CMOS模拟集成电路分析与设计.ppt

CMOS模拟集成电路分析与设计教材及参考书引言模拟电路与模拟集成电路半导体材料(衬底)有源器件特性现代主要集成电路工艺先进工艺下模拟集成电路的挑战课程主题学习目标第一讲本章主要内容1、有源器件1.1MOS管几何结构与工作原理(1)MOS管是一个四端口器件栅极(G)：栅氧下的衬底区域为有效工作区（即MOS管的沟道）。源极(S)与漏极(D)：在制作时是几何对称的。一般根据电荷的输入与输出来定义源区与漏区：源端被定义为输出电荷（若为NMOS器件则为电子）的端口；漏端则为收集电荷的端口。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。衬底(B)：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。MOS管的主要几何尺寸沟道长度L：CMOS工艺的自对准特点，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；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’＝L－2d，其中L是漏源之间的总长度，d是边缘扩散的长度。沟道宽度W：垂直于沟道长度方向的栅的尺寸。栅氧厚度tox：则为栅极与衬底之间的二氧化硅的厚度。MOS管可分为增强型与耗尽型两类：增强型是指栅源电压VGS为0时没有导电沟道，必须依靠栅源电压的作用，才能形成感生沟道。耗尽型是指即使在栅源电压VGS为0时也存在导电沟道。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。以增强型NMOS管为例：截止区：VGS=0源区、衬底和漏区形成两个背靠背的PN结，不管VDS的极性如何，其中总有一个PN结是反偏的，此时漏源之间的电阻很大。没有形成导电沟道，漏电流ID为0。亚阈值区：Vth＞VGS＞0线性区：VGS≥Vth且VDS<VGS-Vth形成反型层(或称为感生沟道)感生沟道形成后，在正的漏极电压作用下产生漏极电流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。饱和区：VGS≥Vth且VDS≥VGS-Vth当VDS增大到一定数值（VGD=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。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管的主要工作区击穿区：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。MOS管的表示符号1.2MOS管的极间电容（1）－“本征栅电容”栅极与导电沟道构成一个平板电容（栅极+栅氧+沟道），即：CGC=WLεOX/tox=WLCOX可以将之视为集总电容，即：CGS=CGD=（1/2）CGC改变任一电压都将改变沟道电荷耗尽型电容CCB（沟道+耗尽层+衬底）形成了源极与漏极到衬底的电容，不过经常忽略。假设长沟道模型，工作于饱和区时如改变源极电压，则有：在漏极端口的栅与沟道的电压差保持不变（Vth），但源极端口的电压差发生了改变。这意味着电容的“底板”不是均匀改变。详细的分析可以得到此时Cgs=（2/3）WLCOX假设长沟道模型，工作于饱和区时如改变漏极电压则不会改变沟道电荷，即Cgd=0（忽略二次效应及外部电容）。不存在导电沟道：栅到衬底间的电容等效为栅氧电容与耗尽电容的串联。如果栅电压为负，则耗尽层变薄，栅与衬底间电容增大。对于大的负偏置，则电容接近于CGC。1.2MOS管的极间电容(1)栅与沟道之间的栅氧电容：C2=WLCox，其中Cox为单位面积栅氧电容εox/tox；沟道耗尽层电容：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）：栅源交叠电容C1＝WCol栅漏交叠电容C4=WCol注：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。源漏区与衬底间的结电容：Cbd、Cbs漏源对衬底的PN结势垒电容一般由两部分组成：垂直方向（即源漏区的底部与衬底间）的底层电容Cj横向即源漏的四周与衬底间构成的圆周电容Cjs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：Cj0：零偏时单位面积结电容（与衬底浓度有关）；VR：通过PN