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1、CMOS模拟集成电路分析与设计教材及参考书o教材： n吴建辉编著：“CMOS模拟集成电路分析与设计 ”(第二版)，电子工业出版社。o参考书： nRazavi B: Design of analog CMOS integrated circuits nAllen P E: CMOS Analog Circuit Design nR.Jacob Baker: CMOS Mixed-Signal Circuit Design引言o 模拟电路与模拟集成电路o Why CMOS？o 先进工艺下模拟集成电路的挑战？半导体材料(衬底)有源器件特性第一讲基本MOS器件物理本章主要内容n本章是CMOS模拟集成电
2、路设计的基础，主要内容为：1、有源器件：n主要从MOS晶体管的基本结构出发，分析其阈值电压及基本特性（输入输出特性、转移特性等）； n介绍MOS管的寄生电容； n讲解MOS管的主要的二次效应，进而得出其低频小信号等效模型和高频小信号等效模型； n介绍有源电阻的结构与特点。 2、无源器件：n模拟集成电路中常用的电阻、电容的结构及其特点。 3、等比例缩小理论 4、短沟道效应及狭沟道效应 5、MOS器件模型1、有源器件主要内容：o几何结构o工作原理oMOS管的寄生电容o电学特性oMOS管主要的二次效应o低频小信号等效模型o高频小信号等效模型o有源电阻有源器件MOS管o结构与几何参数（1）o结构与几何
3、参数（2）：n 在栅氧下的衬底区域为器件的有效工作区（即MOS管的沟道）。n MOS管的两个有源区（源区与漏区）在制作时是几何对称的：o一般根据电荷的输入与输出来定义源区与漏区：n 源端被定义为输出电荷（若为NMOS器件则为电子）的端口；n 而漏端则为收集电荷的端口。o当该器件三端的电压发生改变时，源区与漏区就可能改变作用而相互交换定义。n 在模拟IC中还要考虑衬底（B）的影响，衬底电位一般是通过一欧姆p区（NMOS的衬底）以及n区(PMOS衬底)实现连接的，所以在模拟集成电路中对于MOS晶体管而言，是一四端口器件。 有源器件MOS管o结构与几何参数（3）：n 注意：在数字集成电路设计，由于源
4、/漏区的结二极管必须为反偏，NMOS晶体管的衬底必须连接到系统的最低电位，而PMOS晶体管的衬底（即为n阱）必须连接到系统的最高电位，即在数字集成电路中MOS晶体管可看成三端口器件。n 对于单阱工艺而言，如n阱工艺，所有的NMOS管具有相同的衬底电位，而对于PMOS管而言可以有一个独立的n阱，则可以接不同的阱电位，即其衬底电位可以不同。n 现在很多的CMOS工艺线采用了双阱工艺，即把NMOS管与PMOS管都制作在各自的阱内：NMOS管在p阱内，PMOS管在n阱内；因此，对于每一个NMOS管与PMOS管都可以有各自的衬底电位。 有源器件MOS管o结构与几何参数（4）：n沟道长度L：o由于CMOS
5、工艺的自对准的特点，其沟道长度定义为漏源之间栅的尺寸，一般其最小尺寸即为制造工艺中所给的特征尺寸；o由于在制造漏/源结时会发生边缘扩散，所以源漏之间的实 际距离（称之为有效长度L）略小于长度L，则有L L2d，其中L是漏源之间的总长度，d是边缘扩散的长度。n沟道宽度W：垂直于沟道长度方向的栅的尺寸。n栅氧厚度tox：则为栅极与衬底之间的二氧化硅的厚度。有源器件MOS管oMOS管的工作原理及表示符号（1）：nMOS管可分为增强型与耗尽型两类：o增强型是指在栅源电压VGS为0时没有导电沟道，而必须依靠栅源电压的作用，才能形成感生沟道的 MOS晶体管；o耗尽型是指即使在栅源电压VGS为0时MOS晶体
6、管也存在导电沟道。n这两类MOS管的基本工作原理一致，都是利用栅源电压的大小来改变半导体表面感生电荷的 多少，从而控制漏极电流的大小 。有源器件MOS管oMOS管的工作原理及表示符号（2）：n 当栅源电压VGS=0时，源区（n型）、衬底（p型）和漏区（n型 ）形成两个背靠背的PN结，不管VDS的极性如何，其中总有一个PN 结是反偏的，所以源漏之间的电阻主要为PN结的反偏电阻，基本上 无电流流过，即漏电流ID为0，此时漏源之间的电阻很大，没有形成导电沟道。 n 当栅源之间加上正向电压，则栅极和p型硅片之间构成了以二氧化硅为介质的平板电容器，在正的栅源电压作用下，介质中便产生了一个 垂直于半导体表
7、面的由栅极指向p型衬底的电场（由于绝缘层很薄， 即使只有几伏的栅源电压VGS，也可产生高达105106V/cm数量级的强电场），这个电场排斥空穴而吸引电子，因此，使栅极附近的 p型衬底中的空穴被排斥，留下不能移动的受主离子（负离子），形 成耗尽层，同时p型衬底中的少子（电子）被吸引到衬底表面。有源器件MOS管oMOS管的工作原理及表示符号（3）：n 当正的栅源电压达到一定数值时，这些电子在栅极附近的p型硅表 面便形成了一个n型薄层，通常把这个在p型硅表面形成的n型薄层 称为反型层，这个反型层实际上就构成了源极和漏极间的n型导电沟道。由于它是栅源正电压感应产生的，所以也称感生沟道。显然 ，栅源电
8、压VGS正得愈多，则作用于半导体表面的电场就愈强，吸 引到p型硅表面的电子就愈多，感生沟道（反型层）将愈厚，沟道电阻将愈小。 n 感生沟道形成后，原来被p型衬底隔开的两个n型区（源区和漏区）就通过感生沟道连在一起了。因此，在正的漏极电压作用下，将 产生漏极电流ID。一般把在漏源电压作用下开始导电时的栅源电压 叫做开启电压Vth。 n 注意：与双极型晶体管相比，一个MOS器件即使在无电流流过时也可能是开通的。 有源器件MOS管oMOS管的工作原理及表示符号（4）：n 当VGSVth时，外加较小的VDS，ID将随VDS上升迅速增大，此时为线性区，但由于沟道存在电位梯度，因此沟道厚度是不均匀的。n
9、当VDS增大到一定数值（例如VGD=VGS，VDS=Vth），靠近漏端被 夹断，VDS继续增加，将形成一夹断区，且夹断点向源极靠近，沟 道被夹断后，VDS上升时，其增加的电压基本上加在沟道厚度为零 的耗尽区上，而沟道两端的电压保持不变，所以ID趋于饱和而不再 增加。另外，当VGS增加时，由于沟道电阻的减小，饱和漏极电流 会相应增大。在模拟电路集成电路中饱和区是MOS管的主要工作区。n 若VDS大于击穿电压BVDS（二极管的反向击穿电压），漏极与衬底 之间的PN结发生反向击穿，ID将急剧增加，进入雪崩区，此时漏极电流不经过沟道，而直接由漏极流入衬底。有源器件MOS管MOS管的工作原理及表示符号（
10、5）有源器件MOS管MOS管的高频小信号电容oMOS管的电容（1） oMOS管的电容（2）：n 栅与沟道之间的栅氧电容oC2=WLCox，其中Cox为单位面积栅氧电容ox/tox；n 沟道耗尽层电容：o n 交叠电容（多晶栅覆盖源漏区所形成的电容，每单位宽度的 交叠电容记为Col）：o包括栅源交叠电容C1WdCol与栅漏交叠电容C4=WdCol ：由于是环状的电场线， C1与C4不能简单地写成WdCox，需通过更复杂的计算才能得到，且它的值与衬底偏置有 关。MOS管的高频小信号电容oMOS管的电容（3）：n 源漏区与衬底间的结电容：Cbd、Cbso即为漏源对衬底的PN结势垒电容，这种电容一般由
11、两部分组成：一个 是垂直方向（即源漏区的底部与衬底间）的底层电容Cj，另一个是横向 即源漏的四周与衬底间构成的圆周电容Cjs，因为不同三极管的几何尺 寸会产生不同的源漏区面积和圆周尺寸值，一般分别定义Cj与Cjs为单 位面积的电容与单位长度的电容。而每一个单位面积PN结的势垒电容为：Cj0：PN结在零偏时单位底面积结电容（与衬底浓度有关）VR：通过PN结的反偏电压B ：漏源区与衬底间PN结接触势垒差（一般取0.8V）m：底面电容的梯度因子，一般取介于0.3与0.4间的系数。 MOS管的高频小信号电容oMOS管的电容（4）：n源漏的总结电容可表示为：H：源、漏区的长度W：源、漏区的宽度。n因此在
12、总的宽长比相同的情况下，采用并联结构， 即H不变，而每一管的宽为原来的几分之一，则由 上式可以发现并联结构的MOS管的结电容比原结构小 。MOS管的高频小信号电容MOS管的电容随栅源电压的变化 MOS管的电容随栅源电压的变化截止区o漏源之间不存在沟道，则有：n 栅源、栅漏之间的电容为：CGD=CGS=ColW；n 栅与衬底间的电容为栅氧电容与耗尽区电容之间的串联：CGB=(WLCox)Cd/(WLCox+ Cd)，L为沟道的有效长度在截止时，耗尽区电容较大，故可忽略，因此 CGB=WLCox。nCSB与CDB的值相对于衬底是源漏间电压的函数 MOS管的电容随栅源电压的变化饱和区 o栅漏电容大约
13、为：WCol。o漏端夹断，沟道长度缩短，从沟道电荷分布相当于 CGS增大，CGD减小，栅与沟道间的电位差从源区的 VGS下降到夹断点的VGS-Vth，导致了在栅氧下的沟道内的垂直电场的不一致。可以证明这种结构栅源的 过覆盖电容的等效电容为：2 WLCox /3o因此有：CGS=2WLCox/3+ WCol MOS管的电容随栅源电压的变化线性区o漏源之间产生反型层并且沟道与衬底之间形成较厚的 耗尽层，产生较小的耗尽层电容，此时栅极电容为：CGD = CGS = WLCox /2+ WCol o因为S和D具有几乎相等的电压，且栅电压变化V就会使相同的电荷从源区流向漏区，则其栅与沟道间的 电容WLC
14、ox等于栅源及栅漏间的电容。MOS管的电容随栅源电压的变化总结o注意：o在不同区域之间的转变不能由方程直接提供，只是根据趋势延伸而得 。o当工作在三极管区与饱和区时，栅与衬底间的电容常被忽略，这是由于反型层 在栅与衬底间起着屏蔽作用，也就是说如果栅压发生了改变，电荷的提供主要经 由源与漏而不是衬底 。MOS管的电特性主要指：o阈值电压oI/V特性o输入输出转移特性o跨导等电特性 MOS管的电特性 阈值电压（NMOS）o 在漏源电压的作用下刚开始有电流产生时的VG为阈值电压Vth ：MS：指多晶硅栅与硅衬底间的接触电势差称为费米势，其中q是电子电荷Nsub：衬底的掺杂浓度Qb：耗尽区的电荷密度，
15、其值为 ，其中 是硅的介电常数Cox：单位面积的栅氧电容， ， Qss：氧化层中单位面积的正电荷VFB：平带电压，VFB MOS管的电特性 阈值电压o 同理PMOS管的阈值电压可表示为：o 注意：n器件的阈值电压主要通过改变衬底掺杂浓度、衬底表面浓度或改变氧 化层中的电荷密度来调整，对于增强型MOS管，适当增加衬底浓度 ，减小氧化层中的正电荷即可使其阈值大于0；而氧化层中的正电荷 较大或衬底浓度太小都可形成耗尽型NMOS 。n实际上，用以上方程求出的“内在”阈值在电路设计过程中可能不适用，在实际设计过程中，常通过改变多晶与硅之间的接触电势即：在沟 道中注入杂质，或通过对多晶硅掺杂金属的方法来调
16、整阈值电压。比 如：若在p型衬底中掺杂三价离子形成一层薄的p区，为了实现耗尽，其栅电压必须提高，从而提高了阈值电压。MOS管的电特性输出特性（I/V特性） oMOS晶体管的输出电流电压特性的经典描述是萨氏方程。o 忽略二次效应，对于NMOS管导通时的萨氏方程为：VGSVth：MOS管的“过驱动电压”L：指沟道的有效长度W/L称为宽长比，称为NMOS管的导电因子oID的值取决于工艺参数：nCox、器件尺寸W和L、VDS及VGS。 MOS管的电特性输出特性（I/V特性）o 截止区：VGSVth，ID0；o 线性区：VDSVGSVth，漏极电流即为萨氏方程。 o 深三极管区：VDS1是一非理想的因子；ID0为特征电流：，m为工艺因子，因此ID0与工艺有关；而VT称为热电压： 。亚阈值效应亚阈值工作特点：o 在亚阈值区的漏极电流与栅源电压之间呈指数关系，这 与双极型晶体管相似。o 亚阈值区的跨导为：
