mos管有源电阻和无源器件解析

MOS器件物理MOS管交流小信号模型MOS管低频小信号模型•小信号是指对偏置的影响非常小的信号。•由于在很多模拟电路中，MOS管被偏置在饱和区，所以主要推导出在饱和区的小信号模型。•在饱和区时MOS管的漏极电流是栅源电压的函数，即为一个压控电流源，电流值为gmVGS，且由于栅源之间的低频阻抗很高，因此可得到一个理想的MOS管的小信号模型，如图所示。MOS管交流小信号模型•其中（a）为理想的小信号模型。•实际的模拟集成电路中MOS管存在着二阶效应，而由于沟道调制效应等效于漏源之间的电阻ro；而衬底偏置效应则体现为背栅效应，即可用漏源之间的等效压控电流源gmbVBS表示，因此MOS管在饱和时的小信号等效模型如图(b)所示。•上图所示的等效电路是最基本的，根据MOS管在电路中不同的接法可以进一步简化。DGSgmVGSDGSgmVGSrogmbVBS-VBS+VB+VGS-+VGS-(a)(b)MOS管交流小信号模型MOS管高频小信号等效电路•在高频应用时，MOS管的分布电容就不能忽略。即在考虑高频交流小信号工作时必须考虑MOS管的分布电容对电路性的影响，•所以MOS管的高频小信号等效电路可以在其低频小信号等效电路的基础上加入MOS管的级间电容实现，如图所示。MOS管交流小信号模型•不同工作状态（截止、饱和、线性）时MOS管的分布电容值不同，因此若进行详细的计算比较困难，但可以通过软件模拟进行分析。•另外，在高频电路中必须注意其工作频率受MOS管的最高工作频率的限制（即电路的工作频率如高于MOS管的最高工作频率时，电路不能正常工作）。CDBCGDGBSDCGSCSBgmVGSCGBrogmbVBS-VBS++VGS-有源电阻•MOS管的适当连接使其工作在一定状态（饱和区或是线性区），利用其直流电阻与交流电阻可以作为电路中的电阻元件使用。•MOS二极管作电阻MOS二极管是指把MOS晶体管的栅极与漏极相互短接构成二端器件，如图所示。IgmV1+V1-V+-ro有源电阻•由上图可知，MOS二极管的栅极与漏极具有同的电位，MOS管总是工作在饱和区，根据饱和萨氏方程可知其转移特性曲线（漏极电流－栅源电压间的关系曲线）如下图所示。VthNVGSIDSVthPVGSIDSNMOSPMOS有源电阻(1)直流电阻•此时NMOS管的直流电阻为：•PMOS管的直流电阻为：•由以上两式可以发现：MOS二极管的直流电阻与器件的尺寸相关，并且还取决于VGS的值。2)(thnGSNGSDGSDDSonVVKVIVIVR2)(thpGSPGSDGSDDSonVVKVIVIVR有源电阻（二）交流电阻•交流电阻可以视为MOS管的输出特性曲线在VDS＝VGS时的斜率，对于理想的情况，即忽略沟道调制效应时，其值为无穷大。•考虑沟道调制效应时，交流电阻是一有限值，但远大于在该工作点上的直流电阻，且其值基本恒定。有源电阻1）忽略衬底偏置效应•首先根据饱和萨氏方程，可得到其电压与电流特性：•则有：•上式说明当流过三极管的电流确定后，MOS管的二端压降仅与几何尺寸有关。2)(thGSNDVVKINIthDSGSKVVVVD有源电阻•再根据MOS二极管的低频小信号模型，有：V1＝V和I＝V/ro＋gmV。所以小信号工作时MOS二极管可近似为一个两端电阻，其值为：由上式可以看出：•二极管连接的MOS管的交流电阻等于其跨导的倒数，且为一非线性电阻。•但由于在模拟电路中一般交流信号幅度较小，因此，在直流工作点确定后，可以认为其值为一恒定值。momgrgIV1)1(/有源电阻2）考虑衬底偏置效应•如果考虑体效应，如下图（a）所示，由于衬底接地电位，则有：V1＝－V，Vbs＝－V，其等效电路如下图（b）所示。IgmV1+V1-V+-roM1+-VDDVIgmbVbs（a)(b)有源电阻•根据KCL定理，由上图（b）可以得到：•所以此时的等效电阻为：•上式即为考虑了衬底偏置效应与沟道调制效应的小信号电阻，由上式可知：在考虑衬底效应后，从M1的源端看其阻抗降低了。)(IrVVggombmmbmombmombmggrggrggIV1111有源电阻2MOS管的栅极接固定偏置•根据MOS管的栅极所接的固定偏置的大小不同，MOS管可工作于饱和区与三极管区。•在实际应用中，根据输出端不同，又可分为漏输出与源输出两类工作方式。有源电阻1）漏输出，源极交流接地•VGS是固定的，当MOS管的漏源电压大于栅极的过驱动电压时，MOS管工作于饱和区，忽略沟道调制效应时，其阻值为无穷大，但实际阻值应考虑沟道调制效应，可用饱和萨氏方程求出：•而当漏源电压小于栅极过驱动电压时，MOS管工作于三极管区，此时的等效输出电阻为：DoIr1)(21thGSNoVVKr有源电阻2）源输出，漏极交流接地•此时栅源电压随输出电压变化，当MOS管工作于饱和区时，其输出电阻为1/gm；而当MOS管工作于三极管区时，其输出电阻值为：式中的gm为器件跨导，而gd则为器件导纳。且有：•所以此时的输出电阻值较小。dmoggr1DSNmVKg2DSNthGSNdIKVVKg2)(2有源电阻•总之，当MOS管在电路中作有源电阻时，一般栅接固定电位（接漏是一种特例），这时根据栅电压大小来判定MOS管的工作区域（饱和区与三极管区），另外，输出的端口是源端或是漏端，其呈现的阻抗也不同。无源器件在模拟集成电路中的无源器件主要是指电阻、电容等，精密的电阻、电容是MOS模拟电路设计所要求的主要基本元件，电阻或电容在电路应用中最关键的是要提供精确的元件值，但在大多数情况下，电阻或电容的绝对值不如它们的比值那么重要。无源器件电阻•电阻是模拟电路的最基本的元件，在集成电路中有多种设计和制造方法，并有无源电阻与有源电阻之分。电阻的大小一般以方块数来表示，电阻的绝对值为：•式中R□为单位方块电阻值，L和W分别是指电阻的长度与宽度。WLRR口无源器件•若假定这些参数是统计无关的，则电阻值的偏差可表示为：•在大多数情况下，由于LΔL，所以上式可简化成：•通常对于上式中第一项偏差，离子注入电阻比扩散电阻要小，衬底硅电阻比多晶硅电阻要小（多晶硅材料晶粒结构变化增加所致）；第二项偏差，随着光刻技术特别是干法刻蚀即等离子刻蚀技术的出现，该项偏差大大减小。222)()()()(WWLLRRS口口RD22)()()(WWRRS口口RD无源器件•在某些设计中，要求精确的电阻比值，对称叉指式设计布局用来补偿薄层电阻与条宽范围的梯度变化。•在电阻设计时还需注意相对于衬底的寄生电容可能把一些高频噪声通过电阻叠加在有用信号上，所以在设计时对一些特殊电阻必须加电屏蔽（如阱接地，采用多晶电阻或双多晶结构）。无源器件－源/漏扩散电阻•金属栅与硅栅技术的NMOS和CMOS工艺，与漏源区同时制成。•方块电阻值为R□＝20~100Ω，在需要较大电阻时，需要很多方块，占用很大面积，所以一般不用扩散电阻制作大阻值的电阻。•精度为±20%，温度系数为500~1500ppm/℃，电压系数为100~500ppm/V，所以不能用作精密电阻。•存在大的寄生电容（n+-p结电容），并且由于存在浅结，所以会产生压电电阻，从而引入误差。n+p金属热氧化层无源器件－P阱（N阱）扩散电阻（阱电阻或沟道电阻）•CMOS金属栅和硅栅工艺。•R□＝1000~5000Ω，并且其薄层电阻值更高。•由于阱的扩散深度及其引起的横向扩散约有5至10微米，使电阻条不可能做得很窄。且电阻条之间还需要设计出沟道截止环，以消除电阻间的表面反型层漏电流，因此在制作大电阻时，其面积也较大。•具有大的电压系数，且其电阻精度为±40%。n+p金属热氧化层p+p+n无源器件－注入电阻•NMOS和CMOS金属栅与硅栅工艺。可以与耗尽层注入相结合。•方块电阻R□＞500~1000Ω（最大为1MΩ），可以制作较大电阻而不用占很大面积。•电阻阻值易于控制，但需要一次额外的掩膜。•但离子注入与衬底间所形成的p-n结存在不同的反偏时，耗尽层宽度不同，因此导电层内的载流子流量会发生变化，所以电阻的线性度不理想，电压系数高，并且由于氧化层表面电荷的影响，导电层表面的载流子浓度也不稳定，因此大电阻的精度受一定的限制。这类电阻具有小的温度系数，但很难消除压电电阻效应。（金属栅工艺）n+n+p型衬底N+子注入SiO2CVDSiO2无源器件－多晶电阻•NMOS与CMOS硅栅工艺，与源/漏同时扩散。•方块电阻为R□＝30~200Ω。制作大电阻时，可另外再加上一次光刻，用离子注入较小剂量来实现，其阻值可达10千欧/方块。但多晶硅电阻的薄层电阻大小，除与离子注入剂量有关外，还与多晶硅的厚度，多晶硅的淀积质量等有关，因此难以用来制作精密电阻。•温度系数为500~1500ppm/℃，电阻误差较大。•但可以通过激光与多晶丝来调节电阻值，且由于多晶硅下面有厚的氧化层与电路隔离，其寄生电容大大减小。金属p场氧多晶硅Ⅰ或Ⅱ汽相淀积氧化无源器件－薄膜电阻•NMOS和CMOS的金属栅与硅栅工艺，需要额外的工艺步骤，通过溅射方法把Ni-Cr、Cr-Si或钼按一定比例成分淀积在硅片的绝缘层上实现。•方块电阻值可由所用材料的性质比例成分和淀积层厚度决定，一般情况下，薄膜厚度为几百至几千埃，方块电阻：Ni-Cr为几百欧/方，Cr-Si为几百至几千欧/方。•薄膜电阻的线性度最好，电压系数很小，温度系数也小（约100ppm/℃），与MOS的其它工艺条件无关。并且可以用激光修正、氧化、退火等提高电阻的精度。无源器件－电容•在MOS模拟集成电路中，电容也是一个不可或缺的元件，由于其易于与MOS器件相匹配，且制造较易，匹配精度比电阻好，所以得到了较广泛的应用。•多数都用SiO2作为介质，但也有采用SiO2/Si3N4夹层作为介质，主要是利用Si3N4较高的介电常数特性来制作较大的电容。•由于沉积氧化层厚度有较大的偏差，因此沉积氧化物通常不适用于制作精密电容器。•在理想情况下，其电容值可用下式进行计算：oxoxoxoxtWLtSC无源器件－电容•标准偏差为：•通常选择W＝L（提高电容的Q值），则上式中后二项的误差取决于光刻误差，通常称之为边缘误差；而上式中前两项的误差为氧化层效应误差。•在小电容时，起主导作用的是边缘效应误差，而大电容时主要取决于氧化层误差。•电容器的比例精度主要取决于它们的面积比（特别是小电容）2222)()()()()(WWLLttSoxoxoxoxCD无源器件－电容PN结电容•直接利用PN结构成的电容，这类电容具有大的电压系数和非线性，因此并不常用。MOS电容•只适用于NMOS与CMOS金属栅工艺，如图所示•温度系数为25ppm/℃，电容误差为±15%。•这是一种与电压相关的电容，电压系数为25ppm/V。金属p型衬底薄氧p+无源器件－电容多晶与体硅之间的电容（PIS）•NMOS与CMOS多晶硅栅（金属栅）工艺实现，需要额外一次离子注入来形成底板的n+重掺杂区，以多晶硅为上极板，二氧化硅为介质，n+为下极板构成电容。•衬底必须接一个固定电位，此时多晶与体硅间的电容可认为是一无极性的电容，但存在底板pn结寄生电容（15%~30%）。•电压系数-10ppm/V，温度系数20~50ppm/℃，误差±15%。•另外，这类电容可以通过多晶条的激光修正来调节电容值。金属p多晶硅薄热氧化层n＋重掺杂n+n+无源器件－电容双多晶电容（PIP）•由NMOS与CMOS双多晶工艺实现，其上下极板都为多晶，介质为薄氧化层。介质氧化层一般与栅氧同时形成。•电压系数为100ppm/V，温度系数100ppm/℃。多晶2的面积可以小于薄氧化层面积，从而只有较小的寄生电容（厚氧电容）。•由于双层多晶硅电容具有性能稳定、寄生电容小等优点，因此在MOS集成电路中有广泛应用。p型衬底多晶2场氧多晶1薄热氧层汽相淀积氧化层无源器件－电容MOS器件作电容•由于MOS管中存在着明显的电容结构，因此可以用MOS器件制作