CMOS学习笔记

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一、MOS管的物理基础

MOS管是对栅极电压放大,(输入阻抗无穷大)

1.阈值电压

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当栅极电压不断升高,p衬底(多子空穴,少子电子)的空穴被赶离栅区留下负离子,当负离子完全中和p型硅中的多子(空穴)时就会形成耗尽层。此时没有载流子因而没有电流流动。
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当界面的电势足够高时,电子便会从源极流经界面最终流向漏极,栅氧下就会形成载流子沟道。

V T H 0 V_{TH0} VTH0定义为界面的电子浓度等于p型衬底多子浓度时的栅压。

工艺确定了 V T H 0 V_{TH0} VTH0就确定了,无法更改。
V T H 0 = Φ M S + 2 Φ F + Q d e p C o x V_{TH0}=\Phi_{MS}+2\Phi_F+\frac{Q_{dep}}{C_{ox}} VTH0=ΦMS+2ΦF+CoxQdep
V T H V_{TH} VTH实际上还和衬源的电势有关(体效应),在后面进行描述。

2.MOS管工作区

定义:过驱动电压为 V G S − V T H V_{GS}-V_{TH} VGSVTH

1.截止区 0 ≤ V G S < V T H 0≤V_{GS}<V_{TH} 0VGS<VTH

V G S V_{GS} VGS较小吸引到绝缘层的少子电子数量少不足以形成沟道。

2.线性区 V G S > V T H , V D S < V G S − V T H V_{GS}>V_{TH},V_{DS}<V_{GS}-V_{TH} VGS>VTH,VDS<VGSVTH

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V G S V_{GS} VGS超过阈值电压后,沟道内会形成电流,源漏之间有电压差且当电压差不是特别大时,电子呈斜线分布于沟道中,漏极电流随 V D S V_{DS} VDS的增大而增大。

3.饱和区 V G S > V T H , V D S ≥ V G S − V T H V_{GS}>V_{TH},V_{DS}≥V_{GS}-V_{TH} VGS>VTH,VDSVGSVTH

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当漏极电压继续增大且大于过驱动电压时,电子在源极聚集,导致沟道被夹断,电流大小保持不变。
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3.I-V特性推导
3.1.线性区

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v表示沟道电子的漂移速度,对于半导体有 v = μ E v=\mu E v=μE
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工作在线性区的漏极电流:
I D = μ n C o x W L [ ( V G S − V T H ) V D S − 1 2 V D S 2 ] I_D=\mu_nC_{ox}\frac{W}{L}[(V_{GS}-V_{TH})V_{DS}-\frac{1}{2}V_{DS}^2] ID=μnCoxLW[(VGSVTH)VDS21VDS2]
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这是一个关于 V D S V_{DS} VDS的二次函数的表达式, I D I_D ID顶点所对应的 V D S V_{DS} VDS恰好为过驱动电压。

V D S < < 2 ( V G S − V T H ) V_{DS}<<2(V_{GS}-V_{TH}) VDS<<2(VGSVTH)时,MOS管工作在深线性区,此时可以等效为一个大小可由栅极电压控制的电阻。
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3.2.饱和区

V D S > V G S − V T H V_{DS}>V_{GS}-V_{TH} VDS>VGSVTH时,MOS管工作在饱和区,上述计算 I D I_D ID的式子将不再适用,需要改变一下积分的上下限。

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工作在饱和区的漏极电流:
I D = μ n C o x 2 W L ′ ( V G S − V T H ) 2 I_D=\frac{\mu_nC_{ox}}{2}\frac{W}{L'}(V_{GS}-V_{TH})^2 ID=2μnCoxLW(VGSVTH)2
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(注意:让L’默认为L,就是 V D S V_{DS} VDS不能太大让夹断点太过偏移)

3.3.截止区

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3.4.总结 *

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大多数情况下我们用NMOS而不用PMOS是因为迁移率不同,NMOS的电流驱动能力比PMOS强。

4.MOS管的跨导

由于MOS管工作在饱和区时,漏极电流 I D I_D ID受过驱动电压控制,定义一个参数来表示电压转换电流的能力( V G S 对 I D V_{GS}对I_D VGSID的控制能力或衡量MOS管放大能力的重要物理量),跨导定义为单位栅压变化下漏极电流的变化。

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有三种表达形式,分别与过驱动电压、漏极电流以及二者的关系。
g m = μ n C o x W L ( V G S − V T H ) g_m=\mu_nC_{ox}\frac{W}{L}(V_{GS}-V_{TH}) gm=μnCoxLW(VGSVTH)
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当工作在线性区时,跨导计算为
g m = μ n C o x W L V D S g_m=\mu_nC_{ox}\frac{W}{L}V_{DS} gm=μnCoxLWVDS
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MOS管做信号放大的时候让其工作在饱和区而非线性区是因为饱和区的跨导大(跨导衡量电流对电压的一个放大能力的参量)。

5.MOS管的二级效应

前面所有的推导都是基于最简单的假设,二级效应是必须要考虑的因素,它会对电路的一些性能指标带来影响,二级效应包括体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性、热载流子效应、速度饱和、垂直电场引起的迁移率退化、温度特性等。

5.1.体效应

源极和衬底不短接造成的阈值电压的变化。

之前默认衬底和源是短接的(由工艺确定)
V T H 0 = Φ M S + 2 Φ F + Q d e p C o x V_{TH0}=\Phi_{MS}+2\Phi_F+\frac{Q_{dep}}{C_{ox}} VTH0=ΦMS+2ΦF+CoxQdep
当源极和衬底之间不短接时,阈值电压表示为
V T H = V T H 0 + γ ( 2 Φ F + V S B − 2 Φ ) γ = 2 q ϵ s i N s u b C o x 体效应系数,典型值为 0.3 — 0.4 V_{TH}=V_{TH0}+\gamma(\sqrt{2\Phi_F+V_{SB}}-\sqrt{2\Phi})\\ \gamma=\frac{\sqrt2q\epsilon_{si}N_{sub}}{C_{ox}}体效应系数,典型值为0.3—0.4 VTH=VTH0+γ(2ΦF+VSB )γ=Cox2 qϵsiNsub体效应系数,典型值为0.3—0.4
消除体效应的方法就是源和衬底短接
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Q3体效应的害处和用处:

害处:导致设计参量复杂化(如原跟随器电路)

用处:利用体效应通过改变阈值电压大小从而改变漏极电流的大小,实现低压电源电路设计。

5.2.沟道长度调制效应*

在饱和区工作的情况下,默认 L ′ = L L'=L L=L,漏电流表示为
I D = μ n C o x 2 W L ′ ( V G S − V T H ) 2 I_D=\frac{\mu_nC_{ox}}{2}\frac{W}{L'}(V_{GS}-V_{TH})^2 ID=2μnCoxLW(VGSVTH)2
而实际上, L ′ < L , 或表示为 L ’ = L − δ L L'<L,或表示为L’=L-\delta L L<L,或表示为L=LδL

在沟道长度较长(长沟道器件)或者 V D S V_{DS} VDS不太大(工作在临界饱和区),使得夹断点距离漏极不太远的情况下,可以满足 δ L < < L \delta L<<L δL<<L
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考虑沟道长度调制效应的饱和区漏电流表示为
I D = μ n C o x 2 W L ( V G S − V T H ) 2 ( 1 + λ V D S ) I_D=\frac{\mu_nC_{ox}}{2}\frac{W}{L}(V_{GS}-V_{TH})^2(1+\lambda V_{DS}) ID=2μnCoxLW(VGSVTH)2(1+λVDS)
影响及解决的措施

1.沟道长度调制效应对I—V特性曲线的影响就是会引起饱和区有限斜率的存在。

2.考虑沟道长度调制效应同样也会影响跨导的改变。
g m = μ n C o x W L ( V G S − V T H )   — > g m = μ n C o x W L ( V G S − V T H ) ( 1 + λ V D S ) g_m=\mu_nC_{ox}\frac{W}{L}(V_{GS}-V_{TH})~~ —>\\ g_m=\mu_nC_{ox}\frac{W}{L}(V_{GS}-V_{TH})(1+\lambda V_{DS}) gm=μnCoxLW(VGSVTH)  >gm=μnCoxLW(VGSVTH)(1+λVDS)
3.沟道长度调制效应无法消除,但是可以降低(用长沟道器件 or V D S V_{DS} VDS 工作在临界饱和区)

5.3.亚阈值导电特性

实际的MOS管无法等效为理想的开关,这是因为亚阈值导电性的存在,即当 V D S ≤ V T H V_{DS}≤V_{TH} VDSVTH I D S I_{DS} IDS仍然存在。

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带来的问题:1.带来功耗;2.造成存储的信息丢失。

6.MOS管的小信号模型
6.1定义回顾

大信号模型:信号相对于偏置工作点而言较大,会显著影响静态工作点时用该模型。

小信号模型:信号相对于偏置工作点而言较小,不会显著影响偏置工作点时用该模型可以简化计算。

6.2MOS小信号模型分析过程

Step1.理想状态下

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👆对于理想状态下的MOS管,若源极的电压变动很小,其小信号模型可以表征为漏极到源极可以看成是一个电流源,与小信号 V G S V_{GS} VGS有关。

Step2.考虑沟道长度调制*
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👆由于沟道长度调制效应,漏电流会随源漏极的电压发生改变,由公式可知,相当于在原基础上并联了一个与 V D S V_{DS} VDS呈线性关系的电流源,该电流源可以等效成一个线性阻抗(因为是在输出端,所以把他考虑成为MOS管的输出电阻)。

本征增益:MOS管在没有负载的情况下输出和输入电压的比值。
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👆由于 λ 和 I D \lambda和I_D λID均与 1 L \frac{1}{L} L1呈正比关系,因此输出阻抗 r o r_o ro L 2 L^2 L2呈正比关系。

Step3.考虑体效应
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👆由于上述求输出电阻的时候是 V D S V_{DS} VDS I D I_{D} ID求偏导, I D I_D ID V T H V_{TH} VTH相关,而由于体效应, V T H V_{TH} VTH会与 V B S V_{BS} VBS相关,因此还需要考虑 V B S V_{BS} VBS的影响,就在原来的基础上再并联一个与 V B S V_{BS} VBS相关的电流源。

Step4.考虑电容

实际上还要考虑栅极、源极、漏极、衬底之间的电容
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参考 《模拟CMOS集成电路设计》 拉扎维
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