MOS器件物理.ppt

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1、教材及参考书教材及参考书o教材：n吴建辉编著：“CMOS模拟集成电路分析与设模拟集成电路分析与设计计”(第二版第二版)，电子工业出版社。o参考书：nRazavi B: Design of analog CMOS integrated circuitsnAllen P E: CMOS Analog Circuit DesignnR.Jacob Baker: CMOS Mixed-Signal Circuit Design引言引言o 模拟电路与模拟集成电路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？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

2、第一讲基本基本MOS器件物理器件物理本章主要内容本章主要内容n本章是本章是CMOS模拟集成电路设计的基础，主要内容为：模拟集成电路设计的基础，主要内容为：1、有源器件：、有源器件：n主要从主要从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）；性（输入输出特性、转移特性等）；n介绍介绍MOS管的寄生电容；管的寄生电容；n讲解讲解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；型和高频小信号等效模型；n介绍有源电阻的结构与特点。介绍有源电阻的结构与

3、特点。2、无源器件：、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。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、等比例缩小理论4、短沟道效应及狭沟道效应、短沟道效应及狭沟道效应5、MOS器件模型器件模型1、有源器件、有源器件主要内容：主要内容：o几何结构几何结构o工作原理工作原理oMOS管的寄生电容管的寄生电容o电学特性电学特性oMOS管主要的二次效应管主要的二次效应o低频小信号等效模型低频小信号等效模型o高频小信号等效模型高频小信号等效模型o有源电阻有源电阻有源器件有源器件MOS管管o结构与几何参数（结构与几何参数（1）o结构与几何参数（结构与几何参数（2）

4、：）：n 在栅氧下的衬底区域为器件的有效工作区（即在栅氧下的衬底区域为器件的有效工作区（即MOS管的沟道）。管的沟道）。n MOS管的两个有源区（管的两个有源区（源区与漏区）源区与漏区）在制作时是在制作时是几何对称的：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：一般根据电荷的输入与输出来定义源区与漏区：n 源端源端被定义为被定义为输出输出电荷（若为电荷（若为NMOS器件则为电子）的端口；器件则为电子）的端口；n 而而漏端漏端则为则为收集收集电荷的端口。电荷的端口。o当该器件三端的电压发生改变时，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源区与漏区就可能改变作用而相互交换

5、定义而相互交换定义。n 在模拟在模拟IC中还要考虑中还要考虑衬底（衬底（B）的影响，衬底电位一般是通过一欧的影响，衬底电位一般是通过一欧姆姆p区（区（NMOS的衬底）以及的衬底）以及n区区(PMOS衬底衬底)实现连接的，所实现连接的，所以在模拟集成电路中对于以在模拟集成电路中对于MOS晶体管而言，是一四端口器件。晶体管而言，是一四端口器件。 有源器件有源器件MOS管管o结构与几何参数（结构与几何参数（3）：）：n 注意：在数字集成电路设计，由于源注意：在数字集成电路设计，由于源/漏区的结二极管必须为反偏，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，而晶体管的衬底必须

6、连接到系统的最低电位，而PMOS晶体管晶体管的衬底（即为的衬底（即为n阱）必须连接到系统的最高电位，即在数字集成电阱）必须连接到系统的最高电位，即在数字集成电路中路中MOS晶体管可看成晶体管可看成三端口器件三端口器件。n 对于单阱工艺而言，如对于单阱工艺而言，如n阱工艺，所有的阱工艺，所有的NMOS管具有相同的衬底管具有相同的衬底电位，而对于电位，而对于PMOS管而言可以有一个独立的管而言可以有一个独立的n阱，则可以接不同阱，则可以接不同的阱电位，即其衬底电位可以不同。的阱电位，即其衬底电位可以不同。n 现在很多的现在很多的CMOS工艺线采用了双阱工艺，即把工艺线采用了双阱工艺，即把NMOS管

7、与管与PMOS管都制作在各自的阱内：管都制作在各自的阱内：NMOS管在管在p阱内，阱内，PMOS管在管在n阱内；因此，对于每一个阱内；因此，对于每一个NMOS管与管与PMOS管都可以有各自的衬底管都可以有各自的衬底电位。电位。 有源器件有源器件MOS管管o结构与几何参数（结构与几何参数（4）：）：n沟道长度沟道长度L：o由于由于CMOS工艺的自对准的特点，其沟道长度定义为漏源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；尺寸；o由于在制造漏由于在制造漏/源结时会发生边缘扩散，所以源漏之间的实

8、源结时会发生边缘扩散，所以源漏之间的实际距离（称之为有效长度际距离（称之为有效长度L）略小于长度）略小于长度L，则有，则有L L2d，其中，其中L是漏源之间的总长度，是漏源之间的总长度，d是边缘扩散的长度。是边缘扩散的长度。n沟道宽度沟道宽度W：垂直于沟道长度方向的栅的尺寸。垂直于沟道长度方向的栅的尺寸。n栅氧厚度栅氧厚度tox：则为栅极与衬底之间的二氧化硅的厚度。则为栅极与衬底之间的二氧化硅的厚度。有源器件有源器件MOS管管oMOS管的工作原理及表示符号（管的工作原理及表示符号（1）：）：nMOS管可分为管可分为增强型与耗尽型增强型与耗尽型两类：两类：o增强型是指在栅源电压增强型是指在栅源电

9、压VGS为为0时没有导电沟道，而时没有导电沟道，而必须依靠栅源电压的作用，才能形成感生沟道的必须依靠栅源电压的作用，才能形成感生沟道的MOS晶体管；晶体管；o耗尽型是指即使在栅源电压耗尽型是指即使在栅源电压VGS为为0时时MOS晶体管晶体管也存在导电沟道。也存在导电沟道。n这两类这两类MOS管的基本工作原理一致，都是利用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多少，从而控制漏极电流的大小 。有源器件有源器件MOS管管oMOS管的管的工作原理工作原理及表示符号（及表示符号（2）：）：n 当栅源电压当

10、栅源电压VGS=0时，源区（时，源区（n型）、衬底（型）、衬底（p型）和漏区（型）和漏区（n型）型）形成两个背靠背的形成两个背靠背的PN结，不管结，不管VDS的极性如何，其中总有一个的极性如何，其中总有一个PN结结是反偏的，所以源漏之间的电阻主要为是反偏的，所以源漏之间的电阻主要为PN结的反偏电阻，基本上无结的反偏电阻，基本上无电流流过，即漏电流电流流过，即漏电流ID为为0，此时漏源之间的电阻很大，没有形成导，此时漏源之间的电阻很大，没有形成导电沟道。电沟道。n 当栅源之间加上正向电压，则栅极和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型硅片之间构成了以二氧化硅为介质的平板电

11、容器，在正的栅源电压作用下，介质中便产生了一个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面的由栅极指向垂直于半导体表面的由栅极指向p型衬底的电场（由于绝缘层很薄，型衬底的电场（由于绝缘层很薄，即使只有几伏的栅源电压即使只有几伏的栅源电压VGS，也可产生高达，也可产生高达105106V/cm数量数量级的强电场），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，同时成耗尽层，同时p型

12、衬底中的少子（电子）被吸引到衬底表面。型衬底中的少子（电子）被吸引到衬底表面。有源器件有源器件MOS管管oMOS管的管的工作原理工作原理及表示符号（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型硅表型硅表面便形成了一个面便形成了一个n型薄层，通常把这个在型薄层，通常把这个在p型硅表面形成的型硅表面形成的n型薄层型薄层称为反型层，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，沟道。由于它是栅源正电压

13、感应产生的，所以也称感生沟道。显然，栅源电压栅源电压VGS正得愈多，则作用于半导体表面的电场就愈强，吸引正得愈多，则作用于半导体表面的电场就愈强，吸引到到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。阻将愈小。n 感生沟道形成后，原来被感生沟道形成后，原来被p型衬底隔开的两个型衬底隔开的两个n型区（源区和漏区）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。一般把在

14、漏源电压作用下开始导电时的栅源电压叫做开启电压做开启电压Vth。n 注意：注意：与双极型晶体管相比，一个与双极型晶体管相比，一个MOS器件即使在无电流流过时器件即使在无电流流过时也可能是开通的也可能是开通的。 有源器件有源器件MOS管管oMOS管的管的工作原理工作原理及表示符号（及表示符号（4）：）：n 当当VGSVth时，外加较小的时，外加较小的VDS，ID将随将随VDS上升迅速增大，此时上升迅速增大，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。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 当当VDS增大到一定数值（例如增大到一定数值（例如VGD=VGS，V

15、DS=Vth），靠近漏端被），靠近漏端被夹断，夹断，VDS继续增加，将形成一夹断区，且夹断点向源极靠近，沟继续增加，将形成一夹断区，且夹断点向源极靠近，沟道被夹断后，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趋于饱和而不再趋于饱和而不再增加。另外，当增加。另外，当VGS增加时，由于沟道电阻的减小，饱和漏极电流增加时，由于沟道电阻的减小，饱和漏极电流会相应增大。会相应增大。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MOS管的主要工作管的

16、主要工作区区。n 若若VDS大于击穿电压大于击穿电压BVDS（二极管的反向击穿电压），漏极与衬底（二极管的反向击穿电压），漏极与衬底之间的之间的PN结发生反向击穿，结发生反向击穿，ID将急剧增加，进入雪崩区，此时漏将急剧增加，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。极电流不经过沟道，而直接由漏极流入衬底。有源器件有源器件MOS管管MOS管的工作原理及管的工作原理及表示符号表示符号（5）有源器件有源器件MOS管管MOS管的高频小信号电容管的高频小信号电容oMOS管的电容（管的电容（1） oMOS管的电容（管的电容（2）：）：n 栅与沟道之间的栅与沟道之间的栅氧电容栅氧电容oC2

17、=WLCox，其中，其中Cox为单位面积栅氧电容为单位面积栅氧电容ox/tox；n 沟道沟道耗尽层电容耗尽层电容：on 交叠电容交叠电容（多晶栅覆盖源漏区所形成的电容，每单位宽度的（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交叠电容记为Col）：）：o包括栅源交叠电容包括栅源交叠电容C1WdCol与栅漏交叠电容与栅漏交叠电容C4=WdCol：由于是环状的电场线，由于是环状的电场线， C1与与C4不能简单地写成不能简单地写成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。需通过更复杂的计算才能得到，且它的值与衬底偏置有关。FsubsiNqWLC43MOS管的高频小信号

18、电容管的高频小信号电容oMOS管的电容（管的电容（3）：）：n 源漏区与衬底间的源漏区与衬底间的结电容：结电容：Cbd、Cbso即为漏源对衬底的即为漏源对衬底的PN结势垒电容，这种电容一般由两部分组成：一个结势垒电容，这种电容一般由两部分组成：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，另一个是横向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Cjs，因为不同三极管的几何尺，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

19、与Cjs为单为单位面积的电容与单位长度的电容。而每一个单位面积位面积的电容与单位长度的电容。而每一个单位面积PN结的势垒电容结的势垒电容为：为： Cj0：PN结在零偏时单位底面积结电容（与衬底浓度有关）结在零偏时单位底面积结电容（与衬底浓度有关）VR：通过通过PN结的反偏电压结的反偏电压B ：漏源区与衬底间：漏源区与衬底间PN结接触势垒差（一般取结接触势垒差（一般取0.8V）m：底面电容的梯度因子，一般取介于：底面电容的梯度因子，一般取介于0.3与与0.4间的系数。间的系数。 mBRjjVCC10MOS管的高频小信号电容管的高频小信号电容oMOS管的电容（管的电容（4）：）：n源漏的源漏的总结

20、电容总结电容可表示为：可表示为：H：源、漏区的长度：源、漏区的长度W：源、漏区的宽度。：源、漏区的宽度。n因此在总的宽长比相同的情况下，采用并联结构，因此在总的宽长比相同的情况下，采用并联结构，即即H不变，而每一管的宽为原来的几分之一，则由不变，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上式可以发现并联结构的MOS管的结电容比原结管的结电容比原结构小构小 。jsjbsbdCHWWHCC)(,MOS管的高频小信号电容管的高频小信号电容MOS管的电容随栅源电压的变化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管的电容随栅源电压的变化截止区截止区o漏源之间不存在沟道，则有：

21、漏源之间不存在沟道，则有：n 栅源、栅漏之间的电容为：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：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，因此在截止时，耗尽区电容较大，故可忽略，因此CGB=WLCox。n CSB与与CDB的值相对于衬底是源漏间电压的函数的值相对于衬底是源漏间电压的函数 FsubsidNqWLC4MOS管的电容随栅源电压的变化管的电容随栅源电压的变化饱和区饱和区 o栅漏电容大约为：栅漏电容

22、大约为：WCol。o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CGS增大，增大，CGD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VGS下降到夹断点的下降到夹断点的VGS-Vth，导致了在栅氧下的沟，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：过覆盖电容的等效电容为：2 WLCox /3o因此有：因此有：CGS=2WLCox/3+ WCol MOS管的电容随栅源电压的变化管的电容随栅源电压的变化线性区线性区o漏源之间产生反型层并且沟道与衬底

23、之间形成较厚的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：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因为因为S和和D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V就就会使相同的电荷从源区流向漏区，则其栅与沟道间的会使相同的电荷从源区流向漏区，则其栅与沟道间的电容电容WLCox等于栅源及栅漏间的电容。等于栅源及栅漏间的电容。MOS管的电容随栅源电压的变化管的电容随栅源电压的变化总结总结o注意：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在不同区域

24、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由源与漏而不是衬底 。MOS管的电特性管的电特性主要指：主要指：o阈值电压阈值电压oI/V特性特性o输入输出转移特性输入输出转移特性o跨导等电特性跨导等电特性 MOS管的电特性管的电特性 阈值电压（阈值电压（NMOS）o 在漏源电压的作用下刚开始有电

25、流产生时的在漏源电压的作用下刚开始有电流产生时的VG为阈值电压为阈值电压Vth ：MS：指多晶硅栅与硅衬底间的接触电势差：指多晶硅栅与硅衬底间的接触电势差称为费米势，其中称为费米势，其中q是电子电荷是电子电荷Nsub：衬底的掺杂浓度：衬底的掺杂浓度Qb：耗尽区的电荷密度，其值为，其中：耗尽区的电荷密度，其值为，其中是硅的介电常数是硅的介电常数Cox：单位面积的栅氧电容，：单位面积的栅氧电容，Qss：氧化层中单位面积的正电荷：氧化层中单位面积的正电荷VFB：平带电压，：平带电压，VFB FBfoxboxssV2CQCQ2oxbfMSthCQV)ln()(isubfnNqkTsubfsibNqQ4

26、sioxoxnoxtC/0sioxoxssMSCQMOS管的电特性管的电特性 阈值电压阈值电压o 同理同理PMOS管的阈值电压可表示为：管的阈值电压可表示为：o 注意：注意：n器件的阈值电压主要通过改变器件的阈值电压主要通过改变衬底掺杂浓度衬底掺杂浓度、衬底表面浓度衬底表面浓度或或改变氧改变氧化层中的电荷密度化层中的电荷密度来调整，对于增强型来调整，对于增强型MOS管，适当增加衬底浓度，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；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大或衬底浓度太小都可形成耗尽型NMOS

27、。n实际上，用以上方程求出的实际上，用以上方程求出的“内在内在”阈值在电路设计过程中可能不适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：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：在在沟道中注入杂质沟道中注入杂质，或通过，或通过对多晶硅掺杂金属对多晶硅掺杂金属的方法来调整阈值电压。的方法来调整阈值电压。比如：若在比如：若在p型衬底中掺杂三价离子形成一层薄的型衬底中掺杂三价离子形成一层薄的p区，为了实现耗区，为了实现耗尽，其栅电压必须提高，从而提高了阈值电压。尽，其栅电压必须提高，从而提高了阈值电压。FBfoxboxssV2CQCQ2oxb

28、fMSthCQVMOS管的电特性管的电特性输出特性（输出特性（I/V特性）特性） o MOS晶体管的输出电流电压特性的经典描述是萨氏方程。晶体管的输出电流电压特性的经典描述是萨氏方程。o 忽略二次效应忽略二次效应，对于，对于NMOS管导通时的萨氏方程为：管导通时的萨氏方程为：VGSVth：MOS管的管的“过驱动电压过驱动电压”L：指沟道的有效长度：指沟道的有效长度W/L称为宽长比称为宽长比，称为，称为NMOS管的导电因子管的导电因子o ID的值取决于工艺参数：的值取决于工艺参数：nCox、器件尺寸、器件尺寸W和和L、VDS及及VGS。 2GSN2)2(VK 21)(DSDSthDSDSthGS

29、oxnDVVVVVVVLWCILWCKoxnN21MOS管的电特性管的电特性输出特性（输出特性（I/V特性）特性）o 截止区：截止区：VGSVth，ID0；o 线性区：线性区：VDSVGSVth，漏极电流即为萨氏方程。漏极电流即为萨氏方程。o 深三极管区：深三极管区：VDS1是一非理想的因子；是一非理想的因子；ID0为特征电流：为特征电流： ，m为工艺因子，因此为工艺因子，因此ID0与工艺有关；与工艺有关；而而VT称为热电压：称为热电压： 。 exp0TGSDDVVII mCIoxD 210 qkTVT 亚阈值效应亚阈值效应亚阈值工作特点：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

30、呈指数关系，这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。与双极型晶体管相似。o 亚阈值区的跨导为：亚阈值区的跨导为： 由于由于1，所以，所以gmID/VT，即，即MOS管的最大跨管的最大跨导比双极型晶体管（导比双极型晶体管（IC/VT）小。且根据跨导的定义，）小。且根据跨导的定义，ID不变而增大器件宽不变而增大器件宽W可以提高跨导，但可以提高跨导，但ID保持不变的保持不变的条件是必须降低条件是必须降低MOS管的过驱动电压。管的过驱动电压。 TDmVIg 亚阈值效应亚阈值效应o 因此在亚阈值区域，因此在亚阈值区域， 大器件宽度（存在大大器件宽度（存在大的寄生电容）或小的

31、漏极电流的的寄生电容）或小的漏极电流的MOS管具管具有较高的增益。有较高的增益。o 为了得到亚阈值区的为了得到亚阈值区的MOS管的大的跨导，管的大的跨导，其工作速度受限（大的器件尺寸引入了大的其工作速度受限（大的器件尺寸引入了大的寄生电容）。寄生电容）。温度效应温度效应 o 温度效应对温度效应对MOS管的性能的影响主要体现管的性能的影响主要体现在阈值电压在阈值电压Vth与载流子迁移率随温度的变与载流子迁移率随温度的变化。化。o 阈值电压阈值电压Vth随温度的变化：以随温度的变化：以NMOS管为管为例，阈值电压表达式两边对温度例，阈值电压表达式两边对温度T求导可以求导可以得到得到dTdCqNdT

32、ddTdVffOXfSUBsifth 2420 温度效应温度效应o 上式一直为负值，即上式一直为负值，即阈值电压随温度上升而阈值电压随温度上升而下降下降。o 对于对于PMOS管则管则dVth/dT总为正值，即总为正值，即阈阈值电压随温度的上升而增大值电压随温度的上升而增大。 qEqkTTndTdqkTnNqkdTdgfiiSUBf22311lnln0温度效应温度效应载流子迁移率随温度的变化载流子迁移率随温度的变化 o 实验表明，对于实验表明，对于MOS管，如果其表面电场小管，如果其表面电场小于于105V/cm，则沟道中电子与空穴的有效，则沟道中电子与空穴的有效迁移率近似为常数，并约为半导体体内

33、迁移迁移率近似为常数，并约为半导体体内迁移率的一半。率的一半。o 实验还发现，在器件工作的正常温度范围内，实验还发现，在器件工作的正常温度范围内，迁移率与温度近似成反比关系迁移率与温度近似成反比关系。 温度效应温度效应o 漏源电流漏源电流IDS随温度的变化随温度的变化 o 根据以上的分析，温度的变化会引起阈值电压根据以上的分析，温度的变化会引起阈值电压与迁移率的变化，进而影响其漏源电流。由萨与迁移率的变化，进而影响其漏源电流。由萨氏公式两边对氏公式两边对T求导得：求导得：dTdVVVIdTdIdTdIththGSDSnnDSDS)(21 温度效应温度效应o 则有：则有： o 由于温度的变化对阈

34、值电压与迁移率的影响正好是反由于温度的变化对阈值电压与迁移率的影响正好是反向的，漏源电流向的，漏源电流IDS随温度的变化取决于这两项的综随温度的变化取决于这两项的综合，因此，合，因此，MOS管的电性能的温度稳定性比双极型管的电性能的温度稳定性比双极型的晶体管好的晶体管好。)21(dTdVVVTIdTdIththGSDSDS MOS管的小信号模型管的小信号模型MOS管交流小信号模型管交流小信号模型-低频低频o 小信号是指对偏置的影响非常小的信号。小信号是指对偏置的影响非常小的信号。o 由于在很多模拟电路中，由于在很多模拟电路中，MOS管被偏置在饱和区，管被偏置在饱和区，所以主要推导出在饱和区的小

35、信号模型。所以主要推导出在饱和区的小信号模型。o 在饱和区时在饱和区时MOS管的漏极电流是栅源电压的函数，管的漏极电流是栅源电压的函数，即为一个压控电流源，电流值为即为一个压控电流源，电流值为gmVGS，且由于，且由于栅源之间的低频阻抗很高，因此可得到一个理想栅源之间的低频阻抗很高，因此可得到一个理想的的MOS管的小信号模型，如图所示。管的小信号模型，如图所示。MOS管交流小信号模型管交流小信号模型-低频低频(a) (b)MOS管交流小信号模型管交流小信号模型-低频低频o其中（其中（a）为理想的小信号模型。）为理想的小信号模型。o实际的模拟集成电路中实际的模拟集成电路中MOS管存在着二阶效应，

36、而管存在着二阶效应，而由于沟道调制效应等效于漏源之间的电阻由于沟道调制效应等效于漏源之间的电阻ro；而衬；而衬底偏置效应则体现为背栅效应，即可用漏源之间的底偏置效应则体现为背栅效应，即可用漏源之间的等效压控电流源等效压控电流源gmbVBS表示，因此表示，因此MOS管在饱和管在饱和时的小信号等效模型如图时的小信号等效模型如图 (b)所示。所示。o上图所示的等效电路是最基本的，根据上图所示的等效电路是最基本的，根据MOS管在电管在电路中不同的接法可以进一步简化。路中不同的接法可以进一步简化。 MOS管交流小信号模型管交流小信号模型-高频高频o 在高频应用时，在高频应用时，MOS管的分布电容就不能管

37、的分布电容就不能忽略。即在考虑高频交流小信号工作时必须忽略。即在考虑高频交流小信号工作时必须考虑考虑MOS管的分布电容对电路性的影响，管的分布电容对电路性的影响，o 所以所以MOS管的高频小信号等效电路可以在管的高频小信号等效电路可以在其低频小信号等效电路的基础上加入其低频小信号等效电路的基础上加入MOS管的级间电容实现，如图所示。管的级间电容实现，如图所示。MOS管交流小信号模型管交流小信号模型-高频高频MOS管交流小信号模型管交流小信号模型-高频高频o不同工作状态（截止、饱和、线性）时不同工作状态（截止、饱和、线性）时MOS管的分布电容值不同，因此若进行详细的计管的分布电容值不同，因此若进

38、行详细的计算比较困难，但可以通过软件模拟进行分析。算比较困难，但可以通过软件模拟进行分析。o另外，在高频电路中必须注意其工作频率受另外，在高频电路中必须注意其工作频率受MOS管的最高工作频率的限制（即电路的工管的最高工作频率的限制（即电路的工作频率如高于作频率如高于MOS管的最高工作频率时，电管的最高工作频率时，电路不能正常工作）。路不能正常工作）。CMOS中的有源电阻中的有源电阻有源电阻有源电阻 oMOS管的适当连接使其工作在一定状态（饱和区或是线性管的适当连接使其工作在一定状态（饱和区或是线性区），利用其直流电阻与交流电阻可以作为电路中的电阻元件区），利用其直流电阻与交流电阻可以作为电路中

39、的电阻元件使用。使用。o1MOS二极管作电阻二极管作电阻 MOS二极管是指把二极管是指把MOS晶体管的栅极与漏极相互短接构晶体管的栅极与漏极相互短接构成二端器件，如图所示。成二端器件，如图所示。 有源电阻有源电阻o 由上图可知，由上图可知，MOS二极管的栅极与漏极具有同的二极管的栅极与漏极具有同的电位，电位，MOS管总是工作在饱和区，根据饱和萨氏管总是工作在饱和区，根据饱和萨氏方程可知其转移特性曲线（漏极电流栅源电压间方程可知其转移特性曲线（漏极电流栅源电压间的关系曲线）如下图所示。的关系曲线）如下图所示。NMOSPMOS有源电阻有源电阻(一一) 直流电阻直流电阻o 此时此时NMOS管的直流电

40、阻为：管的直流电阻为：o PMOS管的直流电阻为：管的直流电阻为：o 由以上两式可以发现：由以上两式可以发现：MOS二极管的直流电阻与器二极管的直流电阻与器件的尺寸相关，并且还取决于件的尺寸相关，并且还取决于VGS的值的值。 2)(thnGSNGSDGSDDSonVVKVIVIVR 2)(thpGSPGSDGSDDSonVVKVIVIVR 有源电阻有源电阻（二）交流电阻（二）交流电阻o 交流电阻可以视为交流电阻可以视为MOS管的输出特性曲线在管的输出特性曲线在VDSVGS时的斜率，对于理想的情况，即忽时的斜率，对于理想的情况，即忽略沟道调制效应时，其值为无穷大。略沟道调制效应时，其值为无穷大。

41、o 考虑沟道调制效应时，交流电阻是一有限值，考虑沟道调制效应时，交流电阻是一有限值，但远大于在该工作点上的直流电阻，且其值但远大于在该工作点上的直流电阻，且其值基本恒定。基本恒定。有源电阻有源电阻1）忽略衬底偏置效应）忽略衬底偏置效应o 首先根据饱和萨氏方程，可得到其电压与电首先根据饱和萨氏方程，可得到其电压与电流特性：流特性：o 则有：则有： o 上式说明当流过三极管的电流确定后，上式说明当流过三极管的电流确定后，MOS管的二端压降仅与几何尺寸有关管的二端压降仅与几何尺寸有关 。2)(thGSNDVVKI NIthDSGSKVVVVD 有源电阻有源电阻o 再根据再根据MOS二极管的低频小信号

42、模型，有：二极管的低频小信号模型，有：V1V和和IV/rogmV。所以小信号工作时。所以小信号工作时MOS二极管可近二极管可近似为一个两端电阻，其值为：似为一个两端电阻，其值为： 由上式可以看出：由上式可以看出：o 二极管连接的二极管连接的MOS管的交流电阻等于其跨导的倒数，管的交流电阻等于其跨导的倒数，且为一非线性电阻。且为一非线性电阻。o 但由于在模拟电路中一般交流信号幅度较小，因此，但由于在模拟电路中一般交流信号幅度较小，因此，在直流工作点确定后，可以认为其值为一恒定值。在直流工作点确定后，可以认为其值为一恒定值。 momgrgIV1)1(/ 有源电阻有源电阻2）考虑衬底偏置效应）考虑衬

43、底偏置效应o 如果考虑体效应，如下图（如果考虑体效应，如下图（a）所示，由于衬底接地电）所示，由于衬底接地电位，则有：位，则有：V1V，VbsV，其等效电路如下图，其等效电路如下图（b）所示。）所示。（a) (b)有源电阻有源电阻o 根据根据KCL定理，由上图（定理，由上图（b）可以得到：）可以得到： o 所以此时的等效电阻为：所以此时的等效电阻为： o 上式即为考虑了衬底偏置效应与沟道调制效应的小信上式即为考虑了衬底偏置效应与沟道调制效应的小信号电阻，由上式可知：在考虑衬底效应后，从号电阻，由上式可知：在考虑衬底效应后，从M1的的源端看其阻抗降低了。源端看其阻抗降低了。 )(IrVVggom

44、bm mbmombmombmggrggrggIV 1111有源电阻有源电阻2MOS管的栅极接固定偏置管的栅极接固定偏置o 根据根据MOS管的栅极所接的固定偏置的大小不管的栅极所接的固定偏置的大小不同，同，MOS管可工作于饱和区与三极管区。管可工作于饱和区与三极管区。o 在实际应用中，根据输出端不同，又可分为在实际应用中，根据输出端不同，又可分为漏输出与源输出两类工作方式。漏输出与源输出两类工作方式。 有源电阻有源电阻1）漏输出，源极交流接地）漏输出，源极交流接地oVGS是固定的，当是固定的，当MOS管的漏源电压大于栅极的管的漏源电压大于栅极的过驱动电压时，过驱动电压时，MOS管工作于饱和区，忽

45、略沟道管工作于饱和区，忽略沟道调制效应时，其阻值为无穷大，但实际阻值应考调制效应时，其阻值为无穷大，但实际阻值应考虑沟道调制效应，可用饱和萨氏方程求出：虑沟道调制效应，可用饱和萨氏方程求出： DoIr 1 有源电阻有源电阻o 而当漏源电压小于栅极过驱动电压时，而当漏源电压小于栅极过驱动电压时，MOS管工作于三极管区，此时的等效输管工作于三极管区，此时的等效输出电阻为：出电阻为：)(21thGSNoVVKr 有源电阻有源电阻2）源输出，漏极交流接地）源输出，漏极交流接地o此时栅源电压随输出电压变化，当此时栅源电压随输出电压变化，当MOS管工作于饱和区时，管工作于饱和区时，其输出电阻为其输出电阻为

46、1/gm；而当；而当MOS管工作于三极管区时，其输管工作于三极管区时，其输出电阻值为：出电阻值为：式中的式中的gm为器件跨导，而为器件跨导，而gd则为器件导纳。且有：则为器件导纳。且有： o所以此时的输出电阻值较小。所以此时的输出电阻值较小。dmoggr 1DSNmVKg2 DSNthGSNdIKVVKg2)(2 有源电阻有源电阻o 总之，当总之，当MOS管在电路中作有源电阻时，管在电路中作有源电阻时，一般栅接固定电位（接漏是一种特例），这一般栅接固定电位（接漏是一种特例），这时根据栅电压大小来判定时根据栅电压大小来判定MOS管的工作区管的工作区域（饱和区与三极管区），另外，输出的端域（饱和区与三极管区），另外，输出的端口是源端或是漏端，其呈现的阻抗也不同。口是源端或是漏端，其呈现的阻抗也不同。