CMOS模拟集成电路设计ch2器件物理

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）GSDMOSFET：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2.2MOS的I/V特性沟道的形成45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。OXOXOXTC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cutoffVGSVTHDI=072.线性区triodeorlinearregion,GSTHDSGSTHVVVVV当且时MOSFET处于线性区DerivationofI/VCharacteristics8QdWCox(VGSVTH)Qd(x)WCox(VGSV(x)VTH)dIQvI/VCharacteristics(cont.)9IDWCox[VGSV(x)VTH]vIDdxx0LWCoxn[VGSV(x)VTH]dVV0VDSGivenvEandE(x)dV(x)dxIDWCox[VGSV(x)VTH]ndV(x)dxIDnCoxWL[(VGSVTH)VDS12VDS2]I/VCharacteristics(cont.)10IDnCoxWL[(VGSVTH)VDS12VDS2]11IDnCoxWL[(VGSVTH)VDS12VDS2]()WDnoxGSTHDSLICVVV深三极管区线性区的MOSFET等效为一个线性电阻（导通电阻Ron）1()ONWnoxGSTHLRCVV2()DSGSTHVVV当时123.饱和区activeorsaturationregion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）2'()2noxDGSTHCWIVVL,GSTHDSGSTHVVVVV且时2'=GSTHDIWCnoxLVV13饱和区内，电流近似只与W/L和过饱和电压VGS-VTH有关，不随源漏电压VDS变化2')(2THGSoxnDVVLWCI因此在VGS不变的条件下MOSFET可以等效为恒流源tanDmGSVDSconstIgV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gmtransconductance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tconsVDSGSDmVIgtan15()WnoxGSTHLCVV2WnoxDLCI2DGSTHIVV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？对于,管子导通,且相对于足够高，即（,管子进入线性）区GDGTHDVVNMSVVOV方法二：（源极电压不方便算出时）比较栅极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,DSGSTHVVV管子导通且时，则管子进入区相反性区线是饱和对于,管子导通,且相对于足够低，即（,管子进入线性）区GDGTHDVVPMSVVOV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19202.3二级效应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（forNMOS）。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，γ为体效应系数，典型值0.3-0.4V1/222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λ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roDTHGSoxnDSDDDSoIVVLWCVIIVr1)(21/122526亚阈值导电性（弱反型）在初步分析MOSFET的时候，我们假设当VGSVTH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、C62.4MOS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，VDVS，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。292.5MOS小信号模型30311DSoDDVrIIgmbgm22FVSBgm小信号参数：32MOS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33MOSSPICE模型模型精度决定电路仿真精度最简单的模型——Level1，0.5m适于手算NMOSVSPMOS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34NMOS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（4m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。36MOS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！WL39倒比管401.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：Vb=1VRVds=0.5V2.右图中MOSFET的过饱和电压是多少？管子处于什么工作区？413.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？