CMOS模拟集成电路设计-ch2器件物理

1、2漏漏（D: drain）、 栅栅（G: gate）、源源（S: source）、衬底、衬底（B: bulk）GSDMOSFET：一个低功耗、高效率的开关一个低功耗、高效率的开关3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是一个是一个四端四端器件器件45nNMOS管的阈值电压通常定义为界面的电子浓度等于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。型衬底的多子浓度时的栅极电压。OXOXOXTC通常通过沟道注入法来改变阈值电压的大小。通常通过沟道注入法来改变阈值电压的大小。6nMOS器件的器件的3个工作区个工作区VGSVTHDI =07

2、,GSTHDSGSTHVVVVV 当且时MOSFET 处于线性区处于线性区8Qd WCox(VGS VTH)Qd(x) WCox(VGSV(x) VTH)dIQv 9ID WCoxVGS V(x) VTHvIDdxx0LWCoxnVGS V(x) VTHdVV0VDSGiven v E and E(x) dV(x)dxID WCoxVGS V(x) VTHndV(x)dxIDnCoxWL(VGS VTH)VDS12VDS210IDnCoxWL(VGS VTH)VDS12VDS211IDnCoxWL(VGSVTH)VDS12VDS2()WDnoxGSTHDSLICVVV 深三极管区深三极管区线性

3、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）1()ONWnoxGSTHLRCVV 2()DSGSTHVVV 当时12 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 ）2()2noxDGSTHC WIVVL,GSTHDSGSTHVVVVV 且时2=GSTHDIWCn oxLVV 13饱和区内，电流近似只与饱和区内，电流近似只与 W/L 和过饱和电压和过饱和电压VGS-VTH 有有关，不随源漏电压关，不随源漏电压VDS变化变化2)(2THGSoxnDVVLWCI因此在因

4、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 tanDmGSVDS constIgV 跨导是小信号跨导是小信号(AC)参数，用来表参数，用来表征征MOSFET将电压变化转换为电流将电压变化转换为电流变化的能力。反映了器件的灵敏度变化的能力。反映了器件的灵敏度 VGS对对ID的控制能力。的控制能力。 14引入重要的概念引入重要的概念 transconductance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tcon

5、sVDSGSDmVIgtan 15()WnoxGSTHLCVV2WnoxDLCI2DGSTHIVV 16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？17怎么判断怎么判断MOSFET处在什么工作区？处在什么工作区？对于,管子导通,且相对于足够高，即（,管子进入线性）区GDGTHDVVNM SVVOV 方法二：方法二：（源极电压不源极电压不方便算出时）方便算出时）比较比较栅极栅极Vg和和漏端漏端Vd的电压的电压高低高低方法一：方法一：比较比较源漏电压源漏电压Vds和过饱和电和过饱和电

6、压压Vsat的高低的高低,DSGSTHVVV管子导通 且时，则管子进入区相反性区线是饱和 对于,管子导通,且相对于足够低，即（,管子进入线性）区GDGTHDVVPM SVVOV 图中图中MOS管的作用是什么？应该工作在什么工作区？管的作用是什么？应该工作在什么工作区？18思考题思考题即即NMOS开关不能传递最高电位，仅开关不能传递最高电位，仅对低电位对低电位是比较是比较理想的开关理想的开关相对的，相对的，PMOS开关不能传递最低电位，仅开关不能传递最低电位，仅对高电位对高电位是比较是比较理想的开关理想的开关192021其中，其中，为体效应系数，为体效应系数，典型值典型值0.3-0.4V1/22

7、2沟道层通过沟道层通过Cox耦耦合到栅极，通过合到栅极，通过CD 耦合到体区。耦合到体区。所以体区电压同样可以（通过所以体区电压同样可以（通过CD的耦合作用）影响沟道中的耦合作用）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。载流子的浓度，影响导电性，或者说阈值电压的大小。23体效应会导致设计参量复杂化，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设计通常不希望有体效应24L越大，沟调效应越小！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沟调效应使饱和区的沟调效应使饱和区的MOSFET不能再看成理想的电流源，不能再看成理想的电流源，而具有有限大小的

8、输出电阻而具有有限大小的输出电阻roDTHGSoxnDSDDDSoIVVLWCVIIVr1)(21/12252627分析高频交流特性时分析高频交流特性时必须考虑寄生电容的影响必须考虑寄生电容的影响根据物理结构根据物理结构，可以把，可以把MOSFET的寄生电容分为：的寄生电容分为：282930311D SoDDVrII gmb gm2 2FVSBgm小信号参数：小信号参数：32对于手算，模型不是越复杂越好。对于手算，模型不是越复杂越好。能提供合适的精度即可能提供合适的精度即可33模型精度决定电路仿真精度模型精度决定电路仿真精度最简单的模型最简单的模型Level 1，0.5 m适于手算适于手算n迁

9、移率迁移率4：1，高电流驱动能力，高跨导，高电流驱动能力，高跨导n相同尺寸和偏置电流时，相同尺寸和偏置电流时，NMOS管管rO大，更接近理想大，更接近理想电流源，能提供更高的电压增益电流源，能提供更高的电压增益n独占一个阱，可以有不同的体电位独占一个阱，可以有不同的体电位34353637并联并联串联串联38思考：思考：注意不要混淆管子的宽注意不要混淆管子的宽W和长和长L以及串并联关系！以及串并联关系！WL39倒比管倒比管401. 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？413. 如