模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)筆記（一）

參考資料：
[1]畢查德?拉扎維. 模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)[M]. 西安交通大學(xué)出版社, 2003.
[2]華中科技大學(xué). 集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ).中國(guó)大學(xué)慕課.

文章目錄

• 模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)筆記（一）
• 第2章 MOS器件物理基礎(chǔ)
• • 2.1 MOS管結(jié)構(gòu)以及IV特性
  • 2.2 MOS管二階特性
  • 2.3 MOS器件跨導(dǎo)
  • 2.4 MOS器件電容
  • 2.5 MOS小信號(hào)模型
  • 2.6 MOS管的本征增益
  • 2.7 大信號(hào)與小信號(hào)

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第2章 MOS器件物理基礎(chǔ)

2.1 MOS管結(jié)構(gòu)以及IV特性

MOS符號(hào)

在(a)(b)中，箭頭方向都是電流的方向，箭頭總是在靠近源極的一側(cè)，而載流子總是從源極流向漏極。PMOS器件源極放在頂端，這是因?yàn)樵礃O比柵極電位高。 在(c）圖中，小圓圈表示低電平導(dǎo)通（類似于數(shù)字電路中取反符號(hào)）

MOS管結(jié)構(gòu)

MOS管是四端器件
對(duì)于局部襯底，稱之為“阱"

$$L_{eff}=L_{drawn}?2L_D$$

源極定義為提供載流子的終端，而漏定義為收集載流子的終端。
源漏的作用可以互換。

MOS管工作原理

在G端加壓，首先形成耗盡層，可等效為電容C_dep

隨著V_G進(jìn)一步升高，在柵氧化層下方聚集反型載流子，稱為反型層，也叫載流子溝道。

閾值電壓：假定存在一個(gè)臨界值，當(dāng)$V_G=V_{TH}$時(shí)，形成反型層（溝道），漏源極之間導(dǎo)通。

MOS管IV特性

• MOS管一級(jí)模型（大信號(hào)模型）

• 兩個(gè)假設(shè)：長(zhǎng)溝道器件；平方律模型

• $V_{GS}<V_{TH}$,MOS管不導(dǎo)通

  • 當(dāng)$V_{GS}>V_{TH}$時(shí)，形成導(dǎo)電溝道，開(kāi)始導(dǎo)通

  定義$V_{OV}=V_{GS}?V_{TH}$為過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓(overdrive voltage)

• 當(dāng)$V_{DS}\le V_{GS}?V_{TH}$時(shí)，器件工作在三極管區(qū)（triode region）

  此時(shí)MOS管等效為一個(gè)線性電阻

• $V_{DS}\ge V_{GS}?V_{TH}$ ,靠近漏極的反型層夾斷，進(jìn)入飽和區(qū)

  此時(shí)MOS管等效為一個(gè)VCCS

  溝道長(zhǎng)度變短，意味著靠近漏極的絕緣柵下方溝道電荷變?yōu)?，出現(xiàn)了一個(gè)很強(qiáng)的橫向電場(chǎng)，可以讓電子快速通過(guò)。
  此時(shí)漏源電流不再取決于夾斷區(qū)電子的物理特性，而取決于溝道上的電壓降$V_{GS}?V_{TH}$

• 總結(jié)

增大$V_G$，溝道不再夾斷，MOS管進(jìn)入線性區(qū)
增大$V_D$，溝道開(kāi)始夾斷，MOS管進(jìn)入飽和區(qū)

2.2 MOS管二階特性

體效應(yīng)（背柵效應(yīng)）：源極和襯底之間電勢(shì)差$V_{SB}$對(duì)閾值電壓的大小有影響。

$V_{SB}=0$時(shí)，$V_{TH0}$為閾值電壓
$V_{TH}=V_{TH0}+\gamma (\sqrt{|2{\Phi }_F+V_{SB}|})$

溝長(zhǎng)調(diào)制效應(yīng)

夾斷區(qū)中，$X_d$是漏源電壓的函數(shù)，$I_D$隨著$V_{DS}$改變，這個(gè)現(xiàn)象稱為溝長(zhǎng)調(diào)制效應(yīng)
定義溝長(zhǎng)調(diào)制系數(shù)$\lambda$

亞閾值導(dǎo)通效應(yīng)

在一級(jí)模型中，我們假設(shè)當(dāng)
事實(shí)上，當(dāng)$V_{GS}<V_{TH}$時(shí)，晶體管中仍存在一個(gè)小電流
小電流的$I_{D}vs.V_{GS}$特性從平方關(guān)系轉(zhuǎn)換為指數(shù)關(guān)系

是否考慮亞閾值導(dǎo)通效應(yīng)的對(duì)比圖：

2.3 MOS器件跨導(dǎo)

工作在飽和區(qū)的MOS管可以等價(jià)為VCCS，輸出電流僅由柵源電壓控制。

將小信號(hào)柵電壓與漏電流聯(lián)系起來(lái)的參數(shù)叫做跨導(dǎo)（$g_m$)
跨導(dǎo)就是MOS管在工作點(diǎn)上根據(jù)大信號(hào)I-V公式的微分

2.4 MOS器件電容

電容充放電需要時(shí)間，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)出現(xiàn)惡化（產(chǎn)生一定的延時(shí)）

符號(hào)定義：$C_{OV}$ 單位寬度電容

分類電容

柵和溝道之間的氧化層電容	$C_1$
襯底和溝道之間的耗盡層電容	$C_2$
柵和源、漏極的覆蓋而產(chǎn)生的電容	$C_3{C}_4$
源、漏區(qū)與襯底之間的結(jié)電容	$C_5{C}_6$

== 除了D和S之間，其余任意兩端口之間都存在電容 ==

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以下是不同工作區(qū)域的MOSFET各端子之間的電容

截止區(qū)的電容

$C_{GB}$是由氧化層電容和耗盡層電容串聯(lián)得到的
$C_{GS}$ 、$C_{GD}$則對(duì)應(yīng)$C_3$、$C_4$

線性區(qū)的三個(gè)電容

因?yàn)镈和S電位近似相等，因此柵-溝道電容被柵源和柵漏平分（因?yàn)槿绻麞烹妷喊l(fā)生變化，電荷是由源和漏各提供 $\frac{1}{2}$，而不是由襯底提供的）

飽和區(qū)的三個(gè)電容

因?yàn)闇系乐虚g出現(xiàn)夾斷，導(dǎo)致柵氧化層中垂直電場(chǎng)沿著溝道方向不均勻，G與D之間不直接連通，電位不同。因此$C_{GS}$與$C_{GD}$不同。

$C_{GB}$在三極管區(qū)和飽和區(qū)通常被忽略，是因?yàn)榉葱蛯釉跂藕鸵r底之間起到屏蔽作用（電荷的變化量由源和漏（或者源）提供，而不是襯底）

匯總圖

2.5 MOS小信號(hào)模型

大信號(hào)模型：平方律特性+與電壓有關(guān)的電容
小信號(hào)模型是工作點(diǎn)附近大信號(hào)模型的線性近似。
當(dāng)信號(hào)對(duì)偏置影響小時(shí)，就可以使用小信號(hào)模型簡(jiǎn)化計(jì)算。

基本MOS小信號(hào)模型

考慮溝長(zhǎng)調(diào)制效應(yīng)的修正模型

3. 考慮背柵效應(yīng)的小信號(hào)模型



4. 低頻下MOS管完整的小信號(hào)模型

5. 加入電容的MOS管小信號(hào)模型

• MOS管的特征頻率$f_T$
  
  

減小溝道長(zhǎng)度，特征頻率$f_T$增加，工作頻率范圍隨之?dāng)U大
$V_{GS}$越大，特征頻率越高

思考題

在計(jì)算MOS管特征頻率時(shí)，為何只考慮$C_{GS}$,而沒(méi)考慮$C_{GD}$？

$C_{GB}$ 是柵氧化層電容$C_1$和導(dǎo)電溝道下方耗盡層電容$C_2$的串聯(lián)。請(qǐng)問(wèn)隨著$V_{GS}$的變化$C_{GB}$如何變化？
答：當(dāng)$V_{GS}<V_{TH}$時(shí)，$C_{GB}=C_1//C_2$,當(dāng)溝道導(dǎo)通時(shí)，可以認(rèn)為$C_{GB}=0$

共源極放大器電路中輸入電容包括哪些？

2.6 MOS管的本征增益

電源負(fù)載共源極放大器的小信號(hào)增益

如果$R_D=\infty$，$A_v=?g_m{r}_0$
稱為晶體管的“本征增益”，是一個(gè)MOS管可以達(dá)到的最高增益。
對(duì)于理想的長(zhǎng)溝道器件，$r_0\to \infty ,本征增益\to \infty$。

MOS管和BJT管的本征增益

2.7 大信號(hào)與小信號(hào)

大信號(hào)：即直流信號(hào)，為MOS管提供合適的偏置，讓MOS管工作在合適的區(qū)域
小信號(hào)：即可近似認(rèn)為不會(huì)影響偏置的交流信號(hào)

大信號(hào)分析（DC分析）：確定偏置電流，靜態(tài)工作點(diǎn)和電壓擺幅。
小信號(hào)分析（AC分析）：得到電壓增益，小信號(hào)輸入和輸出電阻。

大信號(hào)保證MOS管工作在飽和區(qū)，取某一個(gè)直流工作點(diǎn)，才可以得出小信號(hào)特性，否則沒(méi)有小信號(hào)模型中的參數(shù)值。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的模拟CMOS集成电路设计学习笔记（一）的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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