（微电子学与固体电子学专业论文）双通道单刀双掷模拟开关的设计.pdf

摘要 本论文选题来源于公司的一个研发项目，设计的是一款低压、单电源供电的 双通道单刀双掷模拟开关。主要应用于通信系统和便携式电池供电设备中，如音 频视频信号切换、电池供电应用等。 单刀双掷模拟开关电路的设计包括四个模块：m o s 开关电路、驱动电路、缓 冲电路和e s d 保护电路。在m o s 开关的设计上，设计了一款开关时间不同的双 通道m o s 开关，并对传统的衬底偏置进行了改进，更好的满足了设计的要求； 设计了一款高效的开关驱动，该驱动电路能产生两路互补信号控制开关电路的通 断，且实现了先断后通的切换方式；提出了几种缓冲电路的设计方案，有效地消 除了噪声；提出了几种静电保护方案，能有效的防止静电放电对工作电路造成的 损害。 仿真结果表明，本设计实现的芯片开关速度快( t o n ：4 3 n s ；t o w ：3 n s ) ，切 换时间短( 5 n s ) ，电荷注入低( q n o ：3 1 0 c ；q n c ：1 1 0 c ) ，导通电阻低( r n o ： 0 9 1 f l ；r n c ：o 6 5 q ) ，都达到了相应的设计要求。 关键词：模拟开关单刀双掷双通道e s d 保护 a b s t r a c t t h ed e s i g no fl o w - v o l t a g es i n g l e - s u p p l yd u a ls p d ta n a l o gs w i t c hi sp r e s e n t e di n t h i st h e s i sw h i c hc o m e sf r o ma ne n g i n e e r i n gp r a c t i c ep r o j e c t t h ec h i pi sm a i n l y a p p l i e di nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n dp o r t a b l ep r o d u c t s f o re x a m p l e ，a u d i oa n d v i d e os i g n a lr o u t i n g ，b a t t e r y - p o w e r e ds y s t e m sa n ds oo n f o u rm o d u l e sa l ei n c l u d e di nt h es p d ta n a l o gs w i t c h ，f o re x a m p l e ，m o ss w i t c h c i r c u i t ，d r i v e rc i r c u i t ，b u f f e rc i r c u i t ，a n de s dp r o t e c t i o nc i r c u i t t h ed e s i g no fad u a l c h a n n e lm o ss w i t c h ，o n en os w i t c ha n do n en cs w i t c hw i t hd i f f e r e n ts w i t c h i n gt i m e ， i sp r e s e n t e di nt h et h e s i s a n dt h es u b s t r a t eb i a si sd e v e l o p e db a s e do nt h et r a d i t i o n a l m e a n si no r d e rt oa c h i e v et h er e l e v a n td e s i g ni n d e x e s t h e nt h ed e s i g no fah i g h e f f i c i e n c ys w i t c hd r i v e ri sf i n i s h e d t h i sd r i v e rg e n e r a t e sap a i ro fc o m p l e m e n t a r y s i g n a l st od r i v et h em o ss w i t c ha n dm a k e st h eb r e a k - - b e f o r e m a k es w i t c h i n gi s a v a i l a b l e s e v e r a ls c h e m e so fi n p u t o u t p u tb u f f e rd e s i g na l ep u tf o r w a r d ，a n dt h e yc a l l e f f e c t i v e l ye l i m i n a t ei n p u tn o i s e t h e ns e v e r a ls o l u t i o n so ft h ee s dp r o t e c t i o na r e a d v a n c e d , a n dt h ec i r c u i ti sw e l lp r o t e c t e df r o mt h ed a m a g ec a u s e db ye s db y i n s e r t i n ge s dp r o t e c t i o nm o d u l e s b e t w e e np a d s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h er e l e v a n td e s i g ni n d e x e so ft h i sd e v i c eh a v e b e e ns u c c e s s f u l l ya c h i e v e d ，s u c ha sf a s ts w i t c h i n gs p e e d ( t o n ：4 3 n s 、t o f f ：3 n s ) ，s h o r t b r e a k - b e f o r e - m a k ei n t e r v a l ( t d ：5 n s ) ，l o wc h a r g ei n j e c t i o n ( q s o ：310 c ，q n c ：llo c ) ， a n d l o wo n r e s i s t a n c e ( r s o ：0 9 l q ，r n c ：o 6 5 n ) k e y w o r d s ：a n a l o gs w i t c h s p d td u a lc h a n n e le s d 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内 容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：亟殛豸日期趁出! 舅 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属于西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件， 允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名 单位为西安电子科技大学。 本人签名：垒孟蓥 日期：望丝2 。主，罗 导师签名：日期： 第一章绪论 第一章绪论 本选题来源于公司的一个研发项目，具有明确的应用需求背景和工程实用价 值，设计了一款低导通电阻、低压、单电源供电的双通道单刀双掷模拟开关。它 采用t s m c0 3 5 9 mc m o s 工艺进行设计，利用c a d e n c e e d a 的h s p i c e 对电路 进行模拟仿真。在分析m o s 管电学特性和m o s 开关原理的基础上，分析并设计 了m o s 开关电路、驱动电路、静电保护电路和缓冲电路。h s p i c e 仿真结果表明， 该器件具有良好的开关特性：开关速度快( t o n = 4 3 n s 、t o f f = 3 n s ) 、电荷注入i 氐( q n o = 3 1 0 c ，q n c = 11 0 c ) 、切换时间短( t d = 5 n s ) 、导通电阻低( r n o = 0 9 l q ，r n c = 0 6 5 f 2 ) 。它与国产的同类型模拟开关相比，速度更快、导通电阻更低。 1 1 微电子技术发展现状及趋势 自从1 9 4 7 年发明半导体晶体管，1 9 5 8 年第一块半导体集成电路诞生，微电 子技术经过半个世纪的高速发展，向人们显示出微电子无所不在，无所不能。微 电子已成为国民经济和人类不可短缺的“粮食”。 美国半导体协会把半导体技术( 主要是集成电路i c ) 称为美国经济发展的 驱动器。过去3 0 年世界上有多少产品销售价格每年降低3 0 ? 只有一种半 导体。 微电子技术既是基础，又是高科技。进入2 1 世纪，微电子技术仍将飞快地向 前发展。 1 1 1 微电子技术发展水平 自从i c 诞生以来，i c 芯片的发展基本上遵循了i n t e l 公司创始人之一的 g o r d o ne m o o r e1 9 6 5 年预言的摩尔定律。该定律说：芯片上可以容纳的晶体管 数目每1 8 个月便可以增加一倍，芯片集成度1 8 月翻一番。这被视为半导体技术 前进的经验法则。换句话说，工艺技术的进展对i c 集成度的提高起到乘积的效果， 使得每个芯片可以集成的晶体管数目急剧增加，其c a g r ( 累计平均增长率) 达到 了每年5 8 ，即三年四番( 1 5 8 3 = 4 ) 。 1 9 7 8 年时，人们认为光学光刻的极限是1 微米。而发展到2 0 世纪末，人们 认为光刻的极限推进到o 0 5 微米，即5 0 纳米。可以这样说，摩尔定律的尽头就 是光学光刻的尽头。2 0 0 0 年，摩尔博士在回答提问时说，摩尔定律1 0 年不会变， 最高可以突破o 0 3 5 9 m ，即3 5 r i m ，预计到2 0 1 0 年到2 0 1 2 年之间技术会达到成熟。 表1 1 是从1 9 9 5 年到2 0 1 0 年世界超大规模集成电路技术发展趋势。 2 双通道单刀双掷模拟开关的设计 表1 1 超大规模集成电路技术发展趋势( 1 9 9 5 年一2 0 1 0 年) 年份 1 9 9 51 9 9 82 0 0 12 0 0 42 0 0 7 2 0 1 0 最小线宽l l m o 3 5o 2 5o 1 8o 1 30 10 0 7 逻辑晶体管数c m 2 4 1 0 67 1 0 61 3 1 0 62 5 1 0 65 0 1 0 69 0 1 0 6 ( 成本晶体管) 毫美分 1 o 5 0 2o 1o 0 50 0 2 最多互联线层数 4 555 666 77 8 点穴缺陷数m 2 2 4 01 6 01 4 01 2 01 0 02 5 最少掩膜数 1 82 02 02 22 22 4 a s i c 芯片尺寸删n 2 4 5 06 6 07 5 09 0 01 1 0 01 4 0 0 年份 1 9 9 51 9 9 82 0 0 l2 0 0 42 0 0 72 0 1 0 电源电压( 台式机) 3 3 2 51 81 51 2o 9 芯片i o 数9 0 01 3 5 02 0 0 02 6 0 03 6 0 04 8 0 0 从表1 1 看出，预计到2 0 1 0 年最小线宽将达到o 0 7 p , m 。技术代发展为： o 3 5 岬一0 1 8 岬叶o 1 3 i j m - * 0 1 0 岬一0 0 7 9 i n 。 经过几年的实际进展，美国半导体协会( s i a ) 又重新修订了半导体技术发展 规划，从1 9 9 7 年至2 0 1 0 年，对技术代又补充了两代，一是在0 1 8 t t m 和0 1 3 哪 之间加了一代o 1 5 岬，另是在o 0 7 i _ t m 之后又增加了一代o 0 5 岍，基本上都是提 前了一年。 目前集成电路的主流技术为8 英寸0 2 5 1 t m ，而1 2 英寸o 1 8 r t m 技术也已经 成熟，0 1 5 n 、o 1 3 1 a m 产品已经开始投产，正在向0 1 0 1 m a 前进，并且发展速度 总是比预计的还要快。 1 1 2 微电子技术发展方向 2 1 世纪初微电子技术仍将以尺寸不断缩小的硅基c m o s 工艺技术为主流。 随着i c 设计与工艺水平的不断提高，系统集成芯片将称为发展的重点，并且微电 子技术与其他学科的结合将会产生新的技术和新的产业增长点。 主流工艺硅基c o m s 电路硅半导体集成电路的发展。一方面是硅圆片的 尺寸愈来愈大，另一方面是光刻加工线条( 特征尺寸) 愈来愈细。 从硅片尺寸来看，从最初的2 英寸，经过3 英寸、4 英寸、5 英寸、6 英寸发 展到当今主流的8 英寸。据统计，目前世界上有2 5 2 条8 英寸生产线，月产片总 数量高达4 4 0 万片，现在还在继续建线。近几年又在兴建1 2 英寸生产线，硅原片 直径达3 0 0 r a m ，它的面积为8 英寸片( 2 0 0 m m ) 的2 2 5 倍。1 9 9 9 年1 1 月下旬， 有摩托罗拉与i n f i n e o nt e c h c h n o l o g i e s 联合开发的全球首批3 0 0 m m 原片产品面市。 该产品是6 4 m 位d r a m ，采用的是0 2 5 i t m 工艺技术，为标准的t s o p 封装。据 第一章绪论 介绍，3 0 0 m m 圆片与2 0 0 m m 圆片相比，每个芯片成本降低了3 0 4 0 。到目 前，已经达到了1 2 英寸生产线已有六条，它们是： ( 1 ) s e m i c o n d u c t o r3 0 0 公司，位于德国德累斯顿，开始月产1 5 0 0 片，由0 2 5 i - t m 进到o 1 8 岬。 ( 2 ) i n f i n e o n 公司，位于德国德累斯顿，o 1 4 9 m ，开始月产4 0 0 0 片。 ( 3 ) t s m c ( 台积电) 公司，位于我国台湾新竹，f a b l 2 工厂生产线，由o 1 8 9 m 进到o 1 5 1 a m 以至o 1 3 岫，开始月产4 5 0 0 片。 ( 4 ) 三星公司位于韩国，l i n e l l 上产线，o 1 5 9 m o 1 3 9 m ，开始月产1 5 0 0 片。 ( 5 ) t e r c e n t i 公司，位于日本那珂n 3 厂，月产能7 0 0 0 片，0 1 5 9 m o 1 3 9 m 。 ( 6 ) 英特尔公司，d 1 c 厂，开始月产4 0 0 0 片，0 1 3 9 m 。 此外，已经建厂，开始试投的也已有9 条线；正在建的有4 条线。采用1 2 英寸圆片生产的i c 产品，据报道已有：韩国三星电子批量生产5 1 2 m 位内存 ( d r a m ) ；美国a l t e r a 公司在台湾t s m c 公司( 台积电) 加工生产可编程逻辑器件 ( p p d ) ，采用0 1 8 9 m 技术；美国i n t e l 公司在2 0 0 1 年3 月份宣布，在当年采用0 1 3 1 m a 技术建立1 2 英寸生产线量产c p u 。其余各线主要做存储器电路、d r a m 、s r a m 或f l a s h 。 在光刻加工线条( 特征尺寸) 方面，如前所述，在主流0 2 5 1 a m 技术之后，已有 o 1 8 9 m 、0 1 5 “r n 以至o 1 3 p , m 技术连续开发出来投入使用。 据报道，韩国n y r i x 半导体公司在2 0 0 1 年底前，将其下属的4 家工厂的工艺 技术由o 1 8 岬提升到o 1 5 1 a m ，生产存储芯片。其竞争对手三星电子公司和美光 科技公司目前已有半数芯片采用o 1 5 1 a m 。 威盛率先在2 0 0 1 年采用0 1 3 1 m a 工艺生产微处理器产品，但其c 3 系列仍属 于p 3 世代产品。英特尔和a m d 公司市面上产品普遍仍采用0 1 8 9 m 的产品，但 英特尔在2 0 0 2 年1 月7 日发出了采用0 1 3 9 m 工艺生产出运算频率特破2 g h z 的 n o r t h w o o d 核心p 4 处理器产品，4 月又公布了2 4 g h z 产品。这样，英特尔仍然 稳坐技术领先地位。 在日本，n e c 和日本合作于2 0 0 0 年8 月率先推出全球第一块采用0 1 3 1 x m 的 2 5 6 m 位的d r a m 。2 0 0 1 年日本东芝和富士通与台湾华邦合作，推出0 1 3 1 x m 堆 叠式1 g 位d r a m ，2 0 0 2 年将升到0 1 l t m 。日本五大半导体厂商正联合开发0 。1 1 t m 以下工艺制造条件。 2 0 0 1 年8 月，美国应用材料公司( a m ) 的设备已经可以制造出技术水平为 o 1 0 1 x r n 的电路，在制造工艺技术上也有新的特破。美国德州仪器公n ( t i ) t 采用 0 1 0 9 m 工艺制造模拟和数字电路。 总之，0 1 0 9 m 乃至0 0 4 9 m 的器件已在实验室中制备成功，研究工作已进入 亚0 1 0 9 r n 阶段。 4 双通道单刀双掷模拟开关的设计 美国英特尔公司将加速新一代o 0 9 “m 处理器技术的开发工作，在2 0 0 3 年上 半年发布其0 0 9 “m 处理技术。而且该公司又开发成功一种新型晶体管技术，将 使c p u 集成度达到目前的2 5 倍，可以集成1 0 亿只晶体管，使运行速度达到目前 的1 0 倍，工作频率达到2 0 g h z 。这种c m o s 晶体管结构称为d e p l e t e ds u b s t r a t e t r a n s i s t o r ，采用的栅极长度为1 5 n m ，其栅极绝缘膜采用了高介电常数的新型材 料，将通常的s i 0 2 换为a 1 2 0 3 等新材料，通过在绝缘层上的超薄硅层内制作晶体 管来提高开关速度，称它为i n t e lt e r ah e r t z 晶体管。英特尔的这项技术具有“革 命性意义 。在提高晶体管响应速度和降低耗电量以及发热两方面，这项技术的开 发成功在此打破阻碍摩尔法则继续存在的颈瓶【l 】。 1 2 模拟开关的应用和发展趋势 首先来区别一下模拟开关和数字开关。所谓模拟开关，实际上就是m o s 管 构成的传输门。模拟开关的电压电流关系具有电阻的性质，即电流趋于零时压降 也趋于零f 2 1 。它类似于实际的开关，信号电流一定是从输入端流到输出端，信号 是穿过去的，而且模拟开关的的信号传送方向可以是双向的。所谓数字开关，是 指数据选择器、译码器等数字电路。其电压电流关系在电流趋于零时压降并不趋 于零。换句话说，数字开关就是门，信号电流一般是不会到达输出端的，信号是 决定输出信号高低的一个条件。模拟开关和数字开关两者的信号回路不同，数字 开关的输出电压与输入电压可能相同也可能不相同，而模拟开关则必须是最大可 能的相同。 开关在电路中起接通信号或断开信号的作用。最常见的可控开关是继电器， 当给驱动继电器的驱动电路加高电平或低电平时，继电器就会吸收或释放，其触 点接通或断开电路。c o m s 模拟开关是一种可控开关，它不像继电器那样可以用 在大电流、高电压场合，只适于处理幅度不超过其工作电压、电流较小的模拟或 数字信号。 集成模拟开关常常用于模拟信号与数字控制器的接口。近年来，便携式产品 越来越多采用多电源设计，因此开关功能是视频、音频传输及处理过程中的一个 很重要组成部分。早期采用的机械开关具有可靠性低、体积大、功耗大等缺点， 所以模拟开关已经引起了越来越多人的重视，并己被广泛应用于各种电子产品中。 1 2 1 模拟开关的应用 在手机中的应用，模拟开关在手机中的应用中主要有三大应用方向，分别为： ( 1 ) 常用；( 2 ) 声音；( 3 ) 为i o 共享端m ( u s b 和d s p 接口等) 提供低阻抗高带宽3 1 。 见图1 1 所示。 第一章绪论 图1 1 模拟开关在手机中的主要应用 e x e r n a l i n t e m a l s d c h e a d s e t h e a d f r e r 在共享端口中的应用，模拟开关可以在共享端口中实现：( 1 ) 高速数据流视频、 高保真音频信号开关( 在3 0 0 m h z 内，3 d b 带宽) ；( 2 ) 在2 7 v 时( 音频开关能力) ， 阻抗3 欧姆，为线形平阻抗【4 1 。 在机顶盒中的应用，数字电视逐渐进入家庭，机顶盒的需求量越来越大。机 顶盒中i o 端口应用模拟开关的比例增大。见图1 2 。 厂珊o f 、 s w i t c h m u x n 甄i i 矿 t v i o r g bf b e n c o d e r l ，o c v b s ，y r f ，l o d u l a t o r c h r a m a 匾 i 广 圆 v c r i ( 3l s l o wb l a n k 矧a 挚 s oc o n t r o l 图1 2 模拟开关在机项盒中的应用 在x d s l 中的应用。在x d s l 中，模拟开关可以用在前段衰减区及 d s r , a m ( c o ) i o 等部分。 6 双通道单刀双掷模拟开关的设计 1 2 2 模拟开关的前景展望 近年来，随着开关产品纷纷进入p c 、服务器、笔记本电脑和卡底座应用等领 域，令许多芯片供应商推出各式总线开关产品。总线开关能够在卡板或器件插拔 期间方便地隔离总线电容，通过隔离对数据( 高速缓存和内存) 经行多路复用分解 操作或进行电压变换。典型的总线开关设计为一个单独的n m o s 器件，其缺点是： 随着源电压接近v c c ，栅极的源漏区被夹断，会限制电流的驱动能力和输出电压。 近几年来，开关功能已经成为视频、图形及音频传输或处理领域的重要组成部分。 为此，除了简单的r o n 和r f w 特性外，对于开关的串扰、t h d ( 总谐波失真) 、衰 减以及带宽等特性要求显著提高。这使得业界专用模拟开关的系列产品，随着手 机和其它超便携产品进入主流产品行列，要求加入更多功能，如图像、电子邮件、 短信以及互联网接入，这需要对多重数据通路进行控制【5 】。而高集成度基带处理 器、多处理器结构、定制a s i c 和功率管理芯片组也已集成在产品中，迫使电源 电压降低，因而需要模拟开关在整个电源电压范围内工作，同时要求开关的关键 特性，如i o n ( 平坦度) 、串扰、带宽和t h d 等衰减最小。现在的开关发展趋势是 低r o n 值( 小于1 q ，并在不同电压下保持适合的低i o 电容、低衰减和良好平坦 度。 模拟开关发展趋势主要有以下几个方向： ( 1 ) 输入电压要求越来越低； ( 2 ) 功能越来越多； ( 3 ) 导通阻抗越来越低； ( 4 ) 高带宽。 1 3 本论文的主要工作 本论文课题设计的双通道单刀双掷模拟开关是来源于公司研发的一个项目。 它采用c m o s 工艺进行设计，通过对m o s 开关电路、驱动电路、静电保护电路、 缓冲电路的分析和设计，给出了合理的电路数据，然后利用h s p i c e 对电路进行 了模拟仿真，包括开关时间、电荷注入、切换时间、以及导通电阻等参数。结果 表明该单刀双掷模拟开关的开关性能均满足实际应用的要求。 本论文具体工作安排如下： 第一章，阐述了微电子集成电路的发展状况、模拟开关的应用和发展趋势； 阐述了本论文的选题来源和背景，以及概述自己做的一些工作。 第二章，阐述了m o s 管的特性和c m o s 模拟开关电路的理论基础，分析了 几种对电路指标产生影响的因素。 第三章，分析并设计了单刀双掷模拟开关电路中的几个主要模块，包括：m o s 第一章绪论 7 开关电路、驱动电路、e s d 保护电路、缓冲器电路等。 第四章，利用c a d e n c ee d a 软件中的h s p i c e 仿真软件对整体电路进行了仿 真，分析了仿真结果。阐述了该单刀双掷模拟开关的版图设计。 第五章，总结和展望。 第二章m o s 晶体管和m o s 开关 9 第二章m o s 晶体管和m o s 开关 本章首先研究m o s 晶体管的结构并推导出其w 特性。其次阐述体效应、沟 道长度调制效应和亚阈值导电性等二级效应，接着研究m o s 开关电路及其相应 的一些参数，如导通电阻、沟道电荷注入等。 2 1m o s 管的结构和特性 在研究m o s f e t 的实际工作原理前，先来考虑这种器件的一个简化模型，以 便对晶体管有一个感性认识：预期它有什么样的特性以及特性的哪些方面是重要 的。 图2 1 是一个n 型m o s f e t 的符号，图中表示三 个端口：栅极g ，源极s 和漏极d 。这种器件是对称y 的，因为源极和漏极可以互换。作为开关工作时，如 上 果栅极电压v g 是高电平，晶体管把源极和漏极连接s 一- d 在一起；如果栅极电压为低电平，则源极和漏极是断 图2 , 1m o s 器件简图 开的【6 】o 即使是面对这样简单的描述，v g 取多大值时器件导通? 换句话说，阈值电压 是多少? 当器件导通或断开时，源极和漏极之间的电阻有多大? 这个电阻与端电 压的关系是怎么样的? 总是可以用简单的线性电阻来模拟源极和漏极之间的通道 吗? 是什么因素限制了器件的速度? 这些问题可以通过分析晶体管的结构和物理特性来做出回答。 2 1 1m o s f e t 的结构 1 1 型m o s 器件的简化结构图如图2 2 所示。器件制作在p 型衬底上，两个重 掺杂n 区形成源端和漏端，重掺杂( 导电的) 多晶硅区作为栅，一层薄s i 0 2 使栅与 衬底隔离。器件的有效作用就发生在栅氧下的衬底区。注意，这种结构中的源极 和漏极是对称的。 源漏方向的栅的尺寸叫栅长l ，与之垂直方向的栅的尺寸叫做栅宽w 。由于 在制造过程中，源漏结的横向扩散，使源漏之间实际的距离略小于l 。为了避免 混淆，这里定义l e f f = l d 一- 2 l d ，式中l c f r 为有效沟道长度，b 住啪是沟道总长 度。而l d 是横向扩散的长度。l e f r 和t o 。对m o s 电路的性能起着非常重要的作用。 因此，m o s 技术发展中的主要推动力就是不使器件的其它参数退化而一代一代地 减小这两个尺寸。本章节以后将用l 来表示有效长度。 l o 双通道单刀双掷模拟开关的设计 图2 2m o s 器件的结构 现在将源定义为提供载流子的终端，而漏定义为收集载流子的终端。m o s 结构是对称的，当器件三个端子的电压变化时，源和漏的作用可以互换。 衬底的电位对器件特性有很大的影响。也就是说，m o s f e t 是一个四端器件。 由于在典型的m o s 工作中，源漏结二极管都必须反偏，所以认为n m o s 晶体管 的衬底被连接到系统的最低电压。例如，如果一个电路在0 , - - 3 v 工作，则 n m 。= o 。实际的连接如图2 3 所示，通常通过一个p + 欧姆区来实现。 _ | _ j _ lp + 八n + jln + p 型衬底 2 1 2 阈值电压 图2 3 衬底连接 考虑如图2 4 ( a ) 所示n m o s 。令栅压v g 从0 v 开始上升，由于栅和衬底形成 一个电容器，所以当v g 逐渐升高时，p 衬底中的空穴被赶离栅区而留下负离子镜 像栅上的电荷。换句话说，就是形成了一个耗尽层，如图2 4 ( b ) 。在这种情况下， 由于没有载流子而无电流流动。 随着v g 的增加，耗尽层宽度和氧化物与硅界面处的电势也增加。从某种意 义上讲，这样的结构类似于两个电容的串联：栅氧化层电容和耗尽区电容，如图 2 4 ( c ) 所示。当界面电势达到足够高时，电子便从源流向界面并最终流到漏端。这 样源和漏之间的栅氧下就形成了载流子“沟道”，同时晶体管“导通”，也称之为 界面“反型”。形成沟道所对应的v g 称为“阈值电压”，v t h 。如果v g 进一步升 高，则耗尽区的电荷保持相对恒定，而沟道电荷密度继续增加【7 】，导致源漏电流 增加。 第二章m o s 晶体管和m o s 开关 e 型挝塞 ( a ) (c)(d) 图2 4 ( a ) 栅压控制的m o s f e t ；( b ) 耗尽区的形成；( c ) 反型层形成的开始；( d ) 反型层的形成 实际上，导通现象是栅压的增函数，这就使得明确的定义v t n 变得比较困难。 在半导体物理学中，n m o s 的v t h 通常定义为：当界面的电子浓度等于p 型衬底 的多子浓度时的栅压。v t h 的值由下式给出【8 】： v 讯= + 2 卟导 ( 2 - 1 ) 式中m s 是多晶硅栅和硅衬底的功函数之差的电压值， f = ( k t q ) l n ( n 妯n i ) ，q 是电子电荷，n 。u b 是衬底的掺杂浓度，q d 叩是耗尽区 的电荷，c 。是单位面积的栅氧化层电容。其中q d 印值为q d e p = = 面i 阢， 表示硅的介电常数。 在实际中，由上式得到的“本征”阈值 电压可能不适用于电路设计，举例来说， v = 0 ，因而0 时器件不会关断。因 此，在器件制造过程中通常通过向沟道区 注入杂质来调整阈值电压，其实就是改变 氧化层界面附近衬底的掺杂浓度。例如， 如图2 5 所示，如果形成p + 薄层，那么就需要增加栅压使此区域耗尽9 1 。 p m o s 器件导通现象类似于n m o s ，但是其所有的极性都是相反的。如图2 6 所示，如果栅源电压足够“负 ，在氧化层硅界面就会形成一个由空穴组成的反 型层，从而为源和漏之间提供了一个导电通道。 州-，lll上ii 一 逍 酏 1 2 双通道单刀双掷模拟开关的设计 2 1 3 线性区 图2 6p m o s 反型层的形成 下面推导m o s f e t 的漏电流与其端电压之间的关系。考虑一个源漏都接地的 n m o s ，如图2 7 ( a ) 所示，计算反型层中的电荷密度。因为假设v g = v t h 时开始 反型，那么由栅氧化层电容引起的反型层点和密度正比于v g s v t h 。当v o v m 时，栅电荷必定会被沟道电荷所镜像，从而产生一个均匀的沟道电荷密度( 单位长 度电荷) ，其值等于 q d = w c 。( v & 一v n i ) ( 2 - 2 ) 式中，c o 。与w 相乘表示单位长度的总电容。 v g 工 图2 7 ( a ) 源和漏等电势时的沟道电荷；c o ) 源和漏不等电势时的沟道电荷 如图2 7 ( b ) ，假设漏极电压大于0 ，由于沟道电势从源极的o v 变化到漏极的 v d ，所以栅与沟道之间的局部电压差从v g 变化到v g v 0 因此，沿沟道x 点处的 电荷密度可以表示为 主n 第二章m o s 晶体管和m o s 开关 q 。( x ) = w c 。( v g s v ( x ) 一v t h ) ( 2 3 ) 式中，v ( x ) 为x 点的沟道电势 所以通过沟道的电流由下式给出： i d = 一w c 弧 v g s v ( x ) 一v 珊 v ( 2 4 ) 其中，负号是因为载流子电荷为负而引入的，v 表示沟道电子的漂移速度。对于 半导体，v = p e ，其中p 是载流子的迁移率，e 为电场。注意到e ( x ) = - d v d x ， 电子迁移率用表示，于是得到 i 。= 一w c 。 v g s v ( x ) 一v m p 。i d v ( x ) ( 2 5 ) 对应边界条件为v ( o ) = o 和v ( l ) = v d 。虽然v ( x ) 也很容易从上式得出，但实质 上所关心的值是i d 。上式两边都乘以d x 并积分，可得 亡。i 。d x = w c 傩p 。 v g 。一v ( x ) 一v m p ( 2 - 6 ) 由于i d 沿沟道方向是常数，所以 i 。= 斗。c 戗 三l ( v g 。一) v 。一圭v 言。l ( 2 - 7 ) 图2 8 给出了在不同的v g s 时 根据式( 2 7 ) 得出的抛物线，表示了 器件的“电流能力”随v g s 的增大 i t ) 而增加。其中每条抛物线的极值发 生在v d s = v g 。一，且峰值电流 为 i d 一= 弘lc 。罟( v g s ) 2 ( 2 - 8 ) 称v g 。一v m 为“过驱动电压 ，称 w l 为“宽长比”。 库 、 f v 璐3 f ， 。 - 、 善堇墨 图2 8 线性区漏电流与漏源电压的关系 如果v 蕊v g 。一v m ，则称器件工作在线性区。如果式( 2 7 ) 中 v d s 2 ( v 一v 瑚) ，则有 i d 。c 戗二t ( v g s v 瑚) v d s ( 2 - 9 ) l 也就是说，漏极电流是v d s 的线性函数。这一点从图2 8 所示的特性曲线中可以 很明显的看出：如图2 9 所示，每一条抛物线可以由一条直线来近似。这种线性 关系表明源漏之间可以用一个线性电阻表示，该电阻等于 1 4 双通道单刀双掷模拟开关的设计 r o n2 忑东丙 “。c 。( v g s v m ) 图2 9 深线性区的线性工作 ( 2 - 1 0 ) 这样，当v 击2 ( v g 。一v m ) 时，m o s f e t 就可以作为一个阻值由过驱动电压控制 的电阻，当v d 。2 ( v 一v m ) 时，器件工作在深线性区。 2 i 4 饱和区 当于v g 。一v 蠢时，称器 件工作在饱和区。在图2 8 中，实 际上，当v 击 v g s v n 时，漏极 1 d 电流并不遵循抛物线特性。事实 上，如图2 1 0 所示，这时i d 相对 恒定，称器件工作在饱和区。为了 理解这一现象，回顾式( 2 3 ) 可知， 反型层局部的电荷密度正比于 v g s v ( x ) - v 瑚。因此，如果v ( x ) 接近v g 。一v m ，则q d ( x ) 将下降为 o ，换句话说，如图2 1 1 所示，如 吾蓉舀 图2 1 0 漏电流的饱和 果v d s 略大于v g 。一v 蠢，则反型层将在x l 处终止，这时认为沟道被夹蝌1 0 1 。 竺卢弓歹 、 央断点 0 x i v ( x 1 ) = v o s v 1 1 i 【! 房7 i ! j 夹断点 图2 1 1 夹断特性 v ( x z ) = v o s v t h 第二章m o s 晶体管和m o s 开关 随着v d s 的进一步升高，q a 等于0 的点将逐渐向源移动。因此，在沟道长度方向 的某些点处，栅和氧化层硅界面之间的电势差不足以支持反型层。 在以上分析的基础上，对于饱和器件，再看式( 2 6 ) 。由于q d 是运动电荷的密 度，式( 2 6 ) 左边的积分必须取从x = 0 到x = l ，其中l 是下降到0 的点，而等式 右边则从v ( x ) = 0 到v ( x ) = v g 。一v m 积分，结果如下 i d = 丢肛。c 能w t 、v g s v m ) 2 ( 2 - 1 1 ) 该式表明，如果l 近似等于l ，则i n 与v g s 无关。 对于p m o s 器件，等式( 2 7 ) 和( 2 1 1 ) 分别表示为 i d _ 7 1 & 孚卜吨) v d s _ 三吒。i 和 - 。= 一扣似詈( v g s “) 2 ( 2 1 3 ) 这里出现负号是由于假设i d 从漏流向源，而空穴沿着相反的方向移动，由于空穴 的迁移率是电子的1 2 到1 4 ，所以p m o s 器件具有较低的“电流驱动 能力。 2 1 5 沟道长度调制 在上面的分析中可以注意到，当栅和漏之 间的电压差增大时，实际的反型沟道长度逐渐 减小。也就是说，在式( 2 1 1 ) 中，l 7 实际上是 v d s 的函数。这一效应称为“沟道长度调制”。 定义l = l 一l ，即1 l ( 1 + l l ) ，并且假 设l l 和v d s 之间的函数关系是线性的，如 l l = 九v d 。，在饱和区，可以得到： i d 告c 脒一w 、v g s v m ) 2 ( 1 + 批s ) v 略 图2 1 2 沟道长度调制效应所引起 的饱和区有限斜率 ( 2 。1 4 ) 式中九是沟道长度调制系数。如图2 1 2 所示，这种现象使i d v d 。特性曲线在饱和 区中出现非零斜率，因而使d 和s 之间电流源非理想。参数九表示给定的v d s 增 量所引起的沟道长度的相对变化量。因此，对于较长的沟道，九值较小。 在短沟道晶体管中，线性近似l l 芘v 二。的精确度变得较低，导致饱和区 i d v d 。特性曲线的斜率变化。 1 6 双通道单刀双掷模拟开关的设计 2 1 6 体效应 在图2 7 的分析中，假设晶体管的衬底和源是接地的。如果n f e t 的衬底电 压减小到低于源电压时隋况将会发生变化。如图2 1 3 所示。由于源和漏结维持反 型偏置，现在假设器件仍能正常工作，但是某些特性可能会改变。 为了理解这种影响，假设u = v d = 0 ，而且v g 略小于v r u 以使栅下形成耗 尽层但没有反型层存在。当v b 变得更负时，将有更多的空穴被吸引到衬底电极， 而同时留下大量的负电荷，如图2 1 4 所示，耗尽层变得更宽了。从公式( 2 1 ) 可以 知道，阈值电压是耗尽层电荷总数的函数，因为在反型层形成之前，栅极电荷必 定镜像q d 。因此，随着v b 的下降，q d 增加，v r a 也增加。这称为“体效应”或 “背栅效应 。 图2 1 4 耗尽区电荷随衬底电压的变化 可以证明，在考虑体效应后，v t h 值为 ，p - - - f ? 。、 v 蠢= v 蠢o + 丫l , 1 2 - f + v j b i 一1 2 1 ) ( 2 - 1 5 ) 式中v t h o 由式( 2 1 ) 给出，丫= 4 2 q g s i n , 。b c 傩，称为体效应系数，v s b 是源衬 电势差，其典型值在o 3 v v 2 到0 4 v v 2 之间。 产生体效应，不一定是因为衬底电势v 。b 产生了变化，当源电压相对于v 。b 发生改时也会产体效应现象。例如。考虑图2 i s ( a ) 所示的电路，开始先忽略体效 应。可以看到，当v i 。变化时，由于漏电流恒等于1 1 ，因此v o m 会紧随输入电压 的变化而变化。实从而有 如 l _卜上ii 第二章m o s 晶体管和m o s 开关 1 7 i 。= 扩1 。罟( v v o m ) 2 ( 2 - 1 6 ) 由此式可得，如果i l 恒定，则v i 。一v o u 。 d z 恒定，如图2 1 5 ( b ) 。 v - j = ( a )( b ) ( c ) 图2 1 5 ( a ) 源衬电压输入电平变化；( b ) 不考虑体效应的输入输出电压； ( c ) 考虑体效应的输入输出电压 现在假设衬底接地而且体效应很显著。那么当v i n 增加时，v o 。会变得更正， 源和衬底之间的电压差将增大，导致v t h 的值增大。等式( 2 1 6 ) 表明为了保持i d 恒定，u 一必须增加，如图2 1 5 ( c ) 。 2 1 7 亚阈值导电性 前面的分析中，一直假设当v g s 下降到低于v t h 时器件会突然关断。实际上， v g 。v 矗时，一个“弱”的反型层仍然存在，并有一些源漏电流。甚至当v g 。 ， i d 也并非是无限小的，而是随着v g s 呈现指数关系。这种效应称作“亚阈值导电 。 当v d s 大于2 0 0 m y 时，这一效应可以用公式表示为【1 1 】 、厂 l d = i o e x p 导 ( 2 1 7 ) 式中 1 ，是一个非理想因子， v t = k t q 。也称器件工作在弱反型区。 除了，式( 2 1 7 ) 类似于双极型晶体管中 i c v b e 的指数关系。这里的关键是当v g s 下降到低于v t h 值时，漏电流以有限的 速率下降。对于( 的典型值，在室温时， 要使i d 下降一个数量级，v g s 必须下降约 8 0 m v ，如图2 1 6 所示。例如，如果在低 压工艺中选择0 3 v 为阈值电压，那么当 图2 1 6 m o s 亚阈值特性 v o s t i 绛n0 时，漏电流仅下降到1 1 0 3 7 5 。亚阈值导电会导致较大的功率损耗( 或 模拟信息的丢失) ，这在大型电路中，例如内存中，是一个使人困惑的难题。 指 一 一哪 双通道单刀双掷模拟开关的设计 2 2 1m o s f e t s 开关 2 2m o s 开关 图2 1 7 ( a ) 是一个简单的采样电路，它包括一个开关和一个电容。可用m o s 器件作为