文档介绍：基本MOS器件物理
本章是CMOS模拟集成电路设计的基础,在本章中,主要介绍在CMOS模拟集成电路中的有源器件与无源器件:对于有源器件主要从MOS晶体管的基本结构出发,分析其阈值电压及基本特性(输入输出特性、转移特性等),介绍MOS管的寄生电容,简要描述MOS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,并介绍了有源电阻的结构与特点。
本章对无源器件,即模拟集成电路中常用的电阻、电容等进行了介绍,分析了它们的结构及其特点。
另外还介绍了等比例缩小理论及其短沟道效应及狭沟道效应,以及MOS器件模型。
有源器件
在CMOS模拟集成电路中的有源器件主要是指MOS晶体管所构成的三极管、二极管(稳压二极管),当然在某些电路中还使用双极型三极管(NPN、PNP)。在本节中重点对MOS管进行介绍。
MOS晶体管结构与几何参数
1 MOS晶体管的结构
MOS器件结构:(a) 剖面图(b) 顶视图
(n阱)工艺的同一衬底(圆片或体硅)上的两种类型的MOS晶体管的简化结构,其左半部(浅色区)为NMOS管,而其右半部(深色区:即n阱)为一个PMOS管。每一种MOS管都有两个重掺杂区构成器件的两个端口:源端(S)与漏端(
D),一个重掺杂的多晶硅构成了器件的栅极(G),在栅极与衬底间用栅氧(即薄层二氧化硅)隔离。NMOS管的两个重掺杂区内的掺杂为n型,而PMOS管的两个重掺杂区内的掺杂为p型。在栅氧以下的衬底区域为器件的有效工作区,在制作时源区与漏区是几何对称的,一般根据电荷的输入与输出来定义源区与漏区:源端被定义为输出电荷(若为NMOS器件则为电子)的端口,而漏端则为收集电荷的端口。所以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在模拟集成电路中还要考虑衬底(B)的影响,衬底电位一般是通过一欧姆p+区(NMOS的衬底)以及n+区(PMOS衬底)实现连接的,所以在模拟集成电路中对于MOS晶体管而言,是一四端口器件。
但要注意对于数字集成电路设计,由于源/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PMOS晶体管的衬底(即为n阱)必须连接到系统的最高电位,即在数字集成电路中MOS晶体管可看成三端口器件。
,而每一个PMOS管可以有一个独立的n阱(可以接不同的阱电位)。而现在很多的CMOS工艺线采用了双阱工艺,即把NMOS管与PMOS管都制作在各自的阱内:NMOS管在p阱内,PMOS管在n阱内;因此,对于每一个NMOS管与PMOS管都可以有各自的衬底电位。
2 MOS管的几何参数
,场效应管中有三个主要的几何参数:沟道长L、沟道宽W及栅氧厚度tox。
沟道长度L:由于CMOS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尺寸(),由于在制造漏/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L’)略小于长度L,则有L’= L-2d,其中L是漏源之间的总长度,d是边缘扩散的长度。
沟道宽度W为垂直于沟道长度方向的栅的尺寸。
栅氧厚度tox则为栅极与衬底之间的二氧化硅的厚度。
从下面的分析可以发现MOS晶体管的几何参数直接影响MOS管的工作状态及其电路性能。
MOS管的工作原理及表示符号
MOS管可分为增强型与耗尽型两类,增强型是指在栅源电压VGS为0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MOS晶体管;而耗尽型是指即使在栅源电压VGS为0时MOS晶体管也存在导电沟道。这两类MOS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多少,从而控制漏极电流的大小。下面对此分别进行讨论。
1 N沟道增强型MOS管
当栅源短接(即栅源电压VGS=0)时,源区(n+型)、衬底(p型)和漏区(n+型)形成两个背靠背的PN结,不管VDS的极性如何,其中总有一个PN结是反偏的,所以源漏之间的电阻主要为PN结的反偏电阻,基本上无电流流过,即漏电流ID为0。例如:如果源极S与衬底相连接最低电位,漏极接电源正极时,漏极和衬底之间的PN结是反偏的,此时漏源之间的电阻很大,没有形成导电沟道。
若在栅源之间加上正向电压(栅极接正,源极接负),则栅极和p型硅片之间构成了以二氧化硅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p型衬底的电场(由于绝缘层很薄,即使只有几伏的栅源电压VGS,也可产生高达
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