专用集成电路设计-2010(3)

3 1 2 4
C (1) 栅极和沟道之间的氧化层电容C1=Cox· L。 反型 层 W· 层 耗尽
5
C6
N＋
P型衬 底 (2) 衬底和沟道之间的耗尽层电容C2。
(3) 多晶硅栅与源、 漏之间交叠而形成的电容C3 , C4。 (a)
(4) 源、 漏与衬底之间的结电容C5 , C6。
栅电 容
D CGD CDB B CGB CGS S CSB CGB 17
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为：
U TH U THO
2U BS
(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0.3 V1/2～0.4 V1/2之间。
分界线。
ID 线 性 区 饱 和 区 (恒 流 区 ) U G S ＝5 V
U G S ＝2.5 V
U G S ＝1.5 V
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O
6
UD S
ID
ID
2(U GS - U TH )U DS - U DS 2 L n Cox W 2 (U GS - U TH ) (1 U DS ) 2 L
ID
G D
UD gmUGS gmbUGS RDS
UGS
S
IB
UBS
B
图d、考虑二阶效应的低频MOS小信号模型
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表 3 - 2 MOS管Spice模型参数
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3.5 MOS管小信号等效电路
小信号模型：如果信号对偏置影响小，就可以用小信号 模型进行简化计算。小信号模型是工作点附近大信号模 型的近似。 建立小信号模型的意义：由于MOS管是非线性器件，建 立小信号模型，就是将非线性器件做线性化处理，从而 简化放大电路的分析和设计。 建立小信号模型的思路：当放大电路的输入信号电压很 小时，就可以把MOS管小范围内的特性曲线近似地用直 线来代替。 i NMOS MOS管的转移特性曲线：
ID
D G D
ID
UD gmUGS
G
UDS
S
UGS
UGS
S
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图a、基本的低频MOS小信号模型
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由于沟道长度调制，漏电流也随着漏-源电压变化。
这一效应可以用一个压控电流源模拟，如下图b所示。但 是，这一电流源也可以等效为一个线性阻抗（电流和电压 线性关系）：RDS= UDS / ID，如下图c所示。
反型 层
是Qd（C/m），电荷移动速度是v（m/s），则电流 ：I = Qd v。
3、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U区(N＋)-UTH-UDS。 源 区(N＋) 漏 GSS 源 区(N＋) 漏 区(N＋) U D S ＝U G S －U T H U D S ＝U G S －U TH 因此沿轨道x点处电荷 Qd(x)=WCox( UGS-UTH-Ux )，图b (预 夹 断 )
河南科技大学
专用集成电路设计
授课教师：张立文
电子信息工程学院
2009-10-14
第三章 MOS集成电路器件基础
3.2 MOS管的电流电压特性
3.3 MOS电容
3.4 MOS管的Spice模型参数
3.5 MOS管小信号等效电路
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复习一下上节内容：
3.1.1 NMOS管的简化结构如图3 - 1所示
D
UT H P －u G S O UT H N
uGS
PMOS
－i D
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3.5.1低频小信号模型
由于在许多模拟电路中MOS管偏置在饱和区（恒流区）， 下面我们导出其相应的低频小信号模型。 在恒流区，MOS管的漏极电流是栅源电压UGS的函数，即 为一个压控电流源，它体现了输入电压对输出电流的控制 作用；电流值是gmUGS。这里gm是跨导(gm= ID/ UGS)， 是转移特性曲线的斜率。 因此可以得到一个理想的MOS管小信号模型，如下图a：
uGS
PMOS
－i D
图3 - 5 MOS管的转移特性
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3.2.2 MOS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

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W 2 n C ox L 2ID U GS U TH
ID
(3 - 14b)
(3 - 14c)
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3.2.6 体效应与背栅跨导gmb
前面所有结论是在衬底与源极等电位的前提下得出来的。 如果在同一衬底上做许多管子，
UD D B2
为了保证导电沟道和衬底之间的
G B S
UG
D
C ox
0 SiO
t ox
2
P＋
N＋
N＋
P 型衬底
P型衬底
(b )
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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
C3 N＋ C5 P型衬 底 反型 层
C1 C2
C4 N＋ 耗尽 层 C6 N＋ C JS W CJ
G
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(a )
3.4 MOS管的Spice模型参数
目前在世界上最为著名和广为采用的电路模拟程序是Spice 程序（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis ）。 Spice程序是由美国加州大学伯克利分校于1972年开发的 电路仿真程序。随后，版本不断更新，功能不断增强和完 善。 计算机仿真(模拟)电路的精度不仅与器件模型本身有关， 还取决于器件模型参数的准确性和算法的科学先进性。 了解Spice模型参数的含义对于正确设计集成电路是十分 重要的。 表 3 - 2给出MOS管的Spice主要模型参数的符 号 、含义和0.5 μm工艺的参数典型值。
3.3.1 用作单片电容器的MOS器件特性
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。
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引入背栅跨导gmb来表示UBS对漏极电流的影响， 其定义为：
g mb
I D
U BS
(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：

g mb gm
0 .1 ~ 0 .2
(3 - 16b) UGS)。
12
式中的gm为栅跨导(gm=
ID/
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。
G S W 多晶 硅 D 氧化 层
N＋
L eff L dra w n
N＋
P型衬底
LD
图3 - 1 NMOS管的简化结构
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3
源 区(N＋) 电流 反型 层 源 区(N＋) 电流 漏 区(N＋) 漏 区(N＋)
n C ox W

2

线性区 恒流区
U D S ＜U G S －U T H (线 性 区 )
U D S ＝U G S －U T H (预 夹 断 )
源 区(N＋) 电流
漏 区(N＋)
U D S ＞U G S －U T H (恒 流 区 )
3.1.3 MOS管常用符号
NMOS D G G S (a ) NMOS D PMOS S NMOS D B D B PMOS S NMOS D PMOS S
G
B
G
B
S (b )
D PMOS S
G
G
G
G
S (c)
D
S (d )
D
图3 - 4 MOS管常用符号
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3.2.1 MOS管的转移特性
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
G2 V2 S2 G1 V1 S1
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 。
B1
如图所示，V2的UBS<0。
图3-10 UBS<0的MOS 管（V2）
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当UBS<0 时，沟道与衬底间的耗尽层加厚，导
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1、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
漏 区(N＋) 2、考虑一个漏源都接地的NMOS，在UGS≥UTH时，开始出现反型 源 区(N＋) U D S ＜U G S －U T H 漏 区(N＋) 源 区(N＋) U D S -U 层沟道电荷： Qd=WCox( UGS＜UG S－UTH )，WCox表示单位长度的总 (线 性 区 ) TH (线 性 区 ) 电流 电流 电容。图a