CMOS模擬集成電路分析與設(shè)計(jì)

CMOS模擬集成電路分析與設(shè)計(jì)主講教師：吳建輝Tel：83795677E-mail：wjh@整理ppt教材及參考書教材：吳建輝編著：“CMOS模擬集成電路分析與設(shè)計(jì)〞(第二版)，電子工業(yè)出版社。參考書：RazaviB:DesignofanalogCMOSintegratedcircuitsAllenPE:CMOSAnalogCircuitDesignR.JacobBaker:CMOSMixed-SignalCircuitDesign整理ppt引言模擬電路與模擬集成電路CMOS工藝？先進(jìn)工藝下模擬集成電路的挑戰(zhàn)？課程主題與學(xué)習(xí)目標(biāo)整理ppt模擬電路與模擬集成電路模擬電路模擬集成電路晶體管數(shù)追求最少“不限”匹配性一般不要求需很好匹配電阻值任意值10Ω-100KΩ電容值可以很大較小〈50pf寄生效應(yīng)影響較小較大分立元件音頻放大電路集成音頻放大電路整理ppt半導(dǎo)體材料(襯底)有源器件特性IIIIVVBCNAlSiPGaGeAsInSnSbTlPbBi整理ppt現(xiàn)代主要集成電路工藝性能CMOSSiBJTSiGeBJT器件速度高高高噪聲差好好跨導(dǎo)小大大本征增益小較大大采用CMOS工藝的原因：低功耗，高容量的數(shù)字集成電路驅(qū)動(dòng)易于與高密度的數(shù)字集成電路集成〔BiCMOS太貴〕整理ppt先進(jìn)工藝下模擬集成電路的挑戰(zhàn)CMOS工藝的開展以特征尺寸的縮小為顯著特征。低功耗高性能的數(shù)字電路需求是促進(jìn)CMOS工藝開展的主要?jiǎng)恿ο冗M(jìn)工藝對(duì)模擬電路存在著明顯的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)：主要優(yōu)勢(shì)：低功耗、高頻率主要劣勢(shì)：低擺幅、低本征增益、工藝偏差對(duì)電路的顯著影響、相互干擾等對(duì)策：數(shù)字輔助等整理ppt課程主題MOS器件物理單級(jí)放大器電流鏡差分對(duì)放大器的頻率特性運(yùn)算放大器與跨導(dǎo)放大器反響、穩(wěn)定性及補(bǔ)償電子噪聲等整理ppt學(xué)習(xí)目標(biāo)較深入理解與模擬設(shè)計(jì)相關(guān)的MOS器件特性建立模擬電路設(shè)計(jì)中限制與折中的概念學(xué)會(huì)構(gòu)架一座復(fù)雜器件模型/行為與根本的手算之間的橋梁掌握一種系統(tǒng)的而不是盲目〔spice-monkey)的設(shè)計(jì)方式通過一系列手算設(shè)計(jì)工程穩(wěn)固以上知識(shí)：許多工業(yè)電路/應(yīng)用的一個(gè)高性能反響放大器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 整理ppt第一講根本MOS器件物理整理ppt本章主要內(nèi)容本章是CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)的根底，主要內(nèi)容為：有源器件無源器件等比例縮小理論短溝道效應(yīng)及狹溝道效應(yīng)MOS器件模型整理ppt1、有源器件主要內(nèi)容：

1.1幾何結(jié)構(gòu)與工作原理1.2極間電容1.3電學(xué)特性與主要的二次效應(yīng)1.4低頻及高頻小信號(hào)等效模型1.5有源電阻整理ppt1.1MOS管幾何結(jié)構(gòu)與工作原理(1)整理pptMOS管是一個(gè)四端口器件柵極(G)：柵氧下的襯底區(qū)域?yàn)橛行Чぷ鲄^(qū)〔即MOS管的溝道〕。源極(S)與漏極(D)：在制作時(shí)是幾何對(duì)稱的。一般根據(jù)電荷的輸入與輸出來定義源區(qū)與漏區(qū)：源端被定義為輸出電荷〔假設(shè)為NMOS器件那么為電子〕的端口；漏端那么為收集電荷的端口。當(dāng)該器件三端的電壓發(fā)生改變時(shí)，源區(qū)與漏區(qū)就可能改變作用而相互交換定義。襯底(B)：在模擬IC中還要考慮襯底〔B〕的影響，襯底電位一般是通過一歐姆p＋區(qū)〔NMOS的襯底〕以及n＋區(qū)(PMOS襯底)實(shí)現(xiàn)連接的。1.1MOS管幾何結(jié)構(gòu)與工作原理(2)整理pptMOS管的主要幾何尺寸溝道長(zhǎng)度L：CMOS工藝的自對(duì)準(zhǔn)特點(diǎn)，其溝道長(zhǎng)度定義為漏源之間柵的尺寸，一般其最小尺寸即為制造工藝中所給的特征尺寸；由于在制造漏/源結(jié)時(shí)會(huì)發(fā)生邊緣擴(kuò)散，所以源漏之間的實(shí)際距離〔稱之為有效長(zhǎng)度L’〕略小于長(zhǎng)度L，那么有L’＝L－2d，其中L是漏源之間的總長(zhǎng)度，d是邊緣擴(kuò)散的長(zhǎng)度。溝道寬度W：垂直于溝道長(zhǎng)度方向的柵的尺寸。柵氧厚度tox：那么為柵極與襯底之間的二氧化硅的厚度。1.1MOS管幾何結(jié)構(gòu)與工作原理(3)整理pptMOS管可分為增強(qiáng)型與耗盡型兩類：增強(qiáng)型是指柵源電壓VGS為0時(shí)沒有導(dǎo)電溝道，必須依靠柵源電壓的作用，才能形成感生溝道。耗盡型是指即使在柵源電壓VGS為0時(shí)也存在導(dǎo)電溝道。這兩類MOS管的根本工作原理一致，都是利用柵源電壓的大小來改變半導(dǎo)體外表感生電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。1.1MOS管幾何結(jié)構(gòu)與工作原理(4)整理ppt以增強(qiáng)型NMOS管為例：截止區(qū)：VGS=0源區(qū)、襯底和漏區(qū)形成兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，不管VDS的極性如何，其中總有一個(gè)PN結(jié)是反偏的，此時(shí)漏源之間的電阻很大。沒有形成導(dǎo)電溝道，漏電流ID為0。亞閾值區(qū)：Vth＞VGS＞01.1MOS管幾何結(jié)構(gòu)與工作原理(5)耗盡層整理ppt線性區(qū)：VGS≥Vth且VDS<VGS-Vth形成反型層(或稱為感生溝道)感生溝道形成后，在正的漏極電壓作用下產(chǎn)生漏極電流ID一般把在漏源電壓作用下開始導(dǎo)電時(shí)的柵源電壓叫做開啟電壓Vth外加較小的VDS，ID將隨VDS上升迅速增大，此時(shí)為線性區(qū)，但由于溝道存在電位梯度，因此溝道厚度是不均勻的注意：與雙極型晶體管相比，一個(gè)MOS器件即使在無電流流過時(shí)也可能是開通的。

1.1MOS管幾何結(jié)構(gòu)與工作原理(6)整理ppt飽和區(qū)：VGS≥Vth且VDS≥VGS-Vth當(dāng)VDS增大到一定數(shù)值〔VGD=Vth〕，靠近漏端被夾斷。VDS繼續(xù)增加，將形成一夾斷區(qū)，且夾斷點(diǎn)向源極靠近，溝道被夾斷后，VDS上升時(shí)，其增加的電壓根本上加在溝道厚度為零的耗盡區(qū)上，而溝道兩端的電壓保持不變，所以ID趨于飽和。當(dāng)VGS增加時(shí)，由于溝道電阻的減小，飽和漏極電流會(huì)相應(yīng)增大。在模擬電路集成電路中飽和區(qū)是MOS管的主要工作區(qū)擊穿區(qū)：假設(shè)VDS大于擊穿電壓BVDS〔二極管的反向擊穿電壓〕，漏極與襯底之間的PN結(jié)發(fā)生反向擊穿，ID將急劇增加，進(jìn)入雪崩區(qū)，此時(shí)漏極電流不經(jīng)過溝道，而直接由漏極流入襯底。1.1MOS管幾何結(jié)構(gòu)與工作原理(7)整理pptMOS管的表示符號(hào)1.1MOS管幾何結(jié)構(gòu)與工作原理(8)整理ppt1.2MOS管的極間電容〔1〕－“本征柵電容〞“本征柵電容〞：本征電容指的是一些不能防止而在器件工作時(shí)必需考慮的電容。還要注意存在著大量的外在的與工藝相關(guān)的電容。 按不同的工作區(qū)討論本征柵電容：MOS管翻開：線性區(qū)與飽和區(qū)MOS管“關(guān)斷〞：截止區(qū)與亞閾值區(qū)整理ppt柵極與導(dǎo)電溝道構(gòu)成一個(gè)平板電容〔柵極+柵氧+溝道〕，即：CGC=WLεOX/tox=WLCOX可以將之視為集總電容，即：CGS=CGD=〔1/2〕CGC改變?nèi)我浑妷憾紝⒏淖儨系离姾珊谋M型電容CCB〔溝道+耗盡層+襯底〕形成了源極與漏極到襯底的電容，不過經(jīng)常忽略。1.2MOS管的極間電容〔1〕－“本征柵電容〞〔ON〕整理ppt假設(shè)長(zhǎng)溝道模型，工作于飽和區(qū)時(shí)如改變?cè)礃O電壓，那么有：在漏極端口的柵與溝道的電壓差保持不變〔Vth〕，但源極端口的電壓差發(fā)生了改變。這意味著電容的“底板〞不是均勻改變。詳細(xì)的分析可以得到此時(shí)Cgs=〔2/3〕WLCOX假設(shè)長(zhǎng)溝道模型，工作于飽和區(qū)時(shí)如改變漏極電壓那么不會(huì)改變溝道電荷，即Cgd=0〔忽略二次效應(yīng)及外部電容〕。1.2MOS管的極間電容〔1〕－“本征柵電容〞〔ON〕整理ppt不存在導(dǎo)電溝道：柵到襯底間的電容等效為柵氧電容與耗盡電容的串聯(lián)。如果柵電壓為負(fù)，那么耗盡層變薄，柵與襯底間電容增大。對(duì)于大的負(fù)偏置，那么電容接近于CGC。1.2MOS管的極間電容〔1〕－“本征柵電容〞〔OFF〕整理ppt1.2MOS管的極間電容(1)整理ppt柵與溝道之間的柵氧電容：C2=WLCox，其中Cox為單位面積柵氧電容εox/tox；溝道耗盡層電容：

交疊電容〔多晶柵覆蓋源漏區(qū)所形成的電容，每單位寬度的交疊電容記為Col〕：柵源交疊電容C1＝WCol柵漏交疊電容C4=WCol注：由于是環(huán)狀的電場(chǎng)線，C1與C4不能簡(jiǎn)單地寫成WdCox，需通過更復(fù)雜的計(jì)算才能得到，且它的值與襯底偏置有關(guān)。1.2MOS管的極間電容(2)整理ppt源漏區(qū)與襯底間的結(jié)電容：Cbd、Cbs漏源對(duì)襯底的PN結(jié)勢(shì)壘電容一般由兩局部組成：垂直方向〔即源漏區(qū)的底部與襯底間〕的底層電容Cj橫向即源漏的四周與襯底間構(gòu)成的圓周電容Cjs一般分別定義Cj與Cjs為單位面積的電容與單位長(zhǎng)度的電容。而每一個(gè)單位面積PN結(jié)的勢(shì)壘電容為：Cj0：零偏時(shí)單位面積結(jié)電容〔與襯底濃度有關(guān)〕；VR：通過PN結(jié)的反偏電壓；ΦB：PN結(jié)接觸勢(shì)壘差〔一般取0.8V〕；m：底面電容的梯度因子(0.3~0.4)。源漏的總結(jié)電容可表示為：

H：源、漏區(qū)的長(zhǎng)度；W：源、漏區(qū)的寬度總的寬長(zhǎng)比相同的情況下，采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，即H不變，而每一管的寬為原來的幾分之一，那么并聯(lián)結(jié)構(gòu)的MOS管的結(jié)電容比原結(jié)構(gòu)小。1.2MOS管的極間電容(3)整理ppt1.2MOS管的極間電容(4)MOS管的極間電容：整理ppt1.2MOS管的極間電容(5)不同工作區(qū)的極間電容截止區(qū)：漏源之間不存在溝道柵源、柵漏之間的電容為：CGD=CGS=ColW柵與襯底間的電容為柵氧電容與耗盡區(qū)電容之間的串聯(lián)：

CGB=(WLCox)Cd/(WLCox+Cd)

L為溝道的有效長(zhǎng)度

在截止時(shí)，耗盡區(qū)電容較大，故可忽略，因此：CGB=WLCoxCSB與CDB的值相對(duì)于襯底是源漏間電壓的函數(shù)

整理ppt1.2MOS管的極間電容(6)不同工作區(qū)的極間電容飽和區(qū)柵漏電容大約為：WCol漏端夾斷，溝道長(zhǎng)度縮短，從溝道電荷分布相當(dāng)于CGS增大，CGD減小，柵與溝道間的電位差從源區(qū)的VGS下降到夾斷點(diǎn)的VGS-Vth，導(dǎo)致了在柵氧下的溝道內(nèi)的垂直電場(chǎng)的不一致。可以證明這種結(jié)構(gòu)除了過覆蓋電容之外的電容值

：

2WLCox/3因此有：

CGS=2WLCox/3+WCol

當(dāng)MOS管工作飽和區(qū)時(shí)，柵與襯底間的電容常被忽略，這是由于反型層在柵與襯底間起著屏蔽作用，也就是說如果柵壓發(fā)生了改變，導(dǎo)電電荷的提供主要由源極提供而流向漏，而不是由襯底提供導(dǎo)電荷。整理ppt1.2MOS管的極間電容(7)不同工作區(qū)的極間電容線性區(qū)漏源之間產(chǎn)生反型層并且溝道與襯底之間形成較厚的耗盡層，產(chǎn)生較小的耗盡層電容，此時(shí)柵極電容為：CGD=CGS=WLCox/2+WCol因?yàn)镾和D具有幾乎相等的電壓，且柵電壓變化ΔV就會(huì)使相同的電荷從源區(qū)流向漏區(qū)，那么其柵與溝道間的電容WLCox等于柵源及柵漏間的電容。與工作于飽和區(qū)一樣，在線性區(qū)時(shí)，柵與襯底間的電容常被忽略。整理ppt1.2MOS管的極間電容(8)注意：在不同區(qū)域之間的轉(zhuǎn)變不能由方程直接提供，只是根據(jù)趨勢(shì)延伸而得?？偨Y(jié)整理ppt1.3

電特性與主要的二次效應(yīng)1.3.1電特性閾值電壓I/V特性輸入輸出轉(zhuǎn)移特性跨導(dǎo)等電特性1.3.2二次效應(yīng)MOS管的襯底效應(yīng)溝道調(diào)制效應(yīng)亞閾值導(dǎo)通溫度效應(yīng)整理ppt1.3.1MOS管的電特性—閾值電壓(1)Vth定義為吸引到外表的電子的數(shù)量與摻雜原子的數(shù)量相等時(shí)所對(duì)應(yīng)的VGS，主要是由外表電荷控制的。閾值電壓〔NMOS〕在漏源電壓的作用下剛開始有電流產(chǎn)生時(shí)的VG為閾值電壓Vth：

ΦMS：指多晶硅柵與硅襯底間的接觸電勢(shì)差稱為費(fèi)米勢(shì)，其中q是電子電荷Nsub：襯底的摻雜濃度Qb：耗盡區(qū)的電荷密度，其值為，其中是硅的介電常數(shù)Cox：?jiǎn)挝幻娣e的柵氧電容，，Qss：氧化層中單位面積的正電荷VFB：平帶電壓，VFB＝整理ppt1.3.1MOS管的電特性—閾值電壓(2)閾值電壓(PMOS)注意：器件的閾值電壓主要通過改變襯底摻雜濃度、襯底外表濃度或改變氧化層中的電荷密度來調(diào)整。用以上方程求出的“內(nèi)在〞閾值在電路設(shè)計(jì)過程中可能不適用，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，常通過改變多晶與硅之間的接觸電勢(shì)即：在溝道中注入雜質(zhì)，或通過對(duì)多晶硅摻雜金屬的方法來調(diào)整閾值電壓。整理ppt1.3.1MOS管的電特性—I/V特性(1)輸出特性〔I/V特性〕MOS晶體管的輸出電流－電壓特性的經(jīng)典描述是薩氏方程。忽略二次效應(yīng)，對(duì)于NMOS管導(dǎo)通時(shí)的薩氏方程為：

VGS－Vth：MOS管的“過驅(qū)動(dòng)電壓〞，記為VOV；W/L稱為寬長(zhǎng)比；L：指溝道的有效長(zhǎng)度；稱為NMOS管的導(dǎo)電因子。ID的值取決于：工藝參數(shù)μnCox、器件尺寸W和L、VDS及VGS。整理ppt1.3.1MOS管的電特性—I/V特性(2)討論：截止區(qū)：VGS≤Vth，ID＝0線性區(qū)：VDS≤VGS－Vth，漏極電流即為薩氏方程深線性區(qū)：VDS<<2〔VGS－Vth〕，薩氏方程可近似為：

當(dāng)VDS較小時(shí)，ID是VDS的線性函數(shù)，即這時(shí)MOS管可等效為一個(gè)電阻，其阻值為：

深線性區(qū)的MOS管可等效為一個(gè)受過驅(qū)動(dòng)電壓控制的可控電阻，當(dāng)VGS一定時(shí)，溝道直流導(dǎo)通電阻近似為一恒定的電阻。整理ppt1.3.1MOS管的電特性—I/V特性(3)討論(續(xù))飽和區(qū)：VDS≥VGS－Vth漏極電流并不是隨VDS增大而無限增大的，在VDS＞VGS－Vth時(shí)，MOS管進(jìn)入飽和區(qū)：此時(shí)在溝道中發(fā)生了夾斷現(xiàn)象。薩氏方程兩邊對(duì)VDS求導(dǎo)，可求出當(dāng)VDS＝VGS－Vth時(shí)，電流有最大值，其值為：

稱為飽和薩氏方程。

整理ppt1.3.1MOS管的電特性—I/V特性(4)MOS管I/V特性曲線整理ppt1.3.1MOS管的電特性—轉(zhuǎn)移特性(1)轉(zhuǎn)移特性曲線在一個(gè)固定的VDS下的MOS管飽和區(qū)的漏極電流與柵源電壓之間的關(guān)系稱為MOS管的轉(zhuǎn)移特性。轉(zhuǎn)移特性的另一種表示方式增強(qiáng)型NMOS轉(zhuǎn)移特性耗盡型NMOS轉(zhuǎn)移特性整理ppt1.3.1MOS管的電特性—轉(zhuǎn)移特性(2)轉(zhuǎn)移特性曲線在實(shí)際應(yīng)用中，生產(chǎn)廠商經(jīng)常為設(shè)計(jì)者提供的參數(shù)中，經(jīng)常給出的是在零電流下的開啟電壓注意，Vth0為無襯偏時(shí)的開啟電壓，而是在與VGS特性曲線中與VGS軸的交點(diǎn)電壓，實(shí)際上為零電流的柵電壓從物理意義上而言，為溝道剛反型時(shí)的柵電壓，僅與溝道濃度、氧化層電荷等有關(guān)；而Vth0與人為定義開啟后的IDS有關(guān)。

整理ppt1.3.1MOS管的電特性—轉(zhuǎn)移特性(3)轉(zhuǎn)移特性曲線從轉(zhuǎn)移特性曲線可以得到導(dǎo)電因子KN〔或KP〕，根據(jù)飽和薩氏方程可知：

即有：

所以KN即為轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率。整理ppt1.3.1MOS管的電特性—直流電阻MOS管的直流導(dǎo)通電阻定義：MOS管的直流導(dǎo)通電阻是指漏源電壓與漏源電流之比。飽和區(qū)：線性區(qū)：深線性區(qū)：整理ppt1.3.1MOS管的電特性—跨導(dǎo)〔1〕飽和區(qū)MOS管的跨導(dǎo)工作在飽和區(qū)的MOS管可等效為一壓控電流源，故可用跨導(dǎo)gm來表示MOS管的電壓轉(zhuǎn)變電流的能力跨導(dǎo)越大那么表示該MOS管越靈敏，在同樣的過驅(qū)動(dòng)電壓〔VGS－Vth〕下能引起更大的電流根據(jù)定義，跨導(dǎo)為漏源電壓一定時(shí)，漏極電流隨柵源電壓的變化率，即：

飽和區(qū)跨導(dǎo)的倒數(shù)形式上與深線性區(qū)的導(dǎo)通電阻Ron相同

整理ppt1.3.1MOS管的電特性—跨導(dǎo)〔2〕討論：在KN〔KP〕為常數(shù)〔W/L為常數(shù)〕時(shí)，跨導(dǎo)與VOV成正比，或與漏極電流ID的平方根成正比。假設(shè)漏極電流ID恒定時(shí)，那么跨導(dǎo)與過驅(qū)動(dòng)電壓成反比，而與KN的平方根成正比。提高跨導(dǎo)方法：增大KN〔增大寬長(zhǎng)比，增大Cox等〕增大ID來實(shí)現(xiàn)以增大寬長(zhǎng)比為最有效。整理ppt1.3.1MOS管的電特性—跨導(dǎo)〔3〕討論(續(xù))雙極型三極管的跨導(dǎo)為：兩種跨導(dǎo)相比可得到如下結(jié)論：對(duì)于雙極型，當(dāng)IC確定后，gm就與幾何形狀無關(guān)，MOS管除了可通過IDS調(diào)節(jié)跨導(dǎo)外，gm還與幾何尺寸有關(guān)；雙極型三極管的跨導(dǎo)與電流成正比，而MOS管的跨導(dǎo)與成正比，所以在同樣工作電流情況下，MOS管的跨導(dǎo)要比雙極型三極管的跨導(dǎo)小。整理ppt1.3.1MOS管的電特性—導(dǎo)納飽和區(qū)MOS管的導(dǎo)納對(duì)于MOS管的交流小信號(hào)工作還引入了導(dǎo)納的概念，導(dǎo)納定義為：當(dāng)柵源電壓與襯底電壓為一常數(shù)時(shí)的漏極電流與漏源電壓之比，即可表示為：整理ppt1.3.1MOS管的電特性—最高轉(zhuǎn)換頻率〔1〕MOS管的最高轉(zhuǎn)換頻率兩種定義共源電流增益〔〕幅度下降到單位1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率〔角頻率〕；當(dāng)柵源間輸入交流信號(hào)時(shí)，由源極增加〔減小〕流入的電子流，一局部通過溝道對(duì)電容充〔放〕電，一局部經(jīng)過溝道流向漏極，形成漏源電流的增量，當(dāng)變化的電流全部用于對(duì)溝道電容充放電時(shí)，MOS管就失去了放大能力，因此MOS管的最高轉(zhuǎn)換頻率定義為：對(duì)柵輸入電容的充放電電流和漏源交流電流值相等時(shí)所對(duì)應(yīng)的工作頻率。整理ppt1.3.1MOS管的電特性—最高轉(zhuǎn)換頻率〔2〕忽略寄生電容：C表示柵極輸入電容，該電容正比于WLCox

。MOS管的最高轉(zhuǎn)換頻率與溝道長(zhǎng)度的平方成反比，因此，減小MOS管的溝道長(zhǎng)度就能很顯著地提高工作頻率

。頻率：fT=ωT/2π整理ppt1.3.1MOS管的電特性—最高轉(zhuǎn)換頻率〔3〕轉(zhuǎn)換頻率是不能夠精確預(yù)計(jì)器件所能工作的最高頻率的。在高頻條件下，“集總〞MOS管模型的許多假設(shè)都變得無效了。集總模型對(duì)于工作頻率不大于ωT/10時(shí)是有效的。在共源放大器中會(huì)介紹一種有效的頻率定義。在高頻情況下，器件模型變得更有挑戰(zhàn)性，需考慮幅員中器件及其連接所產(chǎn)生的許多效應(yīng)。整理ppt品質(zhì)因子〔FOM〕希望MOS管能提供：大的gm同時(shí)只消耗較少的電流大的gm同時(shí)只有較小的Cgs為了量化MOS管的性能，可以定義以下的“品質(zhì)因子〞：gm/ID與gm/Cgs對(duì)于長(zhǎng)溝道MOS管，那么有：以上兩因子反映了相互之間的折中關(guān)系。整理ppt二階效應(yīng)

二階效應(yīng)在現(xiàn)代模擬集成電路的設(shè)計(jì)中是不能忽略的，主要的二階效應(yīng)有：MOS管的襯底效應(yīng)溝道調(diào)制效應(yīng)亞閾值導(dǎo)通溫度效應(yīng)整理ppt襯底偏置效應(yīng)〔體效應(yīng)〕在前面的分析中：沒有考慮襯底電位對(duì)MOS管性能的影響假設(shè)所有器件的襯底都與源端相連，即VBS＝0但在實(shí)際的模擬集成電路中，由于MOS器件制作在同一襯底上，就不可能把所有的MOS管的源極與公共襯底相接，即VBS≠0例如：在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中NMOS管的源極電位有時(shí)就會(huì)高于襯底電位〔仍能保證源極與漏極與襯底間保持為反偏，使器件正常工作〕整理ppt襯底偏置效應(yīng)〔體效應(yīng)〕根據(jù)閾值電壓的定義及MOS管的工作原理可知，MOS管要形成溝道必須先中和其耗盡層的電荷，假設(shè)VS＝VD＞VB，當(dāng)0＜VGB＜Vth時(shí)那么在柵下面產(chǎn)生了耗盡但沒產(chǎn)生反型層，保持MOS管的三端電壓不變，而降低襯底電壓VB，那么VGB增大，更多的空穴被排斥到襯底，而留下了更多的負(fù)電荷，從而使其耗盡區(qū)變得更寬，即當(dāng)VB下降、Qb上升時(shí)，Vth也會(huì)增大。這種由于VBS不為0而引起閾值電壓的變化的效應(yīng)就稱為“襯底效應(yīng)〞，也稱為“背柵效應(yīng)〞。整理ppt襯底偏置效應(yīng)〔體效應(yīng)〕在考慮襯底效應(yīng)時(shí)，其耗盡層的電荷密度變化為：把上式代入閾值電壓的表達(dá)式，可得其閾值電壓為：其中Vth0是在無體效應(yīng)時(shí)的閾值電壓；稱為體效應(yīng)因子，γ的大小由襯底濃度與柵氧厚度決定，其典型值在0.3到0.4V1/2。整理ppt襯底偏置效應(yīng)〔體效應(yīng)〕對(duì)于PMOS管，考慮體效應(yīng)后的閾值電壓為：

對(duì)于襯底效應(yīng)說明其襯底勢(shì)能Vsub不需改變：如果其源電壓相對(duì)于Vsub發(fā)生了改變，會(huì)發(fā)生同樣的現(xiàn)象。整理ppt襯底偏置效應(yīng)〔體效應(yīng)〕例：整理ppt襯底偏置效應(yīng)〔體效應(yīng)〕由于襯底電位會(huì)影響閾值電壓，進(jìn)而影響MOS管的過驅(qū)動(dòng)電壓，所以襯底可以視為MOS管的第二個(gè)柵〔常稱背柵〕。因此為了衡量體效應(yīng)對(duì)MOS管的I/V的影響，定義一襯底跨導(dǎo)襯底跨導(dǎo)：在源漏電壓與柵源電壓為常量時(shí)漏極電流隨襯底電壓的變化關(guān)系：整理ppt襯底偏置效應(yīng)〔體效應(yīng)〕那么襯底電位對(duì)漏極電流的影響可用一個(gè)電流源gmbVBS表示。在飽和區(qū)，gmb能被表示成整理ppt襯底偏置效應(yīng)〔體效應(yīng)〕而根據(jù)閾值電壓與VBS之間的關(guān)系可得：

因此有：

式中η=gmb/gm

，gmb正比于γ。注意gmVGS與gmbVBS具有相同極性，即提高襯底電位與提高柵壓具有同等的效果。整理ppt溝道調(diào)制效應(yīng)

在分析器件的工作原理時(shí)已提到：在飽和時(shí)溝道會(huì)發(fā)生夾斷，且夾斷點(diǎn)的位置隨柵漏之間的電壓差的增加而往源極移動(dòng)，即有效溝道長(zhǎng)度L’實(shí)際上是VDS的函數(shù)。這種由于柵源電壓變化引起溝道有效長(zhǎng)度改變的效應(yīng)稱為“溝道調(diào)制效應(yīng)〞。記，，λ稱為溝道調(diào)制系數(shù)，當(dāng)ΔL遠(yuǎn)小于L時(shí)有：整理ppt溝道調(diào)制效應(yīng)在飽和區(qū)時(shí)，其漏極電流為調(diào)制系數(shù)為：而ΔL為：λ的大小與溝道長(zhǎng)度及襯底濃度有關(guān)，ND上升那么λ下降?？紤]溝道調(diào)制效應(yīng)的I/V曲線如以下圖所示。整理ppt溝道調(diào)制效應(yīng)由上圖可以看出：實(shí)際的I/V曲線在飽和時(shí)并非是一平行的直線，而是具有一定斜率的斜線。所有斜線反方向延長(zhǎng)與水平軸VDS間有同一交叉點(diǎn)，該點(diǎn)的電壓稱為厄萊電壓VA。因此在源漏之間是一個(gè)非理想的電流源。參數(shù)λ反映了溝道調(diào)制的深度，且溝道越短，λ越大，說明溝道調(diào)制越明顯。λ與VA的關(guān)系為：λ＝1/VA。整理ppt溝道調(diào)制效應(yīng)考慮溝道調(diào)制效應(yīng)后MOS管的在飽和區(qū)的跨導(dǎo)gm為：所以溝道調(diào)制效應(yīng)改變了MOS管的I/V特性，進(jìn)而改變了跨導(dǎo)。從形式上看，其與VOV的關(guān)系還是一致的。

整理ppt溝道調(diào)制效應(yīng)不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)，MOS管工作于飽和區(qū)時(shí)的漏源之間的交流電阻為無窮大，是一理想的電流源?？紤]溝道調(diào)制效應(yīng)后，由于漏電流隨漏源電壓變化而變化，其值為一有限值。這個(gè)電流源的電流值與其電壓成線性關(guān)系，可以等效為一個(gè)連接在漏源之間的電阻，該電阻其實(shí)VDS有關(guān)，沒有精確解，但可近似表示為：

整理ppt溝道調(diào)制效應(yīng)一般ro也稱為MOS管的輸出阻抗，它會(huì)限制大局部放大器的最大電壓增益，影響模擬電路的性能。對(duì)于一個(gè)給定的柵源電壓，一個(gè)較大的溝道長(zhǎng)度L可以提供一個(gè)更理想的電流源，同時(shí)降低了器件的電流能力。因此，為了保證其電流值，應(yīng)同比例增加W的值。注：以上各式的推導(dǎo)是基于條件：ΔL遠(yuǎn)小于L〔即長(zhǎng)溝道〕而得到的，此時(shí)才有的近似線性關(guān)系，而對(duì)于短溝道器件那么上述條件不成立，它會(huì)導(dǎo)致飽和ID/VDS特性曲線的斜率可變。整理ppt亞閾值效應(yīng)

亞閾值效應(yīng)又稱為弱反型效應(yīng)前面分析MOS管的工作狀態(tài)時(shí)，采用了強(qiáng)反型近似，即假定當(dāng)MOS管的VGS大于Vth時(shí)，外表產(chǎn)生反型，溝道立即形成，而當(dāng)MOS管的VGS小于Vth時(shí)，器件就會(huì)突然截止。整理ppt亞閾值效應(yīng)但MOS管的實(shí)際工作狀態(tài)應(yīng)用弱反型模型，即當(dāng)VGS略小于Vth時(shí)，MOS管已開始導(dǎo)通，仍會(huì)產(chǎn)生一個(gè)弱反型層，從而會(huì)產(chǎn)生由漏流向源的電流，稱為亞閾值導(dǎo)通，而且ID與VGS呈指數(shù)關(guān)系：其中ξ>1是一非理想的因子；ID0為特征電流：，m為工藝因子，因此ID0與工藝有關(guān)；而VT稱為熱電壓：。整理ppt亞閾值效應(yīng)亞閾值工作特點(diǎn)：在亞閾值區(qū)的漏極電流與柵源電壓之間呈指數(shù)關(guān)系，這與雙極型晶體管相似。亞閾值區(qū)的跨導(dǎo)為：由于ξ>1，所以gm<ID/VT，即相同電流MOS管最大跨導(dǎo)比雙極型晶體管〔IC/VT〕小。整理ppt亞閾值效應(yīng)對(duì)于飽和區(qū)的MOS管，提高跨導(dǎo)增大W而保持ID不變，但I(xiàn)D保持不變的條件是降低VOV，進(jìn)而進(jìn)入亞閾值工作狀態(tài)時(shí)跨導(dǎo)最大。所以為了得到亞閾值區(qū)的MOS管的大的跨導(dǎo)，其工作速度受限〔大的器件尺寸引入了大的寄生電容〕。整理ppt溫度效應(yīng)

溫度效應(yīng)對(duì)MOS管的性能的影響主要表達(dá)在閾值電壓Vth與載流子遷移率隨溫度的變化。閾值電壓Vth隨溫度的變化：以NMOS管為例，閾值電壓表達(dá)式兩邊對(duì)溫度T求導(dǎo)可以得到：整理ppt溫度效應(yīng)上式的值小于零，即閾值電壓隨溫度上升而下降。對(duì)于PMOS管那么dVth/dT總為正值，即閾值電壓隨溫度的上升而增大。整理ppt溫度效應(yīng)載流子遷移率隨溫度的變化實(shí)驗(yàn)說明，對(duì)于MOS管，如果其外表電場(chǎng)小于105V/cm，那么溝道中電子與空穴的有效遷移率近似為常數(shù)，并約為半導(dǎo)體體內(nèi)遷移率的一半。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，在器件工作的正常溫度范圍內(nèi)，遷移率與溫度近似成反比關(guān)系。整理ppt溫度效應(yīng)漏源電流IDS隨溫度的變化根據(jù)以上的分析，溫度的變化會(huì)引起閾值電壓與遷移率的變化，進(jìn)而影響其漏源電流。由薩氏公式兩邊對(duì)T求導(dǎo)得：

整理ppt溫度效應(yīng)那么有：

由于溫度的變化對(duì)閾值電壓與遷移率的影響正好是反向的，漏源電流IDS隨溫度的變化取決于這兩項(xiàng)的綜合，因此，MOS管的電性能的溫度穩(wěn)定性比雙極型的晶體管好。整理pptMOS管的小信號(hào)模型整理pptMOS管交流小信號(hào)模型---低頻小信號(hào)是指對(duì)偏置的影響非常小的信號(hào)。由于在很多模擬電路中，MOS管被偏置在飽和區(qū)，所以主要推導(dǎo)出在飽和區(qū)的小信號(hào)模型。在飽和區(qū)時(shí)MOS管的漏極電流是柵源電壓的函數(shù)，即為一個(gè)壓控電流源，電流值為gmVGS，且由于柵源之間的低頻阻抗很高，因此可得到一個(gè)理想的MOS管的小信號(hào)模型，如下圖。整理pptMOS管交流小信號(hào)模型---低頻(a)(b)整理pptMOS管交流小信號(hào)模型---低頻其中〔a〕為理想的小信號(hào)模型。實(shí)際的模擬集成電路中MOS管存在著二階效應(yīng)，而由于溝道調(diào)制效應(yīng)等效于漏源之間的電阻ro；而襯底偏置效應(yīng)那么表達(dá)為背柵效應(yīng)，即可用漏源之間的等效壓控電流源gmbVBS表示，因此MOS管在飽和時(shí)的小信號(hào)等效模型如圖(b)所示。上圖所示的等效電路是最根本的，根據(jù)MOS管在電路中不同的接法可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化。整理pptMOS管交流小信號(hào)模型---高頻在高頻應(yīng)用時(shí)，MOS管的分布電容就不能忽略。即在考慮高頻交流小信號(hào)工作時(shí)必須考慮MOS管的分布電容對(duì)電路性的影響。所以MOS管的高頻小信號(hào)等效電路可以在其低頻小信號(hào)等效電路的根底上參加MOS管的級(jí)間電容實(shí)現(xiàn)，如下圖。整理pptMOS管交流小信號(hào)模型---高頻整理pptMOS管交流小信號(hào)模型---高頻不同工作狀態(tài)〔截止、飽和、線性〕時(shí)MOS管的分布電容值不同，因此假設(shè)進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算比較困難，但可以通過軟件模擬進(jìn)行分析。另外，在高頻電路中必須注意其工作頻率受MOS管的最高工作頻率的限制〔即電路的工作頻率如高于MOS管的最高工作頻率時(shí)，電路不能正常工作〕。整理pptCMOS中的有源電阻整理ppt有源電阻

MOS管的適當(dāng)連接使其工作在一定狀態(tài)〔飽和區(qū)或是線性區(qū)〕，利用其直流電阻與交流電阻可以作為電路中的電阻元件使用。MOS二極管作電阻MOS二極管是指把MOS晶體管的柵極與漏極相互短接構(gòu)成二端器件，如下圖。整理ppt有源電阻MOS二極管的柵極與漏極具有同的電位，MOS管總是工作在飽和區(qū)，根據(jù)飽和薩氏方程可知其轉(zhuǎn)移特性曲線〔漏極電流－柵源電壓間的關(guān)系曲線〕如以下圖所示。NMOS

PMOS整理ppt