CMOS模拟集成电路分析与设计.pptx

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1、会计学1CMOS模拟集成电路分析模拟集成电路分析(fnx)与设计与设计PPT课件课件第一页，共96页。教材教材(jioci)及参考书及参考书n n教材：教材：n n吴建辉编著：吴建辉编著：“CMOS模拟集成电模拟集成电路路(jchng-dinl)分析与设计分析与设计”(第二版第二版)，电子工业出版社。，电子工业出版社。n n参考书：参考书：n nRazavi B:Design of analog CMOS integrated circuitsn nAllen P E:CMOS Analog Circuit Designn nR.Jacob Baker:CMOS Mixed-Signal Ci

2、rcuit Design第1页/共96页第二页，共96页。引言引言引言引言(y(y nyn)nyn)n n模拟模拟(mn)电路与模拟电路与模拟(mn)集成电路集成电路n nCMOS工艺？工艺？n n先进工艺下模拟先进工艺下模拟(mn)集成电集成电路的挑战？路的挑战？n n课程主题与学习目标课程主题与学习目标第2页/共96页第三页，共96页。模拟电路模拟电路(dinl)与模拟集成电与模拟集成电路路(dinl)模拟电路模拟电路模拟集成电路模拟集成电路晶体管数晶体管数追求最少追求最少“不限不限”匹配性匹配性一般不要求一般不要求需很好匹配需很好匹配电阻值电阻值任意值任意值10-100K电容值电容值可以

3、很大可以很大较小较小50pf寄生效应影响寄生效应影响较小较小较大较大分立元件音频放大电路(dinl)集成音频放大电路(dinl)第3页/共96页第四页，共96页。半导体材料半导体材料(cilio)(衬底衬底)有有源器件特性源器件特性IIIIVVBCNAlSiPGa Ge AsInSn SbTlPbBi第4页/共96页第五页，共96页。现代主要现代主要(zhyo)集成电路工艺集成电路工艺性能性能CMOSSi BJTSiGe BJT器件速度器件速度高高高高高高噪声噪声差差好好好好跨导跨导小小大大大大本征增益本征增益小小较大较大大大采用采用CMOS工艺的原因工艺的原因(yunyn)：低功耗，高容量的

4、数字集成电路驱动低功耗，高容量的数字集成电路驱动易于与高密度的数字集成电路集成（易于与高密度的数字集成电路集成（BiCMOS太贵）太贵）第5页/共96页第六页，共96页。先进工艺下模拟先进工艺下模拟(mn)集成电路集成电路的挑战的挑战n nCMOSCMOS工艺的发展以特征尺寸的缩小为显著特征。工艺的发展以特征尺寸的缩小为显著特征。工艺的发展以特征尺寸的缩小为显著特征。工艺的发展以特征尺寸的缩小为显著特征。n n低功耗高性能的数字电路需求是促进低功耗高性能的数字电路需求是促进低功耗高性能的数字电路需求是促进低功耗高性能的数字电路需求是促进CMOSCMOS工艺工艺工艺工艺发展的主要动力发展的主要动

5、力发展的主要动力发展的主要动力(dngl)(dngl)n n先进工艺对模拟电路存在着明显的优势与劣势：先进工艺对模拟电路存在着明显的优势与劣势：先进工艺对模拟电路存在着明显的优势与劣势：先进工艺对模拟电路存在着明显的优势与劣势：n n主要优势：低功耗、高频率主要优势：低功耗、高频率主要优势：低功耗、高频率主要优势：低功耗、高频率n n主要劣势：低摆幅、低本征增益、工艺偏差对电主要劣势：低摆幅、低本征增益、工艺偏差对电主要劣势：低摆幅、低本征增益、工艺偏差对电主要劣势：低摆幅、低本征增益、工艺偏差对电路的显著影响、相互干扰等路的显著影响、相互干扰等路的显著影响、相互干扰等路的显著影响、相互干扰等

6、n n对策：数字辅助等对策：数字辅助等对策：数字辅助等对策：数字辅助等第6页/共96页第七页，共96页。课程课程(kchng)主题主题n nMOS器件物理器件物理n n单级放大器单级放大器n n电流镜电流镜n n差分对差分对n n放大器的频率特性放大器的频率特性n n运算运算(yn sun)放大器与跨导放放大器与跨导放大器大器n n反馈、稳定性及补偿反馈、稳定性及补偿n n电子噪声等电子噪声等第7页/共96页第八页，共96页。学习学习(xux)目标目标n n较深入理解与模拟设计相关的较深入理解与模拟设计相关的较深入理解与模拟设计相关的较深入理解与模拟设计相关的MOSMOS器件特性器件特性器件特

7、性器件特性n n建立模拟电路设计中限制与折中的概念建立模拟电路设计中限制与折中的概念建立模拟电路设计中限制与折中的概念建立模拟电路设计中限制与折中的概念(ginin)(ginin)n n学会构架一座复杂器件模型学会构架一座复杂器件模型学会构架一座复杂器件模型学会构架一座复杂器件模型/行为与基本的手算之间的桥行为与基本的手算之间的桥行为与基本的手算之间的桥行为与基本的手算之间的桥梁梁梁梁n n掌握一种系统的而不是盲目（掌握一种系统的而不是盲目（掌握一种系统的而不是盲目（掌握一种系统的而不是盲目（spice-monkey)spice-monkey)的设计方式的设计方式的设计方式的设计方式n n通过

8、一系列手算设计工程巩固以上知识：通过一系列手算设计工程巩固以上知识：通过一系列手算设计工程巩固以上知识：通过一系列手算设计工程巩固以上知识：n n许多工业电路许多工业电路许多工业电路许多工业电路/应用的一个高性能反馈放大器的设计与优应用的一个高性能反馈放大器的设计与优应用的一个高性能反馈放大器的设计与优应用的一个高性能反馈放大器的设计与优化化化化第8页/共96页第九页，共96页。第一第一(dy)讲讲基本基本(jbn)MOS器器件物理件物理第9页/共96页第十页，共96页。本章本章(bn zhn)主要内主要内容容n n本章是本章是本章是本章是CMOSCMOS模拟集成电路设计的基础，模拟集成电路设

9、计的基础，模拟集成电路设计的基础，模拟集成电路设计的基础，主要内容为：主要内容为：主要内容为：主要内容为：n n有源器件有源器件有源器件有源器件(qjin)(qjin)n n无源器件无源器件无源器件无源器件(qjin)(qjin)n n等比例缩小理论等比例缩小理论等比例缩小理论等比例缩小理论n n短沟道效应及狭沟道效应短沟道效应及狭沟道效应短沟道效应及狭沟道效应短沟道效应及狭沟道效应n nMOSMOS器件器件器件器件(qjin)(qjin)模型模型模型模型第10页/共96页第十一页，共96页。1 1、有源器件、有源器件、有源器件、有源器件(qjin)(qjin)主要主要主要主要(zh(zh y

10、o)yo)内容：内容：内容：内容：1.1 1.1 几何结构与工作原理几何结构与工作原理几何结构与工作原理几何结构与工作原理 1.2 1.2 极间电容极间电容极间电容极间电容 1.3 1.3 电学特性与主要电学特性与主要电学特性与主要电学特性与主要(zh(zh yo)yo)的二次的二次的二次的二次效应效应效应效应 1.4 1.4 低频及高频小信号等效模型低频及高频小信号等效模型低频及高频小信号等效模型低频及高频小信号等效模型 1.5 1.5 有源电阻有源电阻有源电阻有源电阻第11页/共96页第十二页，共96页。1.1 MOS1.1 MOS管几何结构管几何结构管几何结构管几何结构(jigu)(ji

11、gu)与工作原理与工作原理与工作原理与工作原理(1)(1)第12页/共96页第十三页，共96页。n nMOSMOS管是一个四端口器件管是一个四端口器件管是一个四端口器件管是一个四端口器件n n栅极栅极栅极栅极(G)(G)：栅氧下的衬底区域为有效工作区（即：栅氧下的衬底区域为有效工作区（即：栅氧下的衬底区域为有效工作区（即：栅氧下的衬底区域为有效工作区（即MOSMOS管的沟道）。管的沟道）。管的沟道）。管的沟道）。n n源极源极源极源极(S)(S)与漏极与漏极与漏极与漏极(D)(D)：在制作时是几何对称的。：在制作时是几何对称的。：在制作时是几何对称的。：在制作时是几何对称的。n n一般根据电荷

12、一般根据电荷一般根据电荷一般根据电荷(dinh)(dinh)的输入与输出来定义源区与的输入与输出来定义源区与的输入与输出来定义源区与的输入与输出来定义源区与漏区：漏区：漏区：漏区：n n源端被定义为输出电荷源端被定义为输出电荷源端被定义为输出电荷源端被定义为输出电荷(dinh)(dinh)（若为（若为（若为（若为NMOSNMOS器件器件器件器件则为电子）的端口；则为电子）的端口；则为电子）的端口；则为电子）的端口；n n漏端则为收集电荷漏端则为收集电荷漏端则为收集电荷漏端则为收集电荷(dinh)(dinh)的端口。的端口。的端口。的端口。n n当该器件三端的电压发生改变时，源区与漏区就当该器件

13、三端的电压发生改变时，源区与漏区就当该器件三端的电压发生改变时，源区与漏区就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。可能改变作用而相互交换定义。可能改变作用而相互交换定义。可能改变作用而相互交换定义。n n衬底衬底衬底衬底(B)(B)：在模拟：在模拟：在模拟：在模拟ICIC中还要考虑衬底（中还要考虑衬底（中还要考虑衬底（中还要考虑衬底（B B）的影响，）的影响，）的影响，）的影响，衬底电位一般是通过一欧姆衬底电位一般是通过一欧姆衬底电位一般是通过一欧姆衬底电位一般是通过一欧姆p p区（区（区（区（NMOSNMOS的衬底）的衬底）的衬底）的衬底）以及以及以及以及n

14、n区区区区(PMOS(PMOS衬底衬底衬底衬底)实现连接的。实现连接的。实现连接的。实现连接的。1.1 MOS管几何结构与工作管几何结构与工作(gngzu)原原理理(2)第13页/共96页第十四页，共96页。n nMOSMOS管的主要几何尺寸管的主要几何尺寸管的主要几何尺寸管的主要几何尺寸n n沟道长度沟道长度沟道长度沟道长度L L：n nCMOSCMOS工艺的自对准特点，其沟道长度定工艺的自对准特点，其沟道长度定工艺的自对准特点，其沟道长度定工艺的自对准特点，其沟道长度定义义义义(dngy)(dngy)为漏源之间栅的尺寸，一般其最为漏源之间栅的尺寸，一般其最为漏源之间栅的尺寸，一般其最为漏源

15、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；小尺寸即为制造工艺中所给的特征尺寸；小尺寸即为制造工艺中所给的特征尺寸；小尺寸即为制造工艺中所给的特征尺寸；n n由于在制造漏由于在制造漏由于在制造漏由于在制造漏/源结时会发生边缘扩散，所源结时会发生边缘扩散，所源结时会发生边缘扩散，所源结时会发生边缘扩散，所以源漏之间的实际距离（称之为有效长度以源漏之间的实际距离（称之为有效长度以源漏之间的实际距离（称之为有效长度以源漏之间的实际距离（称之为有效长度LL）略小于长度）略小于长度）略小于长度）略小于长度L L，则有，则有，则有，则有LL L L2d2d，其中，其中，其中，其中L L是漏源

16、之间的总长度，是漏源之间的总长度，是漏源之间的总长度，是漏源之间的总长度，d d是边缘扩散的长是边缘扩散的长是边缘扩散的长是边缘扩散的长度。度。度。度。n n沟道宽度沟道宽度沟道宽度沟道宽度WW：垂直于沟道长度方向的栅的：垂直于沟道长度方向的栅的：垂直于沟道长度方向的栅的：垂直于沟道长度方向的栅的尺寸。尺寸。尺寸。尺寸。n n栅氧厚度栅氧厚度栅氧厚度栅氧厚度toxtox：则为栅极与衬底之间的二氧：则为栅极与衬底之间的二氧：则为栅极与衬底之间的二氧：则为栅极与衬底之间的二氧化硅的厚度。化硅的厚度。化硅的厚度。化硅的厚度。1.1 MOS管几何结构与工作管几何结构与工作(gngzu)原理原理(3)第

17、14页/共96页第十五页，共96页。n nMOSMOS管可分为增强型与耗尽型两类：管可分为增强型与耗尽型两类：管可分为增强型与耗尽型两类：管可分为增强型与耗尽型两类：n n增强型是指栅源电压增强型是指栅源电压增强型是指栅源电压增强型是指栅源电压VGSVGS为为为为0 0时没有导电沟道，时没有导电沟道，时没有导电沟道，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。必须依靠栅源电压的作用，才能形成感生沟道。必须依靠栅源电压的作用，才能形成感生沟道。必须依靠栅源电压的作用，才能形成感生沟道。n n耗尽型是指即使在栅源电压耗尽型是指即使在栅源电压耗尽型是指即使在栅源电压耗尽型是指即使在栅源

18、电压VGSVGS为为为为0 0时也存在导时也存在导时也存在导时也存在导电沟道。电沟道。电沟道。电沟道。n n这两类这两类这两类这两类MOSMOS管的基本管的基本管的基本管的基本(jbn)(jbn)工作原理一致，都工作原理一致，都工作原理一致，都工作原理一致，都是利用栅源电压的大小来改变半导体表面感生是利用栅源电压的大小来改变半导体表面感生是利用栅源电压的大小来改变半导体表面感生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电荷的多少，从而控制漏极电流的大小电荷的多少，从而控制漏极电流的大小电荷的多少，从而控制漏极电流的大小 。1.1 MOS管几何管几何(j h)结构

19、与工作原理结构与工作原理(4)第15页/共96页第十六页，共96页。n n以增强型以增强型以增强型以增强型NMOSNMOS管为例：管为例：管为例：管为例：n n截止区：截止区：截止区：截止区：VGS=0VGS=0n n源区、衬底和漏区形成两个源区、衬底和漏区形成两个源区、衬底和漏区形成两个源区、衬底和漏区形成两个(lin)(lin)背靠背的背靠背的背靠背的背靠背的PNPN结，结，结，结，不管不管不管不管VDSVDS的极性如何，其中总有一个的极性如何，其中总有一个的极性如何，其中总有一个的极性如何，其中总有一个PNPN结是反偏的，结是反偏的，结是反偏的，结是反偏的，此时漏源之间的电阻很大。此时漏

20、源之间的电阻很大。此时漏源之间的电阻很大。此时漏源之间的电阻很大。n n没有形成导电沟道，漏电流没有形成导电沟道，漏电流没有形成导电沟道，漏电流没有形成导电沟道，漏电流IDID为为为为0 0。n n亚阈值区：亚阈值区：亚阈值区：亚阈值区：VthVth VGS VGS0 01.1 MOS管几何管几何(j h)结构与工作原理结构与工作原理(5)耗尽层耗尽层第16页/共96页第十七页，共96页。n n线性区：线性区：线性区：线性区：VGS VthVGS Vth且且且且VDS VGS-VthVDS VGS-Vthn n形成反型层形成反型层形成反型层形成反型层(或称为感生沟道或称为感生沟道或称为感生沟道

21、或称为感生沟道)n n感生沟道形成后，在正的漏极电压作用下产生漏极电流感生沟道形成后，在正的漏极电压作用下产生漏极电流感生沟道形成后，在正的漏极电压作用下产生漏极电流感生沟道形成后，在正的漏极电压作用下产生漏极电流IDIDn n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VthVthn n外加较小的外加较小的外加较小的外加较小的VDSVDS，IDID将随将随将随将随VDSVDS上升迅速增大，此时为线性区，但由于沟道存在上升迅

22、速增大，此时为线性区，但由于沟道存在上升迅速增大，此时为线性区，但由于沟道存在上升迅速增大，此时为线性区，但由于沟道存在电位梯度电位梯度电位梯度电位梯度(t d)(t d)，因此沟道厚度是不均匀的，因此沟道厚度是不均匀的，因此沟道厚度是不均匀的，因此沟道厚度是不均匀的n n注意：与双极型晶体管相比，一个注意：与双极型晶体管相比，一个注意：与双极型晶体管相比，一个注意：与双极型晶体管相比，一个MOSMOS器件即使在无电流流过时也可能是开通器件即使在无电流流过时也可能是开通器件即使在无电流流过时也可能是开通器件即使在无电流流过时也可能是开通的。的。的。的。1.1 MOS管几何管几何(j h)结构与

23、工作原理结构与工作原理(6)第17页/共96页第十八页，共96页。n n饱和区：饱和区：饱和区：饱和区：VGS VthVGS Vth且且且且VDS VGS-VthVDS VGS-Vthn n当当当当VDSVDS增大到一定数值（增大到一定数值（增大到一定数值（增大到一定数值（VGD=VthVGD=Vth），靠近漏端被夹断。），靠近漏端被夹断。），靠近漏端被夹断。），靠近漏端被夹断。n nVDSVDS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，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，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，继续增加，将形成一夹

24、断区，且夹断点向源极靠近，沟道被夹断后，VDSVDS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，所以端的电压保持不变，所以端的电压保持不变，所以端的电压保持不变，所以IDID趋于饱和。趋于饱和。趋于饱和。趋于饱和。n n当当当当VGSVGS增加时，由于沟道电阻的减小，饱和漏极电流会相应增大。增加时，由于沟道电阻的减小，饱和漏极电流会相应增大。增加时，由于沟道电阻的减小，饱和漏

25、极电流会相应增大。增加时，由于沟道电阻的减小，饱和漏极电流会相应增大。n n在模拟电路集成电路中饱和区是在模拟电路集成电路中饱和区是在模拟电路集成电路中饱和区是在模拟电路集成电路中饱和区是MOSMOS管的主要工作区管的主要工作区管的主要工作区管的主要工作区n n击穿区：若击穿区：若击穿区：若击穿区：若VDSVDS大于击穿电压大于击穿电压大于击穿电压大于击穿电压BVDSBVDS（二极管的反向击穿电压），漏极与衬（二极管的反向击穿电压），漏极与衬（二极管的反向击穿电压），漏极与衬（二极管的反向击穿电压），漏极与衬底之间的底之间的底之间的底之间的PNPN结发生反向击穿，结发生反向击穿，结发生反向击穿

26、，结发生反向击穿，IDID将急剧增加，进入雪崩区，此时漏极电流将急剧增加，进入雪崩区，此时漏极电流将急剧增加，进入雪崩区，此时漏极电流将急剧增加，进入雪崩区，此时漏极电流不经过不经过不经过不经过(jnggu)(jnggu)沟道，而直接由漏极流入衬底。沟道，而直接由漏极流入衬底。沟道，而直接由漏极流入衬底。沟道，而直接由漏极流入衬底。1.1 MOS管几何结构管几何结构(jigu)与工作原理与工作原理(7)第18页/共96页第十九页，共96页。MOSMOS管的表示管的表示管的表示管的表示(bi(bi osh)osh)符号符号符号符号1.1 MOS管几何管几何(j h)结构与工作原理结构与工作原理(

27、8)第19页/共96页第二十页，共96页。1.2 MOS1.2 MOS管的极间电容管的极间电容管的极间电容管的极间电容(dinrng)(dinrng)（1 1）“本征栅电本征栅电本征栅电本征栅电容容容容(dinrng)”(dinrng)”n n“本征栅电容本征栅电容本征栅电容本征栅电容”：n n本征电容指的是一些不能避免而在器件工本征电容指的是一些不能避免而在器件工本征电容指的是一些不能避免而在器件工本征电容指的是一些不能避免而在器件工作时必需考虑的电容。作时必需考虑的电容。作时必需考虑的电容。作时必需考虑的电容。n n还要注意存在还要注意存在还要注意存在还要注意存在(cnzi)(cnzi)着

28、大量的外在的与工着大量的外在的与工着大量的外在的与工着大量的外在的与工艺相关的电容。艺相关的电容。艺相关的电容。艺相关的电容。n n按不同的工作区讨论本征栅电容：按不同的工作区讨论本征栅电容：按不同的工作区讨论本征栅电容：按不同的工作区讨论本征栅电容：n nMOSMOS管打开：线性区与饱和区管打开：线性区与饱和区管打开：线性区与饱和区管打开：线性区与饱和区n nMOSMOS管管管管“关断关断关断关断”：截止区与亚阈值区：截止区与亚阈值区：截止区与亚阈值区：截止区与亚阈值区第20页/共96页第二十一页，共96页。n n栅极与导电沟道构成一个栅极与导电沟道构成一个栅极与导电沟道构成一个栅极与导电沟

29、道构成一个(y(y )平板电容平板电容平板电容平板电容（栅极（栅极（栅极（栅极+栅氧栅氧栅氧栅氧+沟道），即：沟道），即：沟道），即：沟道），即：CGC=WLOX/tox=WLCOXCGC=WLOX/tox=WLCOXn n可以将之视为集总电容，即：可以将之视为集总电容，即：可以将之视为集总电容，即：可以将之视为集总电容，即：CGS=CGD=CGS=CGD=（1/21/2）CGCCGCn n改变任一电压都将改变沟道电荷改变任一电压都将改变沟道电荷改变任一电压都将改变沟道电荷改变任一电压都将改变沟道电荷n n耗尽型电容耗尽型电容耗尽型电容耗尽型电容CCBCCB（沟道（沟道（沟道（沟道+耗尽层耗尽

30、层耗尽层耗尽层+衬底）形成衬底）形成衬底）形成衬底）形成了源极与漏极到衬底的电容，不过经常忽略。了源极与漏极到衬底的电容，不过经常忽略。了源极与漏极到衬底的电容，不过经常忽略。了源极与漏极到衬底的电容，不过经常忽略。1.2 MOS1.2 MOS管的极间电容管的极间电容管的极间电容管的极间电容(dinrng)(dinrng)（1 1）“本征栅电容本征栅电容本征栅电容本征栅电容(dinrng)”(dinrng)”（ONON）第21页/共96页第二十二页，共96页。n n假设长沟道模型，工作于饱和区时如改变源极电压，假设长沟道模型，工作于饱和区时如改变源极电压，假设长沟道模型，工作于饱和区时如改变源

31、极电压，假设长沟道模型，工作于饱和区时如改变源极电压，则有：则有：则有：则有：n n在漏极端口的栅与沟道的电压差保持不变（在漏极端口的栅与沟道的电压差保持不变（在漏极端口的栅与沟道的电压差保持不变（在漏极端口的栅与沟道的电压差保持不变（VthVth），），），），但源极端口的电压差发生了改变。但源极端口的电压差发生了改变。但源极端口的电压差发生了改变。但源极端口的电压差发生了改变。n n这意味着电容的这意味着电容的这意味着电容的这意味着电容的“底板底板底板底板”不是不是不是不是(b shi)(b shi)均匀改变。均匀改变。均匀改变。均匀改变。n n详细的分析可以得到此时详细的分析可以得到此时

32、详细的分析可以得到此时详细的分析可以得到此时Cgs=Cgs=（2/32/3）WLCOXWLCOXn n假设长沟道模型，工作于饱和区时如改变漏极电压假设长沟道模型，工作于饱和区时如改变漏极电压假设长沟道模型，工作于饱和区时如改变漏极电压假设长沟道模型，工作于饱和区时如改变漏极电压则不会改变沟道电荷，即则不会改变沟道电荷，即则不会改变沟道电荷，即则不会改变沟道电荷，即Cgd=0Cgd=0（忽略二次效应及（忽略二次效应及（忽略二次效应及（忽略二次效应及外部电容）。外部电容）。外部电容）。外部电容）。1.2 MOS1.2 MOS管的极间电容管的极间电容管的极间电容管的极间电容(dinrng)(dinr

33、ng)（1 1）“本征栅本征栅本征栅本征栅电容电容电容电容(dinrng)”(dinrng)”（ONON）第22页/共96页第二十三页，共96页。n n不存在导电沟道：不存在导电沟道：不存在导电沟道：不存在导电沟道：n n栅到衬底间的电容等效为栅氧电容与耗栅到衬底间的电容等效为栅氧电容与耗栅到衬底间的电容等效为栅氧电容与耗栅到衬底间的电容等效为栅氧电容与耗尽尽尽尽(ho jn)(ho jn)电容的串联。电容的串联。电容的串联。电容的串联。n n如果栅电压为负，则耗尽如果栅电压为负，则耗尽如果栅电压为负，则耗尽如果栅电压为负，则耗尽(ho jn)(ho jn)层变薄，层变薄，层变薄，层变薄，栅与

34、衬底间电容增大。栅与衬底间电容增大。栅与衬底间电容增大。栅与衬底间电容增大。n n对于大的负偏置，则电容接近于对于大的负偏置，则电容接近于对于大的负偏置，则电容接近于对于大的负偏置，则电容接近于CGCCGC。1.2 MOS1.2 MOS管的极间电容管的极间电容管的极间电容管的极间电容(dinrng)(dinrng)（1 1）“本征栅电本征栅电本征栅电本征栅电容容容容(dinrng)”(dinrng)”（OFFOFF）第23页/共96页第二十四页，共96页。1.2 MOS MOS管的极间电容管的极间电容管的极间电容管的极间电容(1)(1)第24页/共96页第二十五页，共96页。n n栅与沟道之间

35、的栅氧电容：栅与沟道之间的栅氧电容：栅与沟道之间的栅氧电容：栅与沟道之间的栅氧电容：n nC2=WLCoxC2=WLCox，其中，其中，其中，其中CoxCox为单位面积栅氧电容为单位面积栅氧电容为单位面积栅氧电容为单位面积栅氧电容ox/toxox/tox；n n沟道耗尽层电容：沟道耗尽层电容：沟道耗尽层电容：沟道耗尽层电容：n nn n交叠交叠交叠交叠(jio di)(jio di)电容（多晶栅覆盖源漏区所形成的电容，电容（多晶栅覆盖源漏区所形成的电容，电容（多晶栅覆盖源漏区所形成的电容，电容（多晶栅覆盖源漏区所形成的电容，每单位宽度的交叠每单位宽度的交叠每单位宽度的交叠每单位宽度的交叠(ji

36、o di)(jio di)电容记为电容记为电容记为电容记为ColCol）：）：）：）：n n栅源交叠栅源交叠栅源交叠栅源交叠(jio di)(jio di)电容电容电容电容C1C1WColWColn n栅漏交叠栅漏交叠栅漏交叠栅漏交叠(jio di)(jio di)电容电容电容电容C4=WColC4=WColn n注：由于是环状的电场线，注：由于是环状的电场线，注：由于是环状的电场线，注：由于是环状的电场线，C1 C1与与与与C4C4不能简单地写成不能简单地写成不能简单地写成不能简单地写成WdCoxWdCox，需通过更复杂的计算才能得到，且它的值与衬底，需通过更复杂的计算才能得到，且它的值与衬

37、底，需通过更复杂的计算才能得到，且它的值与衬底，需通过更复杂的计算才能得到，且它的值与衬底偏置有关。偏置有关。偏置有关。偏置有关。1.2 MOS管的极间电容管的极间电容(2)第25页/共96页第二十六页，共96页。n n源漏区与衬底间的结电容：源漏区与衬底间的结电容：源漏区与衬底间的结电容：源漏区与衬底间的结电容：CbdCbd、CbsCbsn n漏源对衬底的漏源对衬底的漏源对衬底的漏源对衬底的PNPN结势垒电容结势垒电容结势垒电容结势垒电容n n一般由两部分组成：一般由两部分组成：一般由两部分组成：一般由两部分组成：n n垂直方向（即源漏区的底部与衬底间）的底层电容垂直方向（即源漏区的底部与衬

38、底间）的底层电容垂直方向（即源漏区的底部与衬底间）的底层电容垂直方向（即源漏区的底部与衬底间）的底层电容CjCjn n横向横向横向横向(hn(hn xin xin)即源漏的四周与衬底间构成的圆周电容即源漏的四周与衬底间构成的圆周电容即源漏的四周与衬底间构成的圆周电容即源漏的四周与衬底间构成的圆周电容CjsCjsn n一般分别定义一般分别定义一般分别定义一般分别定义CjCj与与与与CjsCjs为单位面积的电容与单位长度的电容。而每一为单位面积的电容与单位长度的电容。而每一为单位面积的电容与单位长度的电容。而每一为单位面积的电容与单位长度的电容。而每一个单位面积个单位面积个单位面积个单位面积PNP

39、N结的势垒电容为：结的势垒电容为：结的势垒电容为：结的势垒电容为：n n Cj0 Cj0：零偏时单位面积结电容（与衬底浓度有关）；：零偏时单位面积结电容（与衬底浓度有关）；：零偏时单位面积结电容（与衬底浓度有关）；：零偏时单位面积结电容（与衬底浓度有关）；VRVR：通过通过通过通过PNPN结的反偏电压；结的反偏电压；结的反偏电压；结的反偏电压；n n B B：PNPN结接触势垒差（一般取结接触势垒差（一般取结接触势垒差（一般取结接触势垒差（一般取0.8V0.8V）；）；）；）；mm：底面电容的梯：底面电容的梯：底面电容的梯：底面电容的梯度因子度因子度因子度因子(0.30.4)(0.30.4)。

40、n n源漏的总结电容可表示为：源漏的总结电容可表示为：源漏的总结电容可表示为：源漏的总结电容可表示为：n nn n n n H H：源、漏区的长度；：源、漏区的长度；：源、漏区的长度；：源、漏区的长度；W W：源、漏区的宽度：源、漏区的宽度：源、漏区的宽度：源、漏区的宽度n n总的宽长比相同的情况下，采用并联结构，即总的宽长比相同的情况下，采用并联结构，即总的宽长比相同的情况下，采用并联结构，即总的宽长比相同的情况下，采用并联结构，即HH不变，而每一管的宽不变，而每一管的宽不变，而每一管的宽不变，而每一管的宽为原来的几分之一，则并联结构的为原来的几分之一，则并联结构的为原来的几分之一，则并联结

41、构的为原来的几分之一，则并联结构的MOSMOS管的结电容比原结构小管的结电容比原结构小管的结电容比原结构小管的结电容比原结构小 。1.2 MOS管的极间电容管的极间电容(3)第26页/共96页第二十七页，共96页。1.2 MOS管的极间电容管的极间电容(4)MOS管的极间电容：管的极间电容：第27页/共96页第二十八页，共96页。1.21.2 MOS MOS管的极间电容管的极间电容管的极间电容管的极间电容(5)(5)n n不同工作区的极间电容不同工作区的极间电容不同工作区的极间电容不同工作区的极间电容n n截止区：漏源之间不存在沟道截止区：漏源之间不存在沟道截止区：漏源之间不存在沟道截止区：漏

42、源之间不存在沟道n n栅源、栅漏之间的电容为：栅源、栅漏之间的电容为：栅源、栅漏之间的电容为：栅源、栅漏之间的电容为：n n CGD=CGS=ColW CGD=CGS=ColWn n栅与衬底间的电容为栅氧电容与耗尽区电容之栅与衬底间的电容为栅氧电容与耗尽区电容之栅与衬底间的电容为栅氧电容与耗尽区电容之栅与衬底间的电容为栅氧电容与耗尽区电容之间的串联：间的串联：间的串联：间的串联：n n CGB=(WLCox)Cd/(WLCox+CGB=(WLCox)Cd/(WLCox+Cd)Cd)n n L L为沟道的有效长度为沟道的有效长度为沟道的有效长度为沟道的有效长度n nn n 在截止时，耗尽区电容较

43、大，故可忽略，因在截止时，耗尽区电容较大，故可忽略，因在截止时，耗尽区电容较大，故可忽略，因在截止时，耗尽区电容较大，故可忽略，因此：此：此：此：n n CGB=WLCox CGB=WLCoxn nCSBCSB与与与与CDBCDB的值相对于衬底是源漏间电压的值相对于衬底是源漏间电压的值相对于衬底是源漏间电压的值相对于衬底是源漏间电压(diny)(diny)的函数的函数的函数的函数 第28页/共96页第二十九页，共96页。1.2 MOS管的极间电容管的极间电容(6)n n不同工作区的极间电容不同工作区的极间电容不同工作区的极间电容不同工作区的极间电容n n饱和区饱和区饱和区饱和区n n栅漏电容大

44、约为：栅漏电容大约为：栅漏电容大约为：栅漏电容大约为：WColWColn n漏端夹断，沟道长度缩短，从沟道电荷分布相当于漏端夹断，沟道长度缩短，从沟道电荷分布相当于漏端夹断，沟道长度缩短，从沟道电荷分布相当于漏端夹断，沟道长度缩短，从沟道电荷分布相当于CGSCGS增增增增大，大，大，大，CGDCGD减小，栅与沟道间的电位差从源区的减小，栅与沟道间的电位差从源区的减小，栅与沟道间的电位差从源区的减小，栅与沟道间的电位差从源区的VGSVGS下降下降下降下降到夹断点的到夹断点的到夹断点的到夹断点的VGS-VthVGS-Vth，导致了在栅氧下的沟道内的垂直电，导致了在栅氧下的沟道内的垂直电，导致了在栅

45、氧下的沟道内的垂直电，导致了在栅氧下的沟道内的垂直电场的不一致。可以证明这种结构除了过覆盖电容之外的场的不一致。可以证明这种结构除了过覆盖电容之外的场的不一致。可以证明这种结构除了过覆盖电容之外的场的不一致。可以证明这种结构除了过覆盖电容之外的电容值电容值电容值电容值 ：n n 2 WLCox/3 2 WLCox/3n n因此有：因此有：因此有：因此有：n n CGS=2WLCox/3+WCol CGS=2WLCox/3+WCol n n当当当当MOSMOS管工作饱和区时，栅与衬底间的电容常被忽略，管工作饱和区时，栅与衬底间的电容常被忽略，管工作饱和区时，栅与衬底间的电容常被忽略，管工作饱和区

46、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，也就是说这是由于反型层在栅与衬底间起着屏蔽作用，也就是说这是由于反型层在栅与衬底间起着屏蔽作用，也就是说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，导电电荷的提供如果栅压发生了改变，导电电荷的提供如果栅压发生了改变，导电电荷的提供如果栅压发生了改变，导电电荷的提供(tgng)(tgng)主要由主要由主要由主要由源极提供源极提供源极提供源极提供(tgng)(tgng)而流向漏，而不是由衬底提供而流向漏，而不是由衬底提供而流向漏，而不是由衬底提供而流向漏，而不是由衬底提供(tgng)(tgng)导电荷。导

47、电荷。导电荷。导电荷。第29页/共96页第三十页，共96页。1.21.2 MOS MOS管的极间电容管的极间电容管的极间电容管的极间电容(7)(7)n n不同工作区的极间电容不同工作区的极间电容不同工作区的极间电容不同工作区的极间电容n n线性区线性区线性区线性区n n漏源之间产生反型层并且沟道与衬底之间形成较漏源之间产生反型层并且沟道与衬底之间形成较漏源之间产生反型层并且沟道与衬底之间形成较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，此时栅极厚的耗尽层，产生较小的耗尽层电容，此时栅极厚的耗尽层，产生较小的耗尽层电容，此时栅极厚的耗尽层，产生较小的耗尽层电容，此

48、时栅极电容为：电容为：电容为：电容为：n nCGD=CGS=WLCox/2+WCol CGD=CGS=WLCox/2+WCol n n因为因为因为因为S S和和和和DD具有几乎相等的电压，且栅电压变化具有几乎相等的电压，且栅电压变化具有几乎相等的电压，且栅电压变化具有几乎相等的电压，且栅电压变化VV就会使相同就会使相同就会使相同就会使相同(xin(xin tn tn)的电荷从源区流向漏的电荷从源区流向漏的电荷从源区流向漏的电荷从源区流向漏区，则其栅与沟道间的电容区，则其栅与沟道间的电容区，则其栅与沟道间的电容区，则其栅与沟道间的电容WLCoxWLCox等于栅源及等于栅源及等于栅源及等于栅源及栅

49、漏间的电容。栅漏间的电容。栅漏间的电容。栅漏间的电容。n n与工作于饱和区一样，在线性区时，栅与衬底间与工作于饱和区一样，在线性区时，栅与衬底间与工作于饱和区一样，在线性区时，栅与衬底间与工作于饱和区一样，在线性区时，栅与衬底间的电容常被忽略。的电容常被忽略。的电容常被忽略。的电容常被忽略。第30页/共96页第三十一页，共96页。1.21.2 MOS MOS管的极间电容管的极间电容管的极间电容管的极间电容(8)(8)o注意：注意：o在不同区域之间的转变在不同区域之间的转变(zhunbin)不能由方程直接提供，不能由方程直接提供，只是根据趋势延伸而得只是根据趋势延伸而得。总结总结(zngji)第

50、31页/共96页第三十二页，共96页。1.3 1.3 电特性与主要电特性与主要电特性与主要电特性与主要(zh(zh yo)yo)的二次效应的二次效应的二次效应的二次效应1.3.1 1.3.1 电特性电特性电特性电特性阈值电压阈值电压阈值电压阈值电压I/VI/V特性特性特性特性输入输出转移特性输入输出转移特性输入输出转移特性输入输出转移特性跨导等电特性跨导等电特性跨导等电特性跨导等电特性1.3.2 1.3.2 二次效应二次效应二次效应二次效应MOSMOS管的衬底效应管的衬底效应管的衬底效应管的衬底效应沟道调制沟道调制沟道调制沟道调制(tiozh)(tiozh)效应效应效应效应亚阈值导通亚阈值导通