模拟集成电路设计ch器件物理.pptx

MOS符号1模拟电路中常用符号模拟电路中常用符号数字电路中常用数字电路中常用MOSFET是一个四端器件第1页/共40页2.2 MOS的I/V特性沟道的形成2第2页/共40页3阈值电压VTHNMOS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。在基础分析中，假定在基础分析中，假定V VGSGS大于大于V VTHTH时，器件会突然导通。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。第3页/共40页4MOS器件的3个工作区1.1.截止区截止区 cutoffcutoffVGSVTH第4页/共40页52.2.线性区线性区 triode or linear region triode or linear region MOSFET 处于线性区处于线性区第5页/共40页Derivation of I/V Characteristics6第6页/共40页I/V Characteristics(cont.)7第7页/共40页I/V Characteristics(cont.)8第8页/共40页9深三极管区线性区的线性区的MOSFET等效为一个线性电阻（导通电阻等效为一个线性电阻（导通电阻Ron）第9页/共40页103.3.饱和区饱和区 active or saturation regionactive or saturation region 过驱动电压过驱动电压 Vov 有效电压有效电压Veff 过饱和电压过饱和电压 Vsat一个重要的概念一个重要的概念（VGS-VTH ）第10页/共40页11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变化因此在因此在VGS不变的条件下不变的条件下MOSFET可以等效为可以等效为恒流源恒流源第11页/共40页跨导是小信号跨导是小信号(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对对ID的控制能力。的控制能力。12引入重要的概念引入重要的概念 跨导跨导跨导跨导 g gmmtransconductance利用这个特点可以实现利用这个特点可以实现信号的放大信号的放大如果在栅极上加上信号，则如果在栅极上加上信号，则 饱和区的饱和区的MOSFET可以看作是可以看作是受受VGS控制的电流源控制的电流源第12页/共40页13第13页/共40页14到此为止，我们已经学习了到此为止，我们已经学习了MOSFET的三种用途：的三种用途：开关管开关管恒流源恒流源放大管放大管分别处在什么工作区？分别处在什么工作区？第14页/共40页15怎么判断MOSFET处在什么工作区？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的高低第15页/共40页图中MOS管的作用是什么？应该工作在什么工作区？16思考题第16页/共40页即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17第17页/共40页18第18页/共40页2.3 二级效应体效应 在前面的分析中在前面的分析中，我们未加说明地假定衬底和源我们未加说明地假定衬底和源都都是接地的（是接地的（for NMOSfor NMOS）。实际上）。实际上当当V VB BVVS S时，器件仍时，器件仍能正常工作，但是能正常工作，但是随着随着V VSBSB的的增加增加，阈值电压阈值电压V VTHTH会随之会随之增加增加，这种体电位（相对于源）的变化影响阈值电压的这种体电位（相对于源）的变化影响阈值电压的效应称为效应称为体效应，体效应，也称为也称为“背栅效应背栅效应”。19其中，其中，为体效应系数，为体效应系数，典型值0.3-0.4V1/2第19页/共40页20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。第20页/共40页21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第21页/共40页22沟道长度调制效应当沟道发生夹断后，如果当沟道发生夹断后，如果V VDSDS继续继续增大，有效沟道长度增大，有效沟道长度L L 会随之减小，会随之减小，导致漏源电流导致漏源电流 I ID D 的大小略有上升，饱和区的电流方程需要做如下修正：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！其中其中为沟道长度调制系数为沟道长度调制系数第22页/共40页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ro23第23页/共40页24亚阈值导电性（弱反型）在初步分析在初步分析MOSFETMOSFET的时候，我们假设当的时候，我们假设当V VGS GS V VTHTH时，器件会突然关断，时，器件会突然关断，即即I IDD会立即减小到零；但实际上会立即减小到零；但实际上当当V VGSGS略小于略小于V VTHTH 时，有一个时，有一个“弱弱”的的反型反型层存在，层存在，I IDD大小随大小随V VGSGS下降存在一个下降存在一个“过程过程”，与，与V VGSGS呈呈指数指数关系：关系：第24页/共40页n n栅和沟道之间的栅和沟道之间的栅和沟道之间的栅和沟道之间的氧化层电容氧化层电容氧化层电容氧化层电容C C1 1n n衬底和沟道之间的衬底和沟道之间的衬底和沟道之间的衬底和沟道之间的耗尽层电容耗尽层电容耗尽层电容耗尽层电容C C2 2n n多晶硅栅与源和漏交叠而产生的电容多晶硅栅与源和漏交叠而产生的电容多晶硅栅与源和漏交叠而产生的电容多晶硅栅与源和漏交叠而产生的电容C C3 3、C C4 4，每单位宽度每单位宽度每单位宽度每单位宽度交叠电容交叠电容交叠电容交叠电容用用用用C Covov表示表示表示表示n n源源源源/漏与衬底之间的漏与衬底之间的漏与衬底之间的漏与衬底之间的结电容结电容结电容结电容C C5 5、C C6 62.4 MOS器件电容25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：第25页/共40页26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，在三极管区和饱和区，在三极管区和饱和区，在三极管区和饱和区，C CGBGB通常可以被忽略。通常可以被忽略。通常可以被忽略。通常可以被忽略。在电路分析中我们关心器件在电路分析中我们关心器件在电路分析中我们关心器件在电路分析中我们关心器件各个端口的等效电容各个端口的等效电容各个端口的等效电容各个端口的等效电容：第26页/共40页大信号和小信号模型大信号模型 用于描述器件用于描述器件整体整体的电压的电压-电流关系，通常为电流关系，通常为非线性非线性小信号模型 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“足够足够小小”，则可以用，则可以用线性化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的模型去近似描述器件，这种线性化模型就是小信号模型。模型。27第27页/共40页2.5 MOS小信号模型28第28页/共40页29小信号参数：小信号参数：第29页/共40页30MOS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第30页/共40页31MOS SPICE模型模型精度决定电路仿真精度最简单的模型Level 1，0.5m适于手算第31页/共40页NMOS VS PMOS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32第32页/共40页NMOS管与管与PMOS管工艺参数的比较管工艺参数的比较33第33页/共40页长沟道器件和短沟道器件前面的分析是针对长沟道器件（4m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。34第34页/共40页MOS管用作电容器时35第35页/共40页并联并联串联串联36思考：思考：第36页/共40页注意不要混淆管子的宽W和长L以及串并联关系！WL37倒比管第37页/共40页381.解释什么是小信号跨导，给出饱和区解释什么是小信号跨导，给出饱和区MOSFET小信号跨小信号跨导的三种表达形式导的三种表达形式 复习题：复习题：2.右图中右图中MOSFET的过饱和电压是多少？管子处于什么工的过饱和电压是多少？管子处于什么工作区？作区？第38页/共40页393.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？第39页/共40页40感谢您的观看。第40页/共40页