专用集成电路设计ppt课件

1、2021-10-2212.1 引言引言 2.2 集成电路制造工艺简介集成电路制造工艺简介 2.3 版图设计技术版图设计技术 2.4 电参数设计规则电参数设计规则 第二章第二章 集成电路工艺基础及版图设计集成电路工艺基础及版图设计 2021-10-2222.4.2 MOS电容电容集成电路中，将导电层以绝缘介质隔离就形成了电容。集成电路中，将导电层以绝缘介质隔离就形成了电容。 MOS集成电路中的寄生电容主要包括集成电路中的寄生电容主要包括MOS管的寄生电容以及由金属、多晶硅和扩管的寄生电容以及由金属、多晶硅和扩散区连线形成的连线电容。散区连线形成的连线电容。 寄生电容及与其相连的等效电阻的共同作用

2、决定了寄生电容及与其相连的等效电阻的共同作用决定了MOS电路系统的动态响应。电路系统的动态响应。集成电路是由不同层次结构构成的复杂系统，每层内部都会形成电阻，层与层之间都有集成电路是由不同层次结构构成的复杂系统，每层内部都会形成电阻，层与层之间都有电容。电容。2021-10-223 (1) 栅极电容：与该逻辑门输出端相连各管的栅极电容：与该逻辑门输出端相连各管的 输入电容。输入电容。 (2) 扩散区电容：与该逻辑门输出端相连的扩散区电容：与该逻辑门输出端相连的 漏区电容。漏区电容。 (3) 布线电容：该逻辑门输出端连到其它各门布线电容：该逻辑门输出端连到其它各门 的连线形成的电容。的连线形成的

3、电容。 一个接有负载的一个接有负载的MOS逻辑门输出端的总的负载电容包括三部分：逻辑门输出端的总的负载电容包括三部分：2021-10-2241. MOS电容特性电容特性 MOS电容的特性与栅极上所加的电压紧密相关，电容的特性与栅极上所加的电压紧密相关， 这是因为半导体的表面状态这是因为半导体的表面状态随栅极电压的变化可处于随栅极电压的变化可处于积累层、积累层、 耗尽层、耗尽层、 反型层三反型层三种状态。种状态。 1) 积累层积累层 对对P型衬底材料上的型衬底材料上的N型型MOS器件，当器件，当UG0时，时， 栅极上的负电荷吸引衬底中的空穴趋栅极上的负电荷吸引衬底中的空穴趋向硅的表面，向硅的表面

4、， 形成积累层。形成积累层。 这时，这时， MOS器件的结构就像平行平板电容器，器件的结构就像平行平板电容器， 栅极和高浓度空穴积累层分别是平板电容器的栅极和高浓度空穴积累层分别是平板电容器的两个极板。两个极板。栅极栅极C0栅氧化层P-Sitoxd栅极栅极C0Cdeptox耗尽层P-Si(a)(b)dP-Sitox反 型 层耗 尽 层栅极栅极C0Cdep反 型耗 尽积 累低 频高 频CC00.20UTUG(c)(d)积累层积累层2021-10-225积累层电容积累层电容 由于积累层本身是和衬底相连的，由于积累层本身是和衬底相连的， 所以栅电容可近似为：所以栅电容可近似为：AtCoxox00 （

5、2 -15） 式中式中:0真空介电常数；真空介电常数； oxSiO2的相对介电常数，的相对介电常数， 其值是其值是3.9； toxSiO2层的厚度层的厚度; A栅极的面积。栅极的面积。 2021-10-2262) 耗尽层耗尽层当当0UGUT， P型衬底中的电子（少数载流子）被吸引到表面，型衬底中的电子（少数载流子）被吸引到表面， 形成反型层，形成反型层， 实际上就是实际上就是N型导电沟道，见图（型导电沟道，见图（c）。）。 由于在栅极下面形成了一个导电能力很强的反型层，由于在栅极下面形成了一个导电能力很强的反型层， 在在低频时，低频时， 栅极电容又变为栅极电容又变为C0。但是，。但是， 反型层

6、中的载流子（电子）不能跟随栅电压的反型层中的载流子（电子）不能跟随栅电压的高频变化，高频变化， 因此因此, 高频时的栅极电容仍然是最大耗尽状态下的栅极电容。高频时的栅极电容仍然是最大耗尽状态下的栅极电容。3) 反型层反型层栅极栅极C0栅氧化层P-Sitoxd栅极栅极C0Cdeptox耗尽层P-Si(a)(b)dP-Sitox反 型 层耗 尽 层栅极栅极C0Cdep反 型耗 尽积 累低 频高 频CC00.20UTUG(c)(d)2021-10-2282. MOS器件的电容器件的电容前面讨论的是栅极对衬底的电容。前面讨论的是栅极对衬底的电容。MOS器件中完整的寄生电容如下图：器件中完整的寄生电容如

7、下图：衬 底栅 极CGBCGSCGD栅 氧 化 层CDB漏 极沟 道CSB源 极(a)CGDCDBCSBCGSCGB衬 底(b)耗 尽 层GDS (a) 寄生电容示意图；寄生电容示意图； (b) 寄生电容电路符号示意图寄生电容电路符号示意图栅极电容由三部分组成：栅极电容由三部分组成：CG=CGS+CGD+CGB2021-10-229MOS管的栅极电容：管的栅极电容：MOS管的栅极电容在三个工作区的特性是不一样的：管的栅极电容在三个工作区的特性是不一样的： (1) 截止区（截止区（UGSUDS）。）。 在线性区耗尽层深度基本不变，在线性区耗尽层深度基本不变， 所以所以CGB为常数。为常数。 但此

8、时导电沟道已经形成，但此时导电沟道已经形成， CGS 和和CGD就必须加以考虑，就必须加以考虑， 这两个电容与栅极电压的大小有关，其值可用下式这两个电容与栅极电压的大小有关，其值可用下式估算：估算：AtCCoxoxGDGS0212021-10-2210AtCoxoxGS032(3) 饱和区（饱和区（UGS-UTUDS）。）。 此时沟道是一强反型层，此时沟道是一强反型层， 靠近漏区的一端被夹断，靠近漏区的一端被夹断， 因此因此CGD=0， 而而CGS增加为：增加为：三个工作区内，三个工作区内， 栅极电容的计算公式：栅极电容的计算公式：2021-10-2211图图2 - 20 总的栅极电容与总的栅

9、极电容与UGS的关系的关系 1.00GCC0OUTUGSMOS管总的栅极电容的某些成分和栅极电压有紧密联系，管总的栅极电容的某些成分和栅极电压有紧密联系， 但总的栅极电容只有在开但总的栅极电容只有在开启电压附近随启电压附近随UGS变化较大（如下图），变化较大（如下图）， 其它区域均近似等于栅氧化层电容其它区域均近似等于栅氧化层电容C0。2021-10-22123. 扩散区电容扩散区电容 MOS管的源区和漏区都是由浅的管的源区和漏区都是由浅的N+扩散区或扩散区或P+扩散区构成的，扩散区也用作互连线。扩散区构成的，扩散区也用作互连线。这些扩散区对衬底（或阱）就有寄生电容存在，寄生电容的大小与将扩散

10、区和衬底这些扩散区对衬底（或阱）就有寄生电容存在，寄生电容的大小与将扩散区和衬底（或阱）隔开的耗尽层的有效面积成正比，与扩散区和衬底（或阱）之间的电压有关。（或阱）隔开的耗尽层的有效面积成正比，与扩散区和衬底（或阱）之间的电压有关。由于扩散区总是有一定深度的，由于扩散区总是有一定深度的， 扩散区对衬底（或阱）的结面积就包括底部面积和周扩散区对衬底（或阱）的结面积就包括底部面积和周围的侧壁面积两部分（如图）。围的侧壁面积两部分（如图）。2021-10-2213图图 2 - 21 (a) 扩散电容基本结构；扩散电容基本结构； (b) 扩散电容模型扩散电容模型a多晶硅ba源扩散区漏扩散区栅极场氧衬底

11、(a)bCjpCjpCjpCjp扩散区(b)耗尽层 扩散区的厚度可以看成一个常数，扩散区的厚度可以看成一个常数， 这样侧壁面积就和侧壁周长成正比。这样侧壁面积就和侧壁周长成正比。 因此因此, 总的扩总的扩散电容可表示为：散电容可表示为： Cd=Cja(ab)+Cjp(2a+2b)2021-10-2214 随着工艺的改进，随着工艺的改进， 在扩散区面积逐渐减小的情况下，在扩散区面积逐渐减小的情况下， 侧壁电容就变得非常重要了。侧壁电容就变得非常重要了。 典型典型N阱阱1 m工艺扩散电容值列于表工艺扩散电容值列于表2 -6中中(单位：单位： pF/m2)。 2021-10-22154. 布线电容布

12、线电容 金属、金属、 多晶硅、多晶硅、 扩散区常被用作互连线，扩散区常被用作互连线， 它们相互之间以及它们与衬底之间都它们相互之间以及它们与衬底之间都会形成电容。会形成电容。 采用简单的平行板电容器模型可粗略估计这些电容值的大小为：采用简单的平行板电容器模型可粗略估计这些电容值的大小为：AtC（2 -2） 式中式中:介质的绝对介电常数；介质的绝对介电常数； t 介质的厚度介质的厚度; A互连线的面积。互连线的面积。 2021-10-2216图图 2 - 22 平行板电容及边缘效应平行板电容及边缘效应衬底边缘电容互连线SiO2衬底边缘电容平行板电容模型忽略了由边缘电场引起的边缘效应。平行板电容模

13、型忽略了由边缘电场引起的边缘效应。 互连线对衬底及互连线之间都有互连线对衬底及互连线之间都有边缘效应，边缘效应， 这样前面估算的电容比实际值要小。这样前面估算的电容比实际值要小。 随着连线的宽度和高度按比例缩小，随着连线的宽度和高度按比例缩小， 边缘效应的影响就更加显著。边缘效应的影响就更加显著。2021-10-2217第三章第三章 MOS集成电路器件基础集成电路器件基础 3.1 MOS场效应管场效应管(MOSFET)的结构的结构 及符号及符号 3.2 MOS管的电流电压特性管的电流电压特性 2021-10-2218预期预期MOS管有什么特性：管有什么特性： 右图是右图是NMOS管的符号，图中

14、表示三个端口：栅（管的符号，图中表示三个端口：栅（G）、源（）、源（S) 、漏（漏（D）。如果栅电压）。如果栅电压UG是高电平晶体管的源漏导通，如果栅电压是高电平晶体管的源漏导通，如果栅电压为低电平，则漏源断开。为低电平，则漏源断开。DBSGNMOSSBDGPMOS(a)DNMOSBGSSPMOSBGD(b)DSNMOSSDGPMOS(c)DNMOSGSSPMOSGD(d)G 即使这样简单的描述，我们还需要回答几个问题：即使这样简单的描述，我们还需要回答几个问题： UG多大时器件导通？换句话说，阈值电压多少？当器件多大时器件导通？换句话说，阈值电压多少？当器件导通或断开时，漏源之间的电阻多大导

15、通或断开时，漏源之间的电阻多大?这个电阻和端电压之间这个电阻和端电压之间的关系是怎样？的关系是怎样？ 2021-10-22193.1 MOS场效应管场效应管(MOSFET)的结构及符号的结构及符号 3.1.1 NMOS管的简化结构如图管的简化结构如图3 - 1所示所示 该器件制作在该器件制作在P型衬底上，两个重掺杂型衬底上，两个重掺杂N区形成源区和漏区，区形成源区和漏区， 重掺杂多晶硅区作为栅极，重掺杂多晶硅区作为栅极， 一层薄一层薄SiO2绝缘层作为栅极与衬底的隔离。绝缘层作为栅极与衬底的隔离。 在栅氧下的衬底表面是导电沟道。在栅氧下的衬底表面是导电沟道。 图图3 - 1 NMOS管的简化结

16、构管的简化结构 多晶硅GSD氧化层LeffLdrawnNNP型衬底LDW2021-10-2220 由于源漏结的横向扩散，由于源漏结的横向扩散， 栅源和栅漏有一重叠长度为栅源和栅漏有一重叠长度为LD， 所以导电沟道有效长度所以导电沟道有效长度(Leff)将小于版图中所画的导电沟道总长度，用将小于版图中所画的导电沟道总长度，用L表示。表示。 W表示沟道宽度。表示沟道宽度。 宽长比宽长比(W/L)和氧化层厚度和氧化层厚度tox这两个参数对这两个参数对MOS管的性能非常重要。管的性能非常重要。 MOS技术发展技术发展中的主要推动力就是在保证电性能参数不下降的前提下，中的主要推动力就是在保证电性能参数不

17、下降的前提下， 一代一代地缩小沟道长度一代一代地缩小沟道长度L和和氧化层厚度氧化层厚度tox。多晶硅GSD氧化层LeffLdrawnNNP型衬底LDW2021-10-2221NPPBSGDN 型衬底(a)BSGDPNNP 型衬底(b)UDD (a) PMOS管管(b) NMOS管管3.1.2 N阱及阱及PMOS 为了使为了使MOS管的电流只在导电沟道中沿表面流动而不产生垂直于衬底的额外电流，管的电流只在导电沟道中沿表面流动而不产生垂直于衬底的额外电流，源、漏以及沟道和衬底间必须形成反偏的源、漏以及沟道和衬底间必须形成反偏的PN结隔离。结隔离。 因此，因此，NMOS管的衬底管的衬底B必须接到系统

18、的最低电位点必须接到系统的最低电位点(例如例如“地地”)， 而而PMOS管的管的衬底衬底B必须要接到系统的最高电位点必须要接到系统的最高电位点(例如正电源例如正电源UDD)。 衬底的连接如图衬底的连接如图3 - 2所示。所示。 图图3 - 2 衬底的连接衬底的连接2021-10-2222但互补型但互补型CMOS技术中技术中NMOS和和PMOS要做在同一晶片，即同一衬底上。因此必须为要做在同一晶片，即同一衬底上。因此必须为某一器件做一个称之为某一器件做一个称之为“阱阱(Well)”的的“局部衬底局部衬底”。通常把通常把PMOS器件做在器件做在N阱中，同时阱中，同时N阱要接一定电位，通常高电位阱要

19、接一定电位，通常高电位UDD，以保证，以保证PMOS的漏源结保持反偏。的漏源结保持反偏。图图3 - 3 互补型互补型CMOS管管N阱中的阱中的PMOSPNNBSGDP 型衬底PGPDNBN阱S2021-10-22233.1.3 MOS管常用符号管常用符号图图3 - 4 MOS管常用符号管常用符号 DBSGNMOSSBDGPMOS(a)DNMOSBGSSPMOSBGD(b)DSNMOSSDGPMOS(c)DNMOSGSSPMOSGD(d)G2021-10-2224工作原理工作原理 再增加再增加uGS纵向电场纵向电场将将P区少子电子聚集到区少子电子聚集到P区表面区表面形成导电沟道，如果此时加有形成

20、导电沟道，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流漏源电压，就可以形成漏极电流id。栅源电压栅源电压uGS的控制作用的控制作用-P衬底sgN+bdVDD二氧化硅+N-s二氧化硅P衬底gDDV+Nd+bNVGGid当当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。即管子截止。当当uGS0V时时纵向电场纵向电场将靠近栅极下方的空穴向下排斥将靠近栅极下方的空穴向下排斥耗尽耗尽层。层。2021-10-2225阈值电压（回答第一个问题：阈值电压（回答第一个问题： UG多大时器件导通？换句

21、话说，阈值电压多少？多大时器件导通？换句话说，阈值电压多少？ ）以以NMOS为例。为例。3.2 MOS管的电流电压特性管的电流电压特性（C） 随着随着UG增大，经历：增大，经历： a）初始；）初始； b）耗尽；）耗尽； c）反）反型。型。 形成沟道所对应的电压形成沟道所对应的电压UG称为阈值电压。称为阈值电压。UGUGUG2021-10-2226图图3-5给出增强型给出增强型NMOS管和管和PMOS管工作在恒流区的转移特性，管工作在恒流区的转移特性， 其中其中UTHN(UTHP)为开启为开启电压，电压， 即阈值电压。即阈值电压。PMOS的导通现象类似于的导通现象类似于NMOS，但其所有的极性都

22、是相反的。栅源电压足够，但其所有的极性都是相反的。栅源电压足够“负负”，在，在氧化层和氧化层和N 衬底表面就会形成一个由空穴组成的反型层。衬底表面就会形成一个由空穴组成的反型层。图图3 - 5 MOS管的转移特性管的转移特性 uGSiDiDPMOSuGSUTHPUTHNNMOSO3.2.1 MOS管的转移特性管的转移特性2021-10-2227NMOS阈值电压阈值电压UTHN的定义为界面反型层的电子浓度等于的定义为界面反型层的电子浓度等于P型衬底的多子浓度时型衬底的多子浓度时的栅极电压。的栅极电压。UTHN与材料、与材料、 掺杂浓度、掺杂浓度、 栅氧化层电容等诸多因素有关。栅氧化层电容等诸多因

23、素有关。 还可以通过向沟道区注入杂质，还可以通过向沟道区注入杂质， 从而改变氧化层表面附近的衬底掺杂浓度来控从而改变氧化层表面附近的衬底掺杂浓度来控制阈值电压的大小。制阈值电压的大小。 栅极栅极C0栅氧化层P-Sitoxd栅极栅极C0Cdeptox耗尽层P-Si(a)(b)dP-Sitox反 型 层耗 尽 层栅极栅极C0Cdep反 型耗 尽积 累低 频高 频CC00.20UTUG(c)(d)沟道区2021-10-2228增强型增强型MOS和耗尽型和耗尽型MOSUGS增强型：在增强型：在UGS=0时，漏源之间没有导电通时，漏源之间没有导电通道，在达到一定值时才有导电电流。道，在达到一定值时才有导

24、电电流。耗尽型：在耗尽型：在UGS=0时，漏源之间就有导电通时，漏源之间就有导电通道。在制造过程中，在道。在制造过程中，在SiO2绝缘层中掺入绝缘层中掺入大量的正离子。在大量的正离子。在UGS=0时，在这些正离子时，在这些正离子的作用下，的作用下，P型衬底表面已经出现反型层，型衬底表面已经出现反型层，即存在导电沟道。即存在导电沟道。栅极栅极C0栅氧化层P - Sitoxd栅极栅极C0Cdeptox耗尽层P - Si(a )(b )dP - Sitox反型层耗尽层栅极栅极C0Cdep反型耗尽积累低频高频CC00.20UTUG(c )(d )SiO22021-10-22293.2.2 MOS管的输

25、出特性管的输出特性增强型增强型NMOS输出特性如下图输出特性如下图 3-6。栅压。栅压UGS超过阈值电压超过阈值电压UTHN后，开始出现电流且后，开始出现电流且栅压栅压UGS越大，漏极电流也越大的现象，体现了栅压对漏极电流有明显的控制作用。越大，漏极电流也越大的现象，体现了栅压对漏极电流有明显的控制作用。 漏极电压漏极电压UDS对漏极电流对漏极电流ID的控制作用基本上分两段，即线性区和饱和区。的控制作用基本上分两段，即线性区和饱和区。为了不和为了不和双极型晶体管的饱和区混淆，双极型晶体管的饱和区混淆，将将MOS管的饱和区称为恒流区管的饱和区称为恒流区。线性区和恒流区是以线性区和恒流区是以预夹断

26、点的连线为分界线。预夹断点的连线为分界线。线性区 饱和区(恒流区)IDUGS5 VUGS2.5 VUGS1.5 VUDSO2021-10-2230 在预夹断点之前，即在预夹断点之前，即 UDSUGS-UTH，管子工作在恒流区，此时，管子工作在恒流区，此时UDS增大，大部分电压降在夹断区，对沟增大，大部分电压降在夹断区，对沟道电场影响不大，因此电流增大很小。道电场影响不大，因此电流增大很小。 图图3 - 7 DS对沟道的影响对沟道的影响电流源区(N)漏区(N)反型层UDS UGS UTH(线性区)UDS UGS UTH(预夹断)UDS UGS UTH(恒流区)电流电流源区(N)源区(N)漏区(N

27、)漏区(N) 在栅压在栅压UGS一定的情况下，一定的情况下， 随着随着UDS从小变大，沟道将发生如图从小变大，沟道将发生如图3-7所示的变化。所示的变化。 2021-10-22313.2.3 MOS管的电流方程管的电流方程1、分析一个载有电流、分析一个载有电流I 的半导体棒，如果沿电流方向的电荷密度是的半导体棒，如果沿电流方向的电荷密度是Qd (C/m)，电荷移动速度是，电荷移动速度是v（m/s），则电流），则电流 ：I = Qd v。2、考虑一个漏源都接地的、考虑一个漏源都接地的NMOS，在，在UGSUTH时，开始出现反型层沟道电荷：时，开始出现反型层沟道电荷： Qd=WCox( UGS-U

28、TH )，WCox表示单位长度的总电容。图表示单位长度的总电容。图a3、若漏极电压大于、若漏极电压大于0，由于沟道电势从源极的，由于沟道电势从源极的0V变化到漏极的变化到漏极的UDS，则栅与沟道的局部电压从，则栅与沟道的局部电压从UGS-UTH变化到变化到UGS-UTH-UDS。因此沿轨道。因此沿轨道x点处电荷点处电荷 Qd(x)=WCox( UGS-UTH-Ux )，图，图b电流源区(N)漏区(N)反型层UDS UGS UTH(线性区)UDS UGS UTH(预夹断)UDS UGS UTH(恒流区)电流电流源区(N)源区(N)漏区(N)漏区(N)电流源区 (N )漏区 (N )反型层UDS

29、UGS UTH(线性区)UDS UGS UTH(预夹断)UDS UGS UTH(恒流区)电流电流源区 (N )源区 (N )漏区 (N )漏区 (N )0 xLab2021-10-2232 此时电流此时电流： ID=-WCox( UGS-UTH-Ux )v。对于半导体，。对于半导体， v=E，其中其中是载流子的迁是载流子的迁移率移率，E是电场。是电场。注意到注意到 E(x) =-dUx/dx，电子迁移率用，电子迁移率用n表示。则电流：表示。则电流： ID=WCox( UGS-UTH-Ux ) n ( dUx/dx ) 对应边界条件为对应边界条件为U(x=0)=0和和U(L)=UDS 。上式两边

30、都乘。上式两边都乘dx并积分可得：并积分可得： 由于由于ID沿沟道是常数，则：沿沟道是常数，则：xUUUnLdUdxDS0THxGSox0D ) U-U- U(WCI U-)UU-2(U LW2C I2DSDSTHGSoxDn线性区线性区2021-10-22334、若漏源电压、若漏源电压UDSUGS-UTH，沟道电流被夹断，漏极电流并不遵循抛物线特性。在饱和区，沟道电流被夹断，漏极电流并不遵循抛物线特性。在饱和区，此时，沿轨道此时，沿轨道x点处电荷：点处电荷： Qd(x)= WCox( UGS-UTH-Ux ) 积分：积分： xL，则电流：，则电流： 电流源区 (N )漏区 (N )反型层UD

31、S UGS UTH(线性区)UDS UGS UTH(预夹断)UDS UGS UTH(恒流区)电流电流源区 (N )源区 (N )漏区 (N )漏区 (N )0 x1Lx2xUUUUnxdUdxTHGS0THxGSox0D ) U-U- U(WCI2THGSoxD)U-(U LW2C In2021-10-2234 随着栅漏电压差增大，实际的导电沟道逐渐减小，则随着栅漏电压差增大，实际的导电沟道逐渐减小，则x实际上是实际上是UDS的函数，这一的函数，这一效应称为效应称为“沟道调制效应沟道调制效应”。 定义定义x=L-x，即，即1/x (1+ x/L) /L，假设，假设x/L与与UDS是线性的，即是

32、线性的，即x/L= UDS，是沟道长度调制系数，是沟道长度调制系数，则：则：)1 ()U-(U LW2Cox I2THGSDDSnU沟道长度调制效应沟道长度调制效应2021-10-2235 NMOS管在截止区、线性区、恒流区的电流方程如式管在截止区、线性区、恒流区的电流方程如式(3-4)所示：所示：)1 (2)( 2 2022DSnTHNGSoxnDSDSTHNGSoxnDNUUULWCUUUULWCIUGSUTHN(截止区) UDSUGS-UTHN(恒流区)(3-4a) (3-4b) (3-4c) 2021-10-2236 PMOS在截止区、线性区、恒流区的电流方程如式在截止区、线性区、恒流

33、区的电流方程如式(3-5)所示：所示： 2202()2(1)2PoxDPGSTHPDSDSpoxGSTHPpDSCWIUUUULCWUUUL |UGS|UTHP|(截止区) |UDS|UGS|-|UTHP| (恒流区)(3-5a) (3-5b) (3-5c) 2021-10-2237各参数的物理意义：各参数的物理意义：1、n电子迁移率；电子迁移率；p空穴迁移率空穴迁移率 n1300 cm2/sV (3 - 6) p500 cm2/sV (3 - 7) 2、Cox单位面积栅电容，单位面积栅电容， 且且3、W/L沟道宽度和沟道长度之比。沟道宽度和沟道长度之比。 4、UTHN、 UTHP开启电压开启

34、电压(阈值电压阈值电压)。 假设假设UDD=5 V， 则则 增强型增强型NMOS管：管：UTHN(0.140.18)UDD0.7 0.9 V 增强型增强型PMOS管：管：UTHP-0.16|UDD|-0.8 VoxSiOoxtsC20(3 - 9) 2021-10-22385、n、p沟道调制系数，即沟道调制系数，即UDS对沟道长度的影响。对沟道长度的影响。VUVUApAn/02. 01/01. 01对对PMOS： 式中，式中， UA为厄尔利电压为厄尔利电压(Early Voltage)，其意义如下图：，其意义如下图： 对对NMOS：UA(厄尔利电压)OiDUGSuDS2021-10-2239

35、对于典型的对于典型的0.5m工艺的工艺的MOS管，其主要参数如下管，其主要参数如下 假定有一假定有一0.5m工艺工艺NMOS管，管，W=3m, L=2m, 在恒流区则有在恒流区则有:AVVmmVAUULWKITHGSD93)7 . 02(23/7321)(2222若若UGS=5 V, 则则 mAVVmmVAID0 . 1)7 . 05(23/732122若若UGS=2 V, 则则 2021-10-22401. 线性区的输出电阻线性区的输出电阻 根据线性区的电流方程根据线性区的电流方程(式式(3 - 4b)， 当当UDS很小很小(UDS2(UGS-UTH)时，时， 可近似有：可近似有：DSHTG

36、SoxnDSDSHTGSoxnDUUULWCUUUULWCI)()(222(3 - 10) 3.2.4 MOS管的输出电阻管的输出电阻线性区饱和区(恒流区)IDUGS 5 VUGS 2.5 VUGS 1.5 VUDSOUGS=1.5V2.5V5V2021-10-2241可以看出，深线性区可以看出，深线性区Rox是是UGS的函数，的函数，UGS越大越大Rox越小，这一区域又叫可变电阻区。越小，这一区域又叫可变电阻区。那么，那么， 输出电阻输出电阻RON为：为： )(1THGSoxnDDSONUULWCIUR(3 - 11) 2021-10-22422、恒流区的输出电阻、恒流区的输出电阻 根据恒流区的电流方程根据恒流区的电流方程(式式(3 - 4c)， 有：有：DQADQnTHGSoxnnDDSONIUIUULWCIUR1)(212(3 - 12)可以看出：工作点越低，可以看出：工作点越低， IDQ越小，越小， 输出电阻越大。输出电阻越大。2021-10-2243恒流区电流方程在忽略沟道调制影响时为平方律方程，恒流区电流方程在忽略沟道调制影响时为平方律方程， 即即22THGSoxnDUULWCI(3 - 13) 在在恒流恒流区