专用集成电路设计-2010(3).ppt

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1、专用集成电路设计授课教师：张立文电子信息工程学院河南科技大学2009-10-14第三章MOS集成电路器件基础3.2MOS管的电流电压特性3.3MOS电容3.4MOS管的Spice模型参数3.5MOS管小信号等效电路7/25/202123.1.1NMOS管的简化结构如图3-1所示该器件制作在P型衬底上，两个重掺杂N区形成源区和漏区，重掺杂多晶硅区作为栅极，一层薄SiO2绝缘层作为栅极与衬底的隔离。在栅氧下的衬底表面是导电沟道。图3-1NMOS管的简化结构复习一下上节内容：7/25/202133.1.3MOS管常用符

2、号图3-4MOS管常用符号7/25/20214图3-5给出增强型NMOS管和PMOS管工作在恒流区的转移特性，其中UTHN(UTHP)为开启电压，即阈值电压。PMOS的导通现象类似于NMOS，但其所有的极性都是相反的。栅源电压足够“负”，在氧化层和N衬底表面就会形成一个由空穴组成的反型层。图3-5MOS管的转移特性3.2.1MOS管的转移特性7/25/202153.2.2MOS管的输出特性增强型NMOS输出特性如下图3-6。栅压UGS超过阈值电压UTHN后，开始出现电流且栅压UGS越大，漏极电流也越大的现象，体现

3、了栅压对漏极电流有明显的控制作用。漏极电压UDS对漏极电流ID的控制作用基本上分两段，即线性区和饱和区。为了不和双极型晶体管的饱和区混淆，将MOS管的饱和区称为恒流区。线性区和恒流区是以预夹断点的连线为分界线。7/25/20216线性区恒流区7/25/202171、分析一个载有电流I的半导体棒，如果沿电流方向的电荷密度是Qd（C/m），电荷移动速度是v（m/s），则电流：I=Qdv。2、考虑一个漏源都接地的NMOS，在UGS≥UTH时，开始出现反型层沟道电荷：Qd=WCox(UGS-UTH)，WCox表示单位长度

4、的总电容。图a3、若漏极电压大于0，由于沟道电势从源极的0V变化到漏极的UDS，则栅与沟道的局部电压从UGSS-UTH变化到UGSS-UTH-UDS。因此沿轨道x点处电荷Qd(x)=WCox(UGS-UTH-Ux)，图b0xLab7/25/20218恒流区电流方程在忽略沟道调制影响时为平方律方程，即(3-13)在恒流区，栅源电压UGS对ID的控制能力用参数gm表示，称之为“跨导”：(3-14a)(3-14b)(3-14c)3.2.5MOS管的跨导gm7/25/20219前面所有结论是在衬底与源极等电位的前提下得出

5、来的。3.2.6体效应与背栅跨导gmb图3-10UBS<0的MOS管（V2）如果在同一衬底上做许多管子，为了保证导电沟道和衬底之间的隔离，其PN结必须反偏，一般N管的衬底要接到全电路的最低电位点,P管的衬底接到最高电位点UDD。因此，有些管子的源极和衬底之间存在电位差，即UBS<0。如图所示，V2的UBS<0。7/25/202110当UBS<0时，沟道与衬底间的耗尽层加厚，导致阈值电压UTH增大，沟道变窄，沟道电阻变大，ID减小，人们将此称为“体效应”、“背栅效应”或“衬底调制效应”。考虑体效应后的阈值电压UTH

6、为：(3-15)式中：UTHO—UBS=0时的阈值电压；γ—体效应系数，γ的典型值在0.3V1/2～0.4V1/2之间。7/25/202111引入背栅跨导gmb来表示UBS对漏极电流的影响，其定义为：(3-16a)通常用跨导比η来表达背栅跨导gmb与栅跨导gm的关系：(3-16b)式中的gm为栅跨导(gm=ID/UGS)。7/25/2021123.3MOS电容MOS电容分两类：一类是参与运算的专门制作的MOS电容，例如开关电容网络中的积分电容和等效电阻用电容，这类电容要求电容值相对准确而稳定。另一类是MOS管极间

7、电容和寄生电容，这类电容越小越好，这类电容大了会影响电路的带宽、工作速度。7/25/2021133.3.1用作单片电容器的MOS器件特性UGP型衬底如果NMOS场效应管的漏、源和衬底接地，从一个很负的栅极电压UG开始，栅上的负电势将把衬底中的空穴吸引到氧化层表面，栅极和高浓度空穴就像是平板电容器的两个极板，由于电容器的两极板被tox分离，这时NMOS器件可以认为是单位面积电容为Cox的电容器。7/25/202114对于栅电容，随着UGS从负向正变化，其电容的变化:当UGS为负时，将衬底中的空穴吸引到氧化层界面，我

8、们称此处为“积累区”。随着UGS负压变小，界面空穴密度下降，在氧化层下开始形成耗尽层，器件进入弱反型状态。总电容为Cox与Cdep的串联电容，总电容减小。随着UGS为正且进一步加大超过UTH时，器件进入强反型层状态，导电沟道出现，Cox基本不变。图3-14MOS栅电容与UGS的关系曲线7/25/202115专门用作MOS电容的器件相当于二端器件，如图3-12所示。其中，图