模拟CMOS集成电路设计
第 2 章 MOS器件物理基础
2.1 基本概念
漏（D: drain）、 栅（G: gate）、 源（S: source）、衬底（B: bulk）
S
G
MOSFET：一个低功耗、高效率的开关
D
2
MOS符号
模拟电路中常用符号 MOSFET是一个四端器件
数字电路中常用
3
2.2 MOS的I/V特性
transconductance
ID gm VGS VDS cons tan t
跨导是小信号(AC)参数，用来表 征MOSFET将电压变化转换为电流 变化的能力。反映了器件的灵敏度 ——VGS对ID的控制能力。
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ID gm VGS VDS cons tant
nC
W ox L
nCox
W L'
12
ID
nCox W
2 L'
(VGS VTH ) 2
饱和区内，电流近似只与 W/L 和过饱和电压VGS-VTH 有关，不随源漏电压VDS变化 因此在VGS不变的条件下MOSFET可以等效为恒流源
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如果在栅极上加上信号，则 饱和区的MOSFET可以看作是 受VGS控制的电流源 利用这个特点可以实现信号的放大 引入重要的概念 跨导 gm

沟道长度调制效应
当沟道发生夹断后，如果VDS继续增大，有效沟道长 度L’会随之减小，导致漏源电流 ID 的大小略有上升， 饱和区的电流方程需要做如下修正：
其中λ为沟道长度调制系数
L越大，沟调效应越小！
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沟调效应使饱和区的MOSFET不能再看成理想的电流源，
而具有有限大小的输出电阻ro
VDS 1 1 1 ro n C ox W ID ID / VDS ID (VGS VTH ) 2
2 L
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亚阈值导电性（弱反型）
在初步分析MOSFET的时候，我们假设当VGS < VTH时， 器件会突然关断，即ID会立即减小到零；但实际上当VGS 略小于VTH 时，有一个“弱”的反型层存在，ID大小随 VGS下降存在一个“过程”，与VGS呈指数关系：
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2.4 MOS器件电容
分析高频交流特性时 必须考虑寄生电容的影响 根据物理结构，可以把 MOSFET的寄生电容分为：
管子导通, 且 VDS VGS VTH 时，则管子进入线性区 相反是饱和区
对于NMOS ,管子导通,且VG相对于VD足够高， 即（VG VTH VD）,管子进入线性区
对于PMOS ,管子导通,且VG相对于VD足够低， 即（VG VTH VD）,管子进入线性区
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思考题
图中MOS管的作用是什么？应该工作在什么工作区？
其中，γ为体效应系数，典型值0.3-0.4V1/2
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沟道层通过Cox耦 合到栅极，通过CD 耦合到体区。
所以体区电压同样可以（通过CD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。
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体效应对电路性能的影响
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
23
18
即NMOS开关不能传递最高电位，仅对低电位是比较理想的开关 相对的，PMOS开关不能传递最低电位，仅对高电位是比较理想的开关
19
20
2.3 二级效应

体效应
在前面的分析中，我们未加说明地假定衬底和源都是接 地的（for NMOS）。实际上当VB<VS时，器件仍能正常工作， 但是随着VSB的增加，阈值电压VTH会随之增加，这种体电位 （相对于源）的变化影响阈值电压的效应称为体效应，也称 为“背栅效应”。

深三极管区时，VDVS，

饱和区时，
在三极管区和饱和区，CGB通常可以被忽略。
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大信号和小信号模型

大信号模型

用于描述器件整体的电压-电流关系，通常为非线性 如果在静态工作点（偏置）上叠加变化的信号（交流信 号），其幅度“足够小”，则可以用线性化的模型去近 似描述器件，这种线性化模型就是小信号模型。
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NMOS VS PMOS

在大多数工艺中，NMOS管性能比PMOS管好


迁移率4：1，高电流驱动能力，高跨导
相同尺寸和偏置电流时，NMOS管rO大，更接近理想 电流源，能提供更高的电压增益 独占一个阱，可以有不同的体电位

对Nwell 工艺，用PMOS管可消除体效应

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NMOS管与PMOS管工艺参数的比较
2. 右图中MOSFET的过饱和电压是多少？管子处于什么工 作区？
R
Vb=1V
Vds=0.5V
40
3. 如图所示，Vin随时间线性增加。在不考虑沟调效应，需考 虑体效应的前提下，画出Vout随时间的曲线。
4. 下图是MOS管的电压电流曲线，图中L1和L2的大小关系是？
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D V 0
L
VDS
ox n
[VGS V ( x ) V TH ]dV
ID nC
W ox L
1 2 [(VGS VTH )VDS VDS ] 2
9
I/V Characteristics (cont.)
ID nC
W ox L
1 2 [(VGS VTH )VDS VDS ] 2
(VGS VTH ) 2 nC
W ox L
ID
2 ID VGS VTH
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到此为止，我们已经学习了MOSFET的三种用途： 开关管 恒流源
放大管
分别处在什么工作区？
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怎么判断MOSFET处在什么工作区？
方法一： 比较源漏电压 Vds和过饱和电 压Vsat的高低 方法二： （源极电压不 方便算出时） 比较栅极Vg和 漏端Vd的电压 高低

沟道的形成
4

阈值电压VTH

NMOS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。
COX
OX
TOX
在基础分析中，假定VGS大于VTH时，器件会突然导通。 通常通过沟道注入法来改变阈值电压的大小。
5

MOS器件的3个工作区
1. 截止区 cutoff
VGS<VTH
I D =0
6
2. 线性区 triode or linear region
当VGS VTH , 且VDS VGS VTH时
MOSFET 处于线性区
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Derivation of I/V Characteristics
I Qd v
Qd WCox (V GS VTH ) Qd ( x ) WCox (VGS V ( x ) VTH )
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长沟道器件和短沟道器件
前面的分析是针对长沟道器件（4m以上）而言
对短沟道器件而言，关系式必须修正 用简单模型手算，建立直觉；用复杂模型仿真， 得到精确结果。
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MOS管用作电容器时
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思考：
并联
淆管子的宽W和长L
以及串并联关系！
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复习题：
1. 解释什么是小信号跨导，给出饱和区MOSFET小信号跨 导的三种表达形式
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I/V Characteristics (cont.)
ID WCox[VGS V ( x ) VTH ]v
dV( x) Given v E and E( x) dx
dV( x ) ID WC ox [VGS V ( x) VTH ]n dx
x 0
I dx WC

栅和沟道之间的氧化层电容C1 衬底和沟道之间的耗尽层电容C2 多晶硅栅与源和漏交叠而产生的电容C3、C4， 每单位宽度交叠电容用Cov表示 源/漏与衬底之间的结电容C5、C6
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在电路分析中我们关心器件各个端口的等效电容： 器件关断时，CGD=CGS=CovW， CGB由氧化层电容和耗尽区电容串连得到
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深三极管区
ID nC
W ox L
1 2 [(VGS VTH )VDS VDS ] 2
当VDS 2(VGS VTH )时
ID nC
W ox L
(VGS VTH )VDS
线性区的MOSFET等效为一个线性电阻（导通电阻Ron）
1 RON nCox W (VGS VTH ) L
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3. 饱和区 active or saturation region
VGS VTH , 且VDS VGS VTH时
一个重要的概念（VGS-VTH ）
ID
nCox W (VGS VTH )2
2 L'
2I D
过驱动电压 Vov 有效电压Veff 过饱和电压 Vsat
VGS VTH =

小信号模型

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2.5 MOS小信号模型
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小信号参数：
ro
VDS 1 ID ID
gmb gm

2 2F VSB
gm
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MOS管的完整小信号模型
对于手算，模型不是越复杂越好。 能提供合适的精度即可
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MOS SPICE模型
模型精度决定电路仿真精度 最简单的模型——Level 1，0.5m 适于手算