本章首先介紹了MOS管的基本結(jié)構(gòu)并推導(dǎo)了其I/V特性，并闡述MOS管的二級(jí)效應(yīng)，如體效應(yīng)、溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)和亞閾值傳導(dǎo)等，之后介紹了MOS管的寄生電容，并推導(dǎo)其小信號(hào)模型。

一、基本概念

首先，了解MOS管的基本結(jié)構(gòu)，如圖1.1所示。

圖1.1

其中，設(shè)計(jì)參數(shù)有①總長(zhǎng)度Ldrawn，是畫(huà)晶體管版圖時(shí)的尺寸；②柵寬W。工藝參數(shù)有氧化層厚度tox；襯底摻雜濃度Nsub。

在模擬IC中，可以把MOS管認(rèn)作一個(gè)開(kāi)關(guān)，如圖1.2所示，G代表柵極、S代表源極、D代表漏極。MOS管作為開(kāi)關(guān)時(shí)，若G端的電壓為高電平，則源級(jí)和漏極是連通的；若G端的電壓為低電平，則源級(jí)和漏極是斷開(kāi)的；

圖1.2

那么，柵端的電壓取多大時(shí)，MOS管導(dǎo)通呢？這引出了閾值電壓的概念。閾值電壓是界面反型時(shí)的柵極電壓，其計(jì)算公式如圖1.3所示。

圖1.3

二、MOS管I-V特性

MOS管的漏電流與柵電壓之間存在什么樣的關(guān)系呢？我們總結(jié)了其I-V特性的計(jì)算公式，如圖1.4所示，注意，這里只總結(jié)了NMOS器件在不同工作區(qū)域的特性。其推導(dǎo)過(guò)程參見(jiàn)《模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)》第二版P12。

圖1.4

MOS管工作在飽和區(qū)時(shí)，其電流受到柵源過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓控制，故定義一個(gè)品質(zhì)因素來(lái)表示電壓轉(zhuǎn)換為電流的能力。我們把這個(gè)品質(zhì)因素定義為漏電流的變化量除以柵源電壓的變化量，稱之為跨導(dǎo)。其數(shù)值表示如圖1.5所示。

圖1.5

三、二級(jí)效應(yīng)

在分析MOS的結(jié)構(gòu)時(shí)，引入了各種簡(jiǎn)化的假設(shè)，但有些假設(shè)在實(shí)際模擬電路中并不成立。在這里介紹三種實(shí)際常見(jiàn)的現(xiàn)象，即二級(jí)效應(yīng)，有體效應(yīng)、溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)、亞閾值電導(dǎo)。

前面的假設(shè)中，晶體管的襯底和源是接地的，即源端和襯底的電壓為零。但是，當(dāng)襯底的電壓減小到低于源電壓時(shí)，閾值電壓的值增加。這就是體效應(yīng)或背柵效應(yīng)。體效應(yīng)系數(shù)及體跨導(dǎo)的計(jì)算如圖1.6所示。

圖1.6

在分析溝道夾斷時(shí)，柵和漏之間的電壓差增大時(shí)，實(shí)際的反型溝道長(zhǎng)度逐漸減小。所以，溝道長(zhǎng)度實(shí)際上是漏源電壓的函數(shù)。這被定義為溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)。其中，溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)及其產(chǎn)生的漏源電阻計(jì)算如圖1.7所示。

圖1.7

之前分析MOS管時(shí)，假設(shè)的是柵源電壓下降到低于閾值電壓時(shí)，MOS管會(huì)突然關(guān)斷。實(shí)際上，當(dāng)柵源電壓小于或等于閾值電壓時(shí)，仍有弱反型層的存在，即還有源漏電流。這一效應(yīng)稱為亞閾值導(dǎo)電。其漏電流與柵源電壓的關(guān)系如圖1.8所示。

圖1.8

四、MOS器件模型

在模擬電路中，為了預(yù)測(cè)其高頻特性，必須考慮器件的電容。假設(shè)其電容位于任意兩個(gè)端口之間。如圖1.9所示。

圖1.9

MOS管工作在飽和區(qū)時(shí)的I-V特性與電容構(gòu)成了大信號(hào)模型，在對(duì)信號(hào)會(huì)顯著影響偏置工作點(diǎn)時(shí)，該模型必不可少；當(dāng)信號(hào)對(duì)偏置影響小時(shí)，可以用小信號(hào)模型簡(jiǎn)化計(jì)算。小信號(hào)模型即是工作點(diǎn)附近的大信號(hào)模型的近似。用小信號(hào)的基本模型，考慮體效應(yīng)和溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，并加上器件電容，則構(gòu)成了完整的小信號(hào)模型。如圖1.10所示。

圖1.10