu)幾何結(jié)構(gòu)o工作原理工作原理oMOS管寄生電容管寄生電容o電學(xué)特征電學(xué)特征oMOS管主要二次效應(yīng)管主要二次效應(yīng)o低頻小信號等效模型低頻小信號等效模型o高頻小信號等效模型高頻小信號等效模型o有源電阻有源電阻7/87有源器件有源器件MOS管管o結(jié)構(gòu)與幾何參數(shù)（結(jié)

4、構(gòu)與幾何參數(shù)（1）8/87o結(jié)構(gòu)與幾何參數(shù)（結(jié)構(gòu)與幾何參數(shù)（2）：）：n在柵氧下襯底區(qū)域為器件有效工作區(qū)（即在柵氧下襯底區(qū)域為器件有效工作區(qū)（即MOS管溝道）。管溝道）。nMOS管兩個有源區(qū)（管兩個有源區(qū)（源區(qū)與漏區(qū)）源區(qū)與漏區(qū)）在制作時是在制作時是幾何對稱：幾何對稱：o普通依據(jù)電荷輸入與輸出來定義源區(qū)與漏區(qū)：普通依據(jù)電荷輸入與輸出來定義源區(qū)與漏區(qū)：n源端源端被定義為被定義為輸出輸出電荷（若為電荷（若為NMOS器件則為電子）端口；器件則為電子）端口；n而而漏端漏端則為則為搜集搜集電荷端口。電荷端口。o當(dāng)該器件三端電壓發(fā)生改變時，當(dāng)該器件三端電壓發(fā)生改變時，源區(qū)與漏區(qū)就可能改變作用而源區(qū)與漏區(qū)就

5、可能改變作用而相互交換定義相互交換定義。n在模擬在模擬IC中還要考慮中還要考慮襯底（襯底（B）影響，襯底電位普通是經(jīng)過一歐姆影響，襯底電位普通是經(jīng)過一歐姆p區(qū)（區(qū)（NMOS襯底）以及襯底）以及n區(qū)區(qū)(PMOS襯底襯底)實現(xiàn)連接，所以在模實現(xiàn)連接，所以在模擬集成電路中對于擬集成電路中對于MOS晶體管而言，是一四端口器件。晶體管而言，是一四端口器件。有源器件有源器件MOS管管9/87o結(jié)構(gòu)與幾何參數(shù)（結(jié)構(gòu)與幾何參數(shù)（3）：）：n注意：在數(shù)字集成電路設(shè)計，因為源注意：在數(shù)字集成電路設(shè)計，因為源/漏區(qū)結(jié)二極管必須為反偏，漏區(qū)結(jié)二極管必須為反偏，NMOS晶體管襯底必須連接到系統(tǒng)最低電位，而晶體管襯底必須

6、連接到系統(tǒng)最低電位，而PMOS晶體管襯底晶體管襯底（即為（即為n阱）必須連接到系統(tǒng)最高電位，即在數(shù)字集成電路中阱）必須連接到系統(tǒng)最高電位，即在數(shù)字集成電路中MOS晶體管可看成晶體管可看成三端口器件三端口器件。n對于單阱工藝而言，如對于單阱工藝而言，如n阱工藝，全部阱工藝，全部NMOS管含有相同襯底電位，管含有相同襯底電位，而對于而對于PMOS管而言能夠有一個獨立管而言能夠有一個獨立n阱，則能夠接不一樣阱電位，阱，則能夠接不一樣阱電位，即其襯底電位能夠不一樣。即其襯底電位能夠不一樣。n現(xiàn)在很多現(xiàn)在很多CMOS工藝線采取了雙阱工藝，即把工藝線采取了雙阱工藝，即把NMOS管與管與PMOS管都制作在各

7、自阱內(nèi)：管都制作在各自阱內(nèi)：NMOS管在管在p阱內(nèi)，阱內(nèi)，PMOS管在管在n阱內(nèi)；所阱內(nèi)；所以，對于每一個以，對于每一個NMOS管與管與PMOS管都能夠有各自襯底電位。管都能夠有各自襯底電位。有源器件有源器件MOS管管10/87o結(jié)構(gòu)與幾何參數(shù)（結(jié)構(gòu)與幾何參數(shù)（4）：）：n溝道長度溝道長度L：o因為因為CMOS工藝自對準特點，其溝道長度定義為漏源之間柵工藝自對準特點，其溝道長度定義為漏源之間柵尺寸，普通其最小尺寸即為制造工藝中所給特征尺寸；尺寸，普通其最小尺寸即為制造工藝中所給特征尺寸；o因為在制造漏因為在制造漏/源結(jié)時會發(fā)生邊緣擴散，所以源漏之間實際源結(jié)時會發(fā)生邊緣擴散，所以源漏之間實際距離

8、（稱之為有效長度距離（稱之為有效長度L）略小于長度）略小于長度L，則有，則有L L2d，其中，其中L是漏源之間總長度，是漏源之間總長度，d是邊緣擴散長度。是邊緣擴散長度。n溝道寬度溝道寬度W：垂直于溝道長度方向柵尺寸。垂直于溝道長度方向柵尺寸。n柵氧厚度柵氧厚度tox：則為柵極與襯底之間二氧化硅厚度。則為柵極與襯底之間二氧化硅厚度。有源器件有源器件MOS管管11/87oMOS管工作原理及表示符號（管工作原理及表示符號（1）：）：nMOS管可分為管可分為增強型與耗盡型增強型與耗盡型兩類：兩類：o增強型是指在柵源電壓增強型是指在柵源電壓VGS為為0時沒有導(dǎo)電溝道，而時沒有導(dǎo)電溝道，而必須依靠柵源電

9、壓作用，才能形成感生溝道必須依靠柵源電壓作用，才能形成感生溝道MOS晶晶體管；體管；o耗盡型是指即使在柵源電壓耗盡型是指即使在柵源電壓VGS為為0時時MOS晶體管晶體管也存在導(dǎo)電溝道。也存在導(dǎo)電溝道。n這兩類這兩類MOS管基本工作原理一致，都是利用柵管基本工作原理一致，都是利用柵源電壓大小來改變半導(dǎo)體表面感生電荷多少，源電壓大小來改變半導(dǎo)體表面感生電荷多少，從而控制漏極電流大小從而控制漏極電流大小。有源器件有源器件MOS管管12/87oMOS管管工作原理工作原理及表示符號（及表示符號（2）：）：n當(dāng)柵源電壓當(dāng)柵源電壓VGS=0時，源區(qū)（時，源區(qū)（n型）、襯底（型）、襯底（p型）和漏區(qū)（型）和漏

10、區(qū)（n型）型）形成兩個背靠背形成兩個背靠背PN結(jié)，不論結(jié)，不論VDS極性怎樣，其中總有一個極性怎樣，其中總有一個PN結(jié)是反結(jié)是反偏，所以源漏之間電阻主要為偏，所以源漏之間電阻主要為PN結(jié)反偏電阻，基本上無電流流過，結(jié)反偏電阻，基本上無電流流過，即漏電流即漏電流ID為為0，此時漏源之間電阻很大，沒有形成導(dǎo)電溝道。，此時漏源之間電阻很大，沒有形成導(dǎo)電溝道。n當(dāng)柵源之間加上正向電壓，則柵極和當(dāng)柵源之間加上正向電壓，則柵極和p型硅片之間組成了以二氧化硅型硅片之間組成了以二氧化硅為介質(zhì)平板電容器，在正柵源電壓作用下，介質(zhì)中便產(chǎn)生了一個垂直為介質(zhì)平板電容器，在正柵源電壓作用下，介質(zhì)中便產(chǎn)生了一個垂直于半導(dǎo)

11、體表面由柵極指向于半導(dǎo)體表面由柵極指向p型襯底電場（因為絕緣層很薄，即使只有型襯底電場（因為絕緣層很薄，即使只有幾伏柵源電壓幾伏柵源電壓VGS，也可產(chǎn)生高達，也可產(chǎn)生高達105106V/cm數(shù)量級強電場），數(shù)量級強電場），這個電場排斥空穴而吸引電子，所以，使柵極附近這個電場排斥空穴而吸引電子，所以，使柵極附近p型襯底中空穴被型襯底中空穴被排斥，留下不能移動受主離子（負離子），形成耗盡層，同時排斥，留下不能移動受主離子（負離子），形成耗盡層，同時p型襯型襯底中少子（電子）被吸引到襯底表面。底中少子（電子）被吸引到襯底表面。有源器件有源器件MOS管管13/87oMOS管管工作原理工作原理及表示符號

12、（及表示符號（3）：）：n當(dāng)正柵源電壓到達一定數(shù)值時，這些電子在柵極附近當(dāng)正柵源電壓到達一定數(shù)值時，這些電子在柵極附近p型硅表面便型硅表面便形成了一個形成了一個n型薄層，通常把這個在型薄層，通常把這個在p型硅表面形成型硅表面形成n型薄層稱為反型薄層稱為反型層，這個反型層實際上就組成了源極和漏極間型層，這個反型層實際上就組成了源極和漏極間n型導(dǎo)電溝道。因型導(dǎo)電溝道。因為它是柵源正電壓感應(yīng)產(chǎn)生，所以也稱感生溝道。顯然，柵源電壓為它是柵源正電壓感應(yīng)產(chǎn)生，所以也稱感生溝道。顯然，柵源電壓VGS正得愈多，則作用于半導(dǎo)體表面電場就愈強，吸引到正得愈多，則作用于半導(dǎo)體表面電場就愈強，吸引到p型硅表面型硅表面

13、電子就愈多，感生溝道（反型層）將愈厚，溝道電阻將愈小。電子就愈多，感生溝道（反型層）將愈厚，溝道電阻將愈小。n感生溝道形成后，原來被感生溝道形成后，原來被p型襯底隔開兩個型襯底隔開兩個n型區(qū)（源區(qū)和漏區(qū)）型區(qū)（源區(qū)和漏區(qū)）就經(jīng)過感生溝道連在一起了。所以，在正漏極電壓作用下，將產(chǎn)生就經(jīng)過感生溝道連在一起了。所以，在正漏極電壓作用下，將產(chǎn)生漏極電流漏極電流ID。普通把在漏源電壓作用下開始導(dǎo)電時柵源電壓叫做開。普通把在漏源電壓作用下開始導(dǎo)電時柵源電壓叫做開啟電壓啟電壓Vth。n注意：注意：與雙極型晶體管相比，一個與雙極型晶體管相比，一個MOS器件即使在無電流流過時也器件即使在無電流流過時也可能是開通

14、可能是開通。有源器件有源器件MOS管管14/87oMOS管管工作原理工作原理及表示符號（及表示符號（4）：）：n當(dāng)當(dāng)VGSVth時，外加較小時，外加較小VDS，ID將隨將隨VDS上升快速增大，此時為上升快速增大，此時為線性區(qū)，但因為溝道存在電位梯度，所以溝道厚度是不均勻。線性區(qū)，但因為溝道存在電位梯度，所以溝道厚度是不均勻。n當(dāng)當(dāng)VDS增大到一定數(shù)值（比如增大到一定數(shù)值（比如VGD=VGS，VDS=Vth），靠近漏端被），靠近漏端被夾斷，夾斷，VDS繼續(xù)增加，將形成一夾斷區(qū)，且夾斷點向源極靠近，溝繼續(xù)增加，將形成一夾斷區(qū)，且夾斷點向源極靠近，溝道被夾斷后，道被夾斷后，VDS上升時，其增加電壓基

15、本上加在溝道厚度為零耗上升時，其增加電壓基本上加在溝道厚度為零耗盡區(qū)上，而溝道兩端電壓保持不變，所以盡區(qū)上，而溝道兩端電壓保持不變，所以ID趨于飽和而不再增加。趨于飽和而不再增加。另外，當(dāng)另外，當(dāng)VGS增加時，因為溝道電阻減小，飽和漏極電流會對應(yīng)增增加時，因為溝道電阻減小，飽和漏極電流會對應(yīng)增大。大。在模擬電路集成電路中飽和區(qū)是在模擬電路集成電路中飽和區(qū)是MOS管主要工作區(qū)管主要工作區(qū)。n若若VDS大于擊穿電壓大于擊穿電壓BVDS（二極管反向擊穿電壓），漏極與襯底之（二極管反向擊穿電壓），漏極與襯底之間間PN結(jié)發(fā)生反向擊穿，結(jié)發(fā)生反向擊穿，ID將急劇增加，進入雪崩區(qū)，此時漏極電將急劇增加，進入

16、雪崩區(qū)，此時漏極電流不經(jīng)過溝道，而直接由漏極流入襯底。流不經(jīng)過溝道，而直接由漏極流入襯底。有源器件有源器件MOS管管15/87MOS管工作原理及管工作原理及表示符號表示符號（5）有源器件有源器件MOS管管16/87MOS管高頻小信號電容管高頻小信號電容oMOS管電容（管電容（1）17/87oMOS管電容（管電容（2）：）：n柵與溝道之間柵與溝道之間柵氧電容柵氧電容oC2=WLCox，其中，其中Cox為單位面積柵氧電容為單位面積柵氧電容ox/tox；n溝道溝道耗盡層電容耗盡層電容：on交疊電容交疊電容（多晶柵覆蓋源漏區(qū)所形成電容，每單位寬度交疊（多晶柵覆蓋源漏區(qū)所形成電容，每單位寬度交疊電容記為

17、電容記為Col）：）：o包含柵源交疊電容包含柵源交疊電容C1WdCol與柵漏交疊電容與柵漏交疊電容C4=WdCol：因為是環(huán)狀電場線，：因為是環(huán)狀電場線，C1與與C4不能簡單地寫成不能簡單地寫成WdCox，需經(jīng)過更復(fù)雜計算才能得到，且它值與襯底偏置相關(guān)。需經(jīng)過更復(fù)雜計算才能得到，且它值與襯底偏置相關(guān)。MOS管高頻小信號電容管高頻小信號電容18/87oMOS管電容（管電容（3）：）：n源漏區(qū)與襯底間源漏區(qū)與襯底間結(jié)電容：結(jié)電容：Cbd、Cbso即為漏源對襯底即為漏源對襯底PN結(jié)勢壘電容，這種電容普通由兩部分組成：一個是結(jié)勢壘電容，這種電容普通由兩部分組成：一個是垂直方向（即源漏區(qū)底部與襯底間）底

18、層電容垂直方向（即源漏區(qū)底部與襯底間）底層電容Cj，另一個是橫向即源漏，另一個是橫向即源漏四面與襯底間組成圓周電容四面與襯底間組成圓周電容Cjs，因為不一樣三極管幾何尺寸會產(chǎn)生不，因為不一樣三極管幾何尺寸會產(chǎn)生不一樣源漏區(qū)面積和圓周尺寸值，普通分別定義一樣源漏區(qū)面積和圓周尺寸值，普通分別定義Cj與與Cjs為單位面積電容為單位面積電容與單位長度電容。而每一個單位面積與單位長度電容。而每一個單位面積PN結(jié)勢壘電容為：結(jié)勢壘電容為：Cj0：PN結(jié)在零偏時單位底面積結(jié)電容（與襯底濃度相關(guān)）結(jié)在零偏時單位底面積結(jié)電容（與襯底濃度相關(guān)）VR：經(jīng)過經(jīng)過PN結(jié)反偏電壓結(jié)反偏電壓B：漏源區(qū)與襯底間：漏源區(qū)與襯底

19、間PN結(jié)接觸勢壘差（普通取結(jié)接觸勢壘差（普通取0.8V）m：底面電容梯度因子，普通取介于：底面電容梯度因子，普通取介于0.3與與0.4間系數(shù)。間系數(shù)。MOS管高頻小信號電容管高頻小信號電容19/87oMOS管電容（管電容（4）：）：n源漏源漏總結(jié)電容總結(jié)電容可表示為：可表示為：H：源、漏區(qū)長度：源、漏區(qū)長度W：源、漏區(qū)寬度。：源、漏區(qū)寬度。n所以在總寬長比相同情況下，采取并聯(lián)結(jié)構(gòu)，即所以在總寬長比相同情況下，采取并聯(lián)結(jié)構(gòu)，即H不變，而每一管寬為原來幾分之一，則由上式能夠不變，而每一管寬為原來幾分之一，則由上式能夠發(fā)覺并聯(lián)結(jié)構(gòu)發(fā)覺并聯(lián)結(jié)構(gòu)MOS管結(jié)電容比原結(jié)構(gòu)小管結(jié)電容比原結(jié)構(gòu)小。MOS管高頻小

20、信號電容管高頻小信號電容20/87MOS管電容隨柵源電壓改變管電容隨柵源電壓改變 21/87MOS管電容隨柵源電壓改變管電容隨柵源電壓改變截止區(qū)截止區(qū)o漏源之間不存在溝道，則有：漏源之間不存在溝道，則有：n柵源、柵漏之間電容為：柵源、柵漏之間電容為：CGD=CGS=ColW；n柵與襯底間電容為柵氧電容與耗盡區(qū)電容之間串聯(lián)：柵與襯底間電容為柵氧電容與耗盡區(qū)電容之間串聯(lián)：CGB=(WLCox)Cd/(WLCox+Cd)，L為溝道有效長度為溝道有效長度在截止時，耗盡區(qū)電容較大，故可忽略，所以在截止時，耗盡區(qū)電容較大，故可忽略，所以CGB=WLCox。nCSB與與CDB值相對于襯底是源漏間電壓函數(shù)值相

21、對于襯底是源漏間電壓函數(shù) 22/87MOS管電容隨柵源電壓改變管電容隨柵源電壓改變飽和區(qū)飽和區(qū) o柵漏電容大約為：柵漏電容大約為：WCol。o漏端夾斷，溝道長度縮短，從溝道電荷分布相當(dāng)于漏端夾斷，溝道長度縮短，從溝道電荷分布相當(dāng)于CGS增大，增大，CGD減小，柵與溝道間電位差從源區(qū)減小，柵與溝道間電位差從源區(qū)VGS下下降到夾斷點降到夾斷點VGS-Vth，造成了在柵氧下溝道內(nèi)垂直電，造成了在柵氧下溝道內(nèi)垂直電場不一致。能夠證實這種結(jié)構(gòu)柵源過覆蓋電容等效電場不一致。能夠證實這種結(jié)構(gòu)柵源過覆蓋電容等效電容為：容為：2 WLCox/3o所以有：所以有：CGS=2WLCox/3+WCol 23/87MO

22、S管電容隨柵源電壓改變管電容隨柵源電壓改變線性區(qū)線性區(qū)o漏源之間產(chǎn)生反型層而且溝道與襯底之間形成較厚耗漏源之間產(chǎn)生反型層而且溝道與襯底之間形成較厚耗盡層，產(chǎn)生較小耗盡層電容，此時柵極電容為：盡層，產(chǎn)生較小耗盡層電容，此時柵極電容為：CGD=CGS=WLCox/2+WCol o因為因為S和和D含有幾乎相等電壓，且柵電壓改變含有幾乎相等電壓，且柵電壓改變V就會就會使相同電荷從源區(qū)流向漏區(qū)，則其柵與溝道間電容使相同電荷從源區(qū)流向漏區(qū)，則其柵與溝道間電容WLCox等于柵源及柵漏間電容。等于柵源及柵漏間電容。24/87MOS管電容隨柵源電壓改變管電容隨柵源電壓改變總結(jié)總結(jié)o注意：注意：o在不一樣區(qū)域之間

23、轉(zhuǎn)變不能由方程直接提供，只是依據(jù)趨勢延伸而得在不一樣區(qū)域之間轉(zhuǎn)變不能由方程直接提供，只是依據(jù)趨勢延伸而得。o當(dāng)工作在三極管區(qū)與飽和區(qū)時，柵與襯底間電容常被忽略，這是因為反型層在當(dāng)工作在三極管區(qū)與飽和區(qū)時，柵與襯底間電容常被忽略，這是因為反型層在柵與襯底間起著屏蔽作用，也就是說假如柵壓發(fā)生了改變，電荷提供主要經(jīng)由源柵與襯底間起著屏蔽作用，也就是說假如柵壓發(fā)生了改變，電荷提供主要經(jīng)由源與漏而不是襯底與漏而不是襯底。25/87MOS管電特征管電特征主要指：主要指：o閾值電壓閾值電壓oI/V特征特征o輸入輸出轉(zhuǎn)移特征輸入輸出轉(zhuǎn)移特征o跨導(dǎo)等電特征跨導(dǎo)等電特征 26/87MOS管電特征管電特征 閾值電壓

24、（閾值電壓（NMOS）o在漏源電壓作用下剛開始有電流產(chǎn)生時在漏源電壓作用下剛開始有電流產(chǎn)生時VG為閾值電壓為閾值電壓Vth：MS：指多晶硅柵與硅襯底間接觸電勢差：指多晶硅柵與硅襯底間接觸電勢差稱為費米勢，其中稱為費米勢，其中q是電子電荷是電子電荷Nsub：襯底摻雜濃度：襯底摻雜濃度Qb：耗盡區(qū)電荷密度，其值為，其中：耗盡區(qū)電荷密度，其值為，其中是硅介電常數(shù)是硅介電常數(shù)Cox：單位面積柵氧電容，：單位面積柵氧電容，Qss：氧化層中單位面積正電荷：氧化層中單位面積正電荷VFB：平帶電壓，：平帶電壓，VFB 27/87MOS管電特征管電特征 閾值電壓閾值電壓o同理同理PMOS管閾值電壓可表示為：管閾

25、值電壓可表示為：o注意：注意：n器件閾值電壓主要經(jīng)過改變器件閾值電壓主要經(jīng)過改變襯底摻雜濃度襯底摻雜濃度、襯底表面濃度襯底表面濃度或或改變氧化改變氧化層中電荷密度層中電荷密度來調(diào)整，對于增強型來調(diào)整，對于增強型MOS管，適當(dāng)增加襯底濃度，減管，適當(dāng)增加襯底濃度，減小氧化層中正電荷即可使其閾值大于小氧化層中正電荷即可使其閾值大于0；而氧化層中正電荷較大或襯；而氧化層中正電荷較大或襯底濃度太小都可形成耗盡型底濃度太小都可形成耗盡型NMOS。n實際上，用以上方程求出實際上，用以上方程求出“內(nèi)在內(nèi)在”閾值在電路設(shè)計過程中可能不適用，閾值在電路設(shè)計過程中可能不適用，在實際設(shè)計過程中，常經(jīng)過改變多晶與硅之

26、間接觸電勢即：在實際設(shè)計過程中，常經(jīng)過改變多晶與硅之間接觸電勢即：在溝道中在溝道中注入雜質(zhì)注入雜質(zhì)，或經(jīng)過，或經(jīng)過對多晶硅摻雜金屬對多晶硅摻雜金屬方法來調(diào)整閾值電壓。比如：若方法來調(diào)整閾值電壓。比如：若在在p型襯底中摻雜三價離子形成一層薄型襯底中摻雜三價離子形成一層薄p區(qū)，為了實現(xiàn)耗盡，其柵電區(qū)，為了實現(xiàn)耗盡，其柵電壓必須提升，從而提升了閾值電壓。壓必須提升，從而提升了閾值電壓。28/87MOS管電特征管電特征輸出特征（輸出特征（I/V特征）特征）oMOS晶體管輸出電流電壓特征經(jīng)典描述是薩氏方程。晶體管輸出電流電壓特征經(jīng)典描述是薩氏方程。o忽略二次效應(yīng)忽略二次效應(yīng)，對于，對于NMOS管導(dǎo)通時薩

27、氏方程為：管導(dǎo)通時薩氏方程為：VGSVth：MOS管管“過驅(qū)動電壓過驅(qū)動電壓”L：指溝道有效長度：指溝道有效長度W/L稱為寬長比稱為寬長比，稱為，稱為NMOS管導(dǎo)電因子管導(dǎo)電因子oID值取決于工藝參數(shù)：值取決于工藝參數(shù)：nCox、器件尺寸、器件尺寸W和和L、VDS及及VGS。29/87MOS管電特征管電特征輸出特征（輸出特征（I/V特征）特征）o截止區(qū)：截止區(qū)：VGSVth，ID0；o線性區(qū)：線性區(qū)：VDSVGSVth，漏極電流即為薩氏方程。漏極電流即為薩氏方程。o深三極管區(qū)：深三極管區(qū)：VDS1是一非理想因子；是一非理想因子；ID0為特征電流：為特征電流：，m為工藝因子，所以為工藝因子，所以

28、ID0與工藝相關(guān)；與工藝相關(guān)；而而VT稱為熱電壓：稱為熱電壓：。59/87亞閾值效應(yīng)亞閾值效應(yīng)亞閾值工作特點：亞閾值工作特點：o在亞閾值區(qū)漏極電流與柵源電壓之間呈指數(shù)關(guān)系，這與在亞閾值區(qū)漏極電流與柵源電壓之間呈指數(shù)關(guān)系，這與雙極型晶體管相同。雙極型晶體管相同。o亞閾值區(qū)跨導(dǎo)為：亞閾值區(qū)跨導(dǎo)為：因為因為1，所以，所以gmID/VT，即，即MOS管最大跨導(dǎo)管最大跨導(dǎo)比雙極型晶體管（比雙極型晶體管（IC/VT）小。且依據(jù)跨導(dǎo)定義，）小。且依據(jù)跨導(dǎo)定義，ID不不變而增大器件寬變而增大器件寬W能夠提升跨導(dǎo)，但能夠提升跨導(dǎo)，但ID保持不變條件是保持不變條件是必須降低必須降低MOS管過驅(qū)動電壓。管過驅(qū)動電壓

29、。60/87亞閾值效應(yīng)亞閾值效應(yīng)o所以在亞閾值區(qū)域，所以在亞閾值區(qū)域，大器件寬度（存在大寄大器件寬度（存在大寄生電容）或小漏極電流生電容）或小漏極電流MOS管含有較高增管含有較高增益。益。o為了得到亞閾值區(qū)為了得到亞閾值區(qū)MOS管大跨導(dǎo)，其工作管大跨導(dǎo)，其工作速度受限（大器件尺寸引入了大寄生電容）。速度受限（大器件尺寸引入了大寄生電容）。61/87溫度效應(yīng)溫度效應(yīng) o溫度效應(yīng)對溫度效應(yīng)對MOS管性能影響主要表示在閾值管性能影響主要表示在閾值電壓電壓Vth與載流子遷移率隨溫度改變。與載流子遷移率隨溫度改變。o閾值電壓閾值電壓Vth隨溫度改變：以隨溫度改變：以NMOS管為例，管為例，閾值電壓表示式

30、兩邊對溫度閾值電壓表示式兩邊對溫度T求導(dǎo)能夠得到求導(dǎo)能夠得到62/87溫度效應(yīng)溫度效應(yīng)o上式一直為負值，即上式一直為負值，即閾值電壓隨溫度上升而閾值電壓隨溫度上升而下降下降。o對于對于PMOS管則管則dVth/dT總為正值，即總為正值，即閾閾值電壓隨溫度上升而增大值電壓隨溫度上升而增大。63/87溫度效應(yīng)溫度效應(yīng)載流子遷移率隨溫度改變載流子遷移率隨溫度改變 o試驗表明，對于試驗表明，對于MOS管，假如其表面電場小管，假如其表面電場小于于105V/cm，則溝道中電子與空穴有效遷，則溝道中電子與空穴有效遷移率近似為常數(shù)，并約為半導(dǎo)體體內(nèi)遷移率移率近似為常數(shù)，并約為半導(dǎo)體體內(nèi)遷移率二分之一。二分之一

31、。o試驗還發(fā)覺，在器件工作正常溫度范圍內(nèi)，試驗還發(fā)覺，在器件工作正常溫度范圍內(nèi)，遷移率與溫度近似成反比關(guān)系遷移率與溫度近似成反比關(guān)系。64/87溫度效應(yīng)溫度效應(yīng)o漏源電流漏源電流IDS隨溫度改變隨溫度改變 o依據(jù)以上分析，溫度改變會引發(fā)閾值電壓與遷依據(jù)以上分析，溫度改變會引發(fā)閾值電壓與遷移率改變，進而影響其漏源電流。由薩氏公式移率改變，進而影響其漏源電流。由薩氏公式兩邊對兩邊對T求導(dǎo)得：求導(dǎo)得：65/87溫度效應(yīng)溫度效應(yīng)o則有：則有：o因為溫度改變對閾值電壓與遷移率影響恰好是反向，因為溫度改變對閾值電壓與遷移率影響恰好是反向，漏源電流漏源電流IDS隨溫度改變?nèi)Q于這兩項綜合，所以，隨溫度改變?nèi)?/p>

32、決于這兩項綜合，所以，MOS管電性能溫度穩(wěn)定性比雙極型晶體管好管電性能溫度穩(wěn)定性比雙極型晶體管好。66/87MOS管小信號模型管小信號模型67/87MOS管交流小信號模型管交流小信號模型-低頻低頻o小信號是指對偏置影響非常小信號。小信號是指對偏置影響非常小信號。o因為在很多模擬電路中，因為在很多模擬電路中，MOS管被偏置在飽和區(qū)，管被偏置在飽和區(qū)，所以主要推導(dǎo)出在飽和區(qū)小信號模型。所以主要推導(dǎo)出在飽和區(qū)小信號模型。o在飽和區(qū)時在飽和區(qū)時MOS管漏極電流是柵源電壓函數(shù)，即管漏極電流是柵源電壓函數(shù)，即為一個壓控電流源，電流值為為一個壓控電流源，電流值為gmVGS，且因為柵，且因為柵源之間低頻阻抗很

33、高，所以可得到一個理想源之間低頻阻抗很高，所以可得到一個理想MOS管小信號模型，如圖所表示。管小信號模型，如圖所表示。68/87MOS管交流小信號模型管交流小信號模型-低頻低頻(a)(b)69/87MOS管交流小信號模型管交流小信號模型-低頻低頻o其中（其中（a）為理想小信號模型。）為理想小信號模型。o實際模擬集成電路中實際模擬集成電路中MOS管存在著二階效應(yīng)，而因管存在著二階效應(yīng)，而因為溝道調(diào)制效應(yīng)等效于漏源之間電阻為溝道調(diào)制效應(yīng)等效于漏源之間電阻ro；而襯底偏；而襯底偏置效應(yīng)則表達為背柵效應(yīng)，即可用漏源之間等效壓置效應(yīng)則表達為背柵效應(yīng)，即可用漏源之間等效壓控電流源控電流源gmbVBS表示，所以表示，所以MOS管在飽和時小信管在飽和時小信號等效模型如圖號等效模型如圖(b)所表示。所表示。o上圖所表示等效電路是最基本，依據(jù)上圖所表示等效電路是最基本，依據(jù)MOS管在電路管在電路中不一樣接法能