1、專用集成電路設(shè)計,授課教師：張立文 電子信息工程學(xué)院,河南科技大學(xué),2009-10-14,2020/8/24,2,第三章 MOS集成電路器件基礎(chǔ),3.2 MOS管的電流電壓特性 3.3 MOS電容 3.4 MOS管的Spice模型參數(shù) 3.5 MOS管小信號等效電路,2020/8/24,3,3.1.1 NMOS管的簡化結(jié)構(gòu)如圖3 - 1所示 該器件制作在P型襯底上，兩個重?fù)诫sN區(qū)形成源區(qū)和漏區(qū)， 重?fù)诫s多晶硅區(qū)作為柵極， 一層薄SiO2絕緣層作為柵極與襯底的隔離。 在柵氧下的襯底表面是導(dǎo)電溝道。,圖3 - 1 NMOS管的簡化結(jié)構(gòu),復(fù)習(xí)一下上節(jié)內(nèi)容：,2020/8/24,4,3.1.3 MOS

2、管常用符號,圖3 - 4 MOS管常用符號,2020/8/24,5,圖3-5給出增強型NMOS管和PMOS管工作在恒流區(qū)的轉(zhuǎn)移特性， 其中UTHN(UTHP)為開啟電壓， 即閾值電壓。 PMOS的導(dǎo)通現(xiàn)象類似于NMOS，但其所有的極性都是相反的。柵源電壓足夠“負(fù)”，在氧化層和N 襯底表面就會形成一個由空穴組成的反型層。,圖3 - 5 MOS管的轉(zhuǎn)移特性,3.2.1 MOS管的轉(zhuǎn)移特性,2020/8/24,6,3.2.2 MOS管的輸出特性,增強型NMOS輸出特性如下圖 3-6。柵壓UGS超過閾值電壓UTHN后，開始出現(xiàn)電流且柵壓UGS越大，漏極電流也越大的現(xiàn)象，體現(xiàn)了柵壓對漏極電流有明顯的控制

3、作用。 漏極電壓UDS對漏極電流ID的控制作用基本上分兩段，即線性區(qū)和飽和區(qū)。為了不和雙極型晶體管的飽和區(qū)混淆，將MOS管的飽和區(qū)稱為恒流區(qū)。線性區(qū)和恒流區(qū)是以預(yù)夾斷點的連線為分界線。,2020/8/24,7,線性區(qū),恒流區(qū),2020/8/24,8,1、分析一個載有電流I 的半導(dǎo)體棒，如果沿電流方向的電荷密度是Qd（C/m），電荷移動速度是v（m/s），則電流 ：I = Qd v。 2、考慮一個漏源都接地的NMOS，在UGSUTH時，開始出現(xiàn)反型層溝道電荷： Qd=WCox( UGS-UTH )，WCox表示單位長度的總電容。圖a 3、若漏極電壓大于0，由于溝道電勢從源極的0V變化到漏極的UD

4、S，則柵與溝道的局部電壓從UGSS-UTH變化到UGSS-UTH-UDS。因此沿軌道x點處電荷 Qd(x)=WCox( UGS-UTH-Ux )，圖b,a,b,2020/8/24,9,恒流區(qū)電流方程在忽略溝道調(diào)制影響時為平方律方程， 即,(3 - 13),在恒流區(qū)，柵源電壓UGS對ID的控制能力用參數(shù)gm表示，稱之為“跨導(dǎo)”：,(3 - 14a),(3 - 14b),(3 - 14c),3.2.5 MOS管的跨導(dǎo)gm,2020/8/24,10,前面所有結(jié)論是在襯底與源極等電位的前提下得出來的。,3.2.6 體效應(yīng)與背柵跨導(dǎo)gmb,圖3-10 UBS0的MOS 管（V2）,如果在同一襯底上做許多

5、管子，為了保證導(dǎo)電溝道和襯底之間的隔離，其PN結(jié)必須反偏，一般N管的襯底要接到全電路的最低電位點, P管的襯底接到最高電位點UDD。因此，有些管子的源極和襯底之間存在電位差，即UBS0 。如圖所示，V2的UBS0。,2020/8/24,11,當(dāng)UBS0 時，溝道與襯底間的耗盡層加厚，導(dǎo)致閾值電壓UTH增大，溝道變窄，溝道電阻變大，ID減小，人們將此稱為“體效應(yīng)”、“背柵效應(yīng)”或“襯底調(diào)制效應(yīng)”。考慮體效應(yīng)后的閾值電壓UTH為：,(3 - 15),式中： UTHOUBS=0 時的閾值電壓； 體效應(yīng)系數(shù)， 的典型值在0.3 V1/20.4 V1/2之間。,2020/8/24,12,引入背柵跨導(dǎo)gm

6、b來表示UBS對漏極電流的影響， 其定義為：,(3 - 16a),通常用跨導(dǎo)比來表達背柵跨導(dǎo)gmb與柵跨導(dǎo)gm的關(guān)系：,(3 - 16b),式中的gm為柵跨導(dǎo)(gm= ID/ UGS)。,2020/8/24,13,3.3 MOS 電 容,MOS電容分兩類： 一類是參與運算的專門制作的MOS電容，例如開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)中的積分電容和等效電阻用電容，這類電容要求電容值相對準(zhǔn)確而穩(wěn)定。 另一類是MOS管極間電容和寄生電容，這類電容越小越好，這類電容大了會影響電路的帶寬、工作速度。,2020/8/24,14,3.3.1 用作單片電容器的MOS器件特性,如果NMOS場效應(yīng)管的漏、源和襯底接地，從一個很負(fù)的柵極

7、電壓UG開始，柵上的負(fù)電勢將把襯底中的空穴吸引到氧化層表面，柵極和高濃度空穴就像是平板電容器的兩個極板，由于電容器的兩極板被tox分離，這時NMOS器件可以認(rèn)為是單位面積電容為Cox的電容器。,2020/8/24,15,對于柵電容， 隨著UGS從負(fù)向正變化， 其電容的變化: 當(dāng)UGS為負(fù)時， 將襯底中的空穴吸引到氧化層界面， 我們稱此處為“積累區(qū)”。 隨著UGS負(fù)壓變小， 界面空穴密度下降， 在氧化層下開始形成耗盡層， 器件進入弱反型狀態(tài)。 總電容為Cox與Cdep的串聯(lián)電容， 總電容減小。 隨著UGS為正且進一步加大超過UTH時， 器件進入強反型層狀態(tài)，導(dǎo)電溝道出現(xiàn)， Cox基本不變。,圖3

8、 - 14 MOS柵電容與UGS的關(guān)系曲線,2020/8/24,16,專門用作MOS電容的器件相當(dāng)于二端器件， 如圖3-12所示。,其中，圖a為MOS電容結(jié)構(gòu)，多晶硅柵極和N+擴散區(qū)構(gòu)成電容器CAB的兩極，二氧化硅(SiO2)為絕緣層。圖 b中，Cp為N+區(qū)與襯底之間的寄生電容。,圖3-12 (a) 單片MOS電容器結(jié)構(gòu)； (b) MOS電容模型,總的MOS電容為： CAB=CoxWL,2020/8/24,17,MOS管的極間電容存在于4個端子中的任意兩端之間。 這些電容包括以下幾部分，如圖 ： (1) 柵極和溝道之間的氧化層電容C1=CoxWL。 (2) 襯底和溝道之間的耗盡層電容C2。 (

9、3) 多晶硅柵與源、 漏之間交疊而形成的電容C3 , C4。 (4) 源、 漏與襯底之間的結(jié)電容C5 , C6。,3.3.2 MOS管的極間電容和寄生電容,2020/8/24,18,3.4 MOS管的Spice模型參數(shù),目前在世界上最為著名和廣為采用的電路模擬程序是Spice程序（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis ）。 Spice程序是由美國加州大學(xué)伯克利分校于1972年開發(fā)的電路仿真程序。隨后，版本不斷更新，功能不斷增強和完善。 計算機仿真(模擬)電路的精度不僅與器件模型本身有關(guān)，還取決于器件模型參數(shù)的準(zhǔn)確性和算法的科學(xué)先

10、進性。 了解Spice模型參數(shù)的含義對于正確設(shè)計集成電路是十分重要的。 表 3 - 2給出MOS管的Spice主要模型參數(shù)的符號 、含義和0.5 m工藝的參數(shù)典型值。,2020/8/24,19,表 3 - 2 MOS管Spice模型參數(shù),2020/8/24,20,3.5 MOS管小信號等效電路,小信號模型：如果信號對偏置影響小，就可以用小信號模型進行簡化計算。小信號模型是工作點附近大信號模型的近似。 建立小信號模型的意義：由于MOS管是非線性器件，建立小信號模型，就是將非線性器件做線性化處理，從而簡化放大電路的分析和設(shè)計。 建立小信號模型的思路：當(dāng)放大電路的輸入信號電壓很小時，就可以把MOS管

11、小范圍內(nèi)的特性曲線近似地用直線來代替。,MOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線：,2020/8/24,21,3.5.1低頻小信號模型,由于在許多模擬電路中MOS管偏置在飽和區(qū)（恒流區(qū)），下面我們導(dǎo)出其相應(yīng)的低頻小信號模型。 在恒流區(qū)，MOS管的漏極電流是柵源電壓UGS的函數(shù)，即為一個壓控電流源，它體現(xiàn)了輸入電壓對輸出電流的控制作用；電流值是gmUGS。這里gm是跨導(dǎo)(gm= ID/ UGS)，是轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率。 因此可以得到一個理想的MOS管小信號模型，如下圖a：,圖a、基本的低頻MOS小信號模型,2020/8/24,22,由于溝道長度調(diào)制，漏電流也隨著漏-源電壓變化。這一效應(yīng)可以用一個壓控電流源模擬，如

12、下圖b所示。但是，這一電流源也可以等效為一個線性阻抗（電流和電壓線性關(guān)系）：RDS= UDS / ID，如下圖c所示。,圖b、用獨立電流源來表示 溝道長度調(diào)制效應(yīng),圖c、用電阻來表示溝道 長度調(diào)制效應(yīng),2020/8/24,23,實際的集成電路MOS管中都存在著二級效應(yīng)，襯底的偏置效應(yīng)影響著閾值電壓，因而也影響著柵-源驅(qū)動電壓。襯底電勢的影響體現(xiàn)為背柵效應(yīng)，因此可以用漏源之間的壓控電流源gmbUBS來表示，此時低頻小信號模型如下圖d。,圖d、考慮二階效應(yīng)的低頻MOS小信號模型,2020/8/24,24,3.5.2 MOS管的高頻小信號等效電路,當(dāng)頻率升高時，電容容抗減小，電容效應(yīng)將會顯露出來?？紤]極間電容和寄生電容影響的MOS管高頻小信號等效電路如圖 3-17所示。,圖3 - 17 MOS管高頻小信號等效電路,2020/8/24,25,作業(yè)：計算時參數(shù)取書上P52的表3-2,1、如圖1中的電路，畫出NMOS管導(dǎo)通電阻隨UG的變化曲線。假設(shè) ，W / L =10。注意漏端開路。,2、NMOS電路如圖2所示，已知管子參數(shù)：VDD=12V，Rs=10k，VTH=2V，W/L=5，KN=nCox=400A/V2，計算： V0、ID