mos管有源電阻和無源器件課件

MOS器件物理MOS器件物理1MOS管交流小信號模型

MOS管低頻小信號模型小信號是指對偏置的影響非常小的信號。由于在很多模擬電路中，MOS管被偏置在飽和區(qū)，所以主要推導出在飽和區(qū)的小信號模型。在飽和區(qū)時MOS管的漏極電流是柵源電壓的函數(shù)，即為一個壓控電流源，電流值為gmVGS，且由于柵源之間的低頻阻抗很高，因此可得到一個理想的MOS管的小信號模型，如圖所示。MOS管交流小信號模型MOS管低頻小信號模型2MOS管交流小信號模型其中（a）為理想的小信號模型。實際的模擬集成電路中MOS管存在著二階效應，而由于溝道調(diào)制效應等效于漏源之間的電阻ro；而襯底偏置效應則體現(xiàn)為背柵效應，即可用漏源之間的等效壓控電流源gmbVBS表示，因此MOS管在飽和時的小信號等效模型如圖(b)所示。上圖所示的等效電路是最基本的，根據(jù)MOS管在電路中不同的接法可以進一步簡化。

(a)(b)MOS管交流小信號模型其中（a）為理想的小信號模型。(a)3MOS管交流小信號模型MOS管高頻小信號等效電路在高頻應用時，MOS管的分布電容就不能忽略。即在考慮高頻交流小信號工作時必須考慮MOS管的分布電容對電路性的影響，所以MOS管的高頻小信號等效電路可以在其低頻小信號等效電路的基礎上加入MOS管的級間電容實現(xiàn)，如圖所示。MOS管交流小信號模型MOS管高頻小信號等效電路4MOS管交流小信號模型不同工作狀態(tài)（截止、飽和、線性）時MOS管的分布電容值不同，因此若進行詳細的計算比較困難，但可以通過軟件模擬進行分析。另外，在高頻電路中必須注意其工作頻率受MOS管的最高工作頻率的限制（即電路的工作頻率如高于MOS管的最高工作頻率時，電路不能正常工作）。MOS管交流小信號模型不同工作狀態(tài)（截止、飽和、線性）時MO5有源電阻

MOS管的適當連接使其工作在一定狀態(tài)（飽和區(qū)或是線性區(qū)），利用其直流電阻與交流電阻可以作為電路中的電阻元件使用。MOS二極管作電阻MOS二極管是指把MOS晶體管的柵極與漏極相互短接構(gòu)成二端器件，如圖所示。

有源電阻MOS管的適當連接使其工作在一定狀態(tài)（飽和區(qū)或是線6有源電阻由上圖可知，MOS二極管的柵極與漏極具有同的電位，MOS管總是工作在飽和區(qū)，根據(jù)飽和薩氏方程可知其轉(zhuǎn)移特性曲線（漏極電流－柵源電壓間的關系曲線）如下圖所示。NMOSPMOS有源電阻由上圖可知，MOS二極管的柵極與漏極具有同的電位，M7有源電阻(1)直流電阻此時NMOS管的直流電阻為：PMOS管的直流電阻為：

由以上兩式可以發(fā)現(xiàn)：MOS二極管的直流電阻與器件的尺寸相關，并且還取決于VGS的值。

有源電阻(1)直流電阻8有源電阻（二）交流電阻交流電阻可以視為MOS管的輸出特性曲線在VDS＝VGS時的斜率，對于理想的情況，即忽略溝道調(diào)制效應時，其值為無窮大?？紤]溝道調(diào)制效應時，交流電阻是一有限值，但遠大于在該工作點上的直流電阻，且其值基本恒定。有源電阻（二）交流電阻9有源電阻1）忽略襯底偏置效應首先根據(jù)飽和薩氏方程，可得到其電壓與電流特性：則有：

上式說明當流過三極管的電流確定后，MOS管的二端壓降僅與幾何尺寸有關。有源電阻1）忽略襯底偏置效應10有源電阻再根據(jù)MOS二極管的低頻小信號模型，有：V1＝V和I＝V/ro＋gmV。所以小信號工作時MOS二極管可近似為一個兩端電阻，其值為：

由上式可以看出：二極管連接的MOS管的交流電阻等于其跨導的倒數(shù)，且為一非線性電阻。但由于在模擬電路中一般交流信號幅度較小，因此，在直流工作點確定后，可以認為其值為一恒定值。

有源電阻再根據(jù)MOS二極管的低頻小信號模型，有：V1＝V和I11有源電阻2）考慮襯底偏置效應如果考慮體效應，如下圖（a）所示，由于襯底接地電位，則有：V1＝－V，Vbs＝－V，其等效電路如下圖（b）所示。（a)(b)有源電阻2）考慮襯底偏置效應（a)12有源電阻根據(jù)KCL定理，由上圖（b）可以得到：

所以此時的等效電阻為：

上式即為考慮了襯底偏置效應與溝道調(diào)制效應的小信號電阻，由上式可知：在考慮襯底效應后，從M1的源端看其阻抗降低了。

有源電阻根據(jù)KCL定理，由上圖（b）可以得到：13有源電阻2MOS管的柵極接固定偏置根據(jù)MOS管的柵極所接的固定偏置的大小不同，MOS管可工作于飽和區(qū)與三極管區(qū)。在實際應用中，根據(jù)輸出端不同，又可分為漏輸出與源輸出兩類工作方式。

有源電阻2MOS管的柵極接固定偏置14有源電阻1）漏輸出，源極交流接地VGS是固定的，當MOS管的漏源電壓大于柵極的過驅(qū)動電壓時，MOS管工作于飽和區(qū)，忽略溝道調(diào)制效應時，其阻值為無窮大，但實際阻值應考慮溝道調(diào)制效應，可用飽和薩氏方程求出：

而當漏源電壓小于柵極過驅(qū)動電壓時，MOS管工作于三極管區(qū)，此時的等效輸出電阻為：

有源電阻1）漏輸出，源極交流接地15有源電阻2）源輸出，漏極交流接地此時柵源電壓隨輸出電壓變化，當MOS管工作于飽和區(qū)時，其輸出電阻為1/gm；而當MOS管工作于三極管區(qū)時，其輸出電阻值為：

式中的gm為器件跨導，而gd則為器件導納。且有：

所以此時的輸出電阻值較小。有源電阻2）源輸出，漏極交流接地16有源電阻總之，當MOS管在電路中作有源電阻時，一般柵接固定電位（接漏是一種特例），這時根據(jù)柵電壓大小來判定MOS管的工作區(qū)域（飽和區(qū)與三極管區(qū)），另外，輸出的端口是源端或是漏端，其呈現(xiàn)的阻抗也不同。

有源電阻總之，當MOS管在電路中作有源電阻時，一般柵接固定電17無源器件

在模擬集成電路中的無源器件主要是指電阻、電容等，精密的電阻、電容是MOS模擬電路設計所要求的主要基本元件，電阻或電容在電路應用中最關鍵的是要提供精確的元件值，但在大多數(shù)情況下，電阻或電容的絕對值不如它們的比值那么重要。

無源器件在模擬集成電路中的無源器件主要是指電阻、電容等18無源器件電阻電阻是模擬電路的最基本的元件，在集成電路中有多種設計和制造方法，并有無源電阻與有源電阻之分。電阻的大小一般以方塊數(shù)來表示，電阻的絕對值為：

式中R□為單位方塊電阻值，L和W分別是指電阻的長度與寬度。

無源器件電阻19無源器件若假定這些參數(shù)是統(tǒng)計無關的，則電阻值的偏差可表示為：

在大多數(shù)情況下，由于L>>ΔL，所以上式可簡化成：

通常對于上式中第一項偏差，離子注入電阻比擴散電阻要小，襯底硅電阻比多晶硅電阻要?。ǘ嗑Ч璨牧暇Я＝Y(jié)構(gòu)變化增加所致）；第二項偏差，隨著光刻技術特別是干法刻蝕即等離子刻蝕技術的出現(xiàn)，該項偏差大大減小。

無源器件若假定這些參數(shù)是統(tǒng)計無關的，則電阻值的偏差可表示為：20無源器件在某些設計中，要求精確的電阻比值，對稱叉指式設計布局用來補償薄層電阻與條寬范圍的梯度變化。在電阻設計時還需注意相對于襯底的寄生電容可能把一些高頻噪聲通過電阻疊加在有用信號上，所以在設計時對一些特殊電阻必須加電屏蔽（如阱接地，采用多晶電阻或雙多晶結(jié)構(gòu)）。

無源器件在某些設計中，要求精確的電阻比值，對稱叉指式設計布局21無源器件－源/漏擴散電阻金屬柵與硅柵技術的NMOS和CMOS工藝，與漏源區(qū)同時制成。方塊電阻值為R□＝20~100Ω，在需要較大電阻時，需要很多方塊，占用很大面積，所以一般不用擴散電阻制作大阻值的電阻。精度為±20%，溫度系數(shù)為500~1500ppm/℃，電壓系數(shù)為100~500ppm/V，所以不能用作精密電阻。存在大的寄生電容（n+-p結(jié)電容），并且由于存在淺結(jié)，所以會產(chǎn)生壓電電阻，從而引入誤差。

無源器件－源/漏擴散電阻金屬柵與硅柵技術的NMOS和CMOS22無源器件－P阱（N阱）擴散電阻（阱電阻或溝道電阻）CMOS金屬柵和硅柵工藝。R□＝1000~5000Ω，并且其薄層電阻值更高。由于阱的擴散深度及其引起的橫向擴散約有5至10微米，使電阻條不可能做得很窄。且電阻條之間還需要設計出溝道截止環(huán)，以消除電阻間的表面反型層漏電流，因此在制作大電阻時，其面積也較大。具有大的電壓系數(shù)，且其電阻精度為±40%。無源器件－P阱（N阱）擴散電阻（阱電阻或溝道電阻）CMOS23無源器件－注入電阻NMOS和CMOS金屬柵與硅柵工藝?？梢耘c耗盡層注入相結(jié)合。方塊電阻R□＞500~1000Ω（最大為1MΩ），可以制作較大電阻而不用占很大面積。電阻阻值易于控制，但需要一次額外的掩膜。但離子注入與襯底間所形成的p-n結(jié)存在不同的反偏時，耗盡層寬度不同，因此導電層內(nèi)的載流子流量會發(fā)生變化，所以電阻的線性度不理想，電壓系數(shù)高，并且由于氧化層表面電荷的影響，導電層表面的載流子濃度也不穩(wěn)定，因此大電阻的精度受一定的限制。這類電阻具有小的溫度系數(shù)，但很難消除壓電電阻效應。

無源器件－注入電阻NMOS和CMOS金屬柵與硅柵工藝?？梢耘c24無源器件－多晶電阻NMOS與CMOS硅柵工藝，與源/漏同時擴散。方塊電阻為R□＝30~200Ω。制作大電阻時，可另外再加上一次光刻，用離子注入較小劑量來實現(xiàn)，其阻值可達10千歐/方塊。但多晶硅電阻的薄層電阻大小，除與離子注入劑量有關外，還與多晶硅的厚度，多晶硅的淀積質(zhì)量等有關，因此難以用來制作精密電阻。溫度系數(shù)為500~1500ppm/℃，電阻誤差較大。但可以通過激光與多晶絲來調(diào)節(jié)電阻值，且由于多晶硅下面有厚的氧化層與電路隔離，其寄生電容大大減小。無源器件－多晶電阻NMOS與CMOS硅柵工藝，與源/漏同時擴25無源器件－薄膜電阻NMOS和CMOS的金屬柵與硅柵工藝，需要額外的工藝步驟，通過濺射方法把Ni-Cr、Cr-Si或鉬按一定比例成分淀積在硅片的絕緣層上實現(xiàn)。方塊電阻值可由所用材料的性質(zhì)比例成分和淀積層厚度決定，一般情況下，薄膜厚度為幾百至幾千埃，方塊電阻：Ni-Cr為幾百歐/方，Cr-Si為幾百至幾千歐/方。薄膜電阻的線性度最好，電壓系數(shù)很小，溫度系數(shù)也小（約100ppm/℃），與MOS的其它工藝條件無關。并且可以用激光修正、氧化、退火等提高電阻的精度。無源器件－薄膜電阻NMOS和CMOS的金屬柵與硅柵工藝，需要26無源器件－電容

在MOS模擬集成電路中，電容也是一個不可或缺的元件，由于其易于與MOS器件相匹配，且制造較易，匹配精度比電阻好，所以得到了較廣泛的應用。多數(shù)都用SiO2作為介質(zhì)，但也有采用SiO2/Si3N4夾層作為介質(zhì)，主要是利用Si3N4較高的介電常數(shù)特性來制作較大的電容。由于沉積氧化層厚度有較大的偏差，因此沉積氧化物通常不適用于制作精密電容器。在理想情況下，其電容值可用下式進行計算：

無源器件－電容在MOS模擬集成電路中，電容也是一個不可或缺27無源器件－電容標準偏差為：

通常選擇W＝L（提高電容的Q值），則上式中后二項的誤差取決于光刻誤差，通常稱之為邊緣誤差；而上式中前兩項的誤差為氧化層效應誤差。在小電容時，起主導作用的是邊緣效應誤差，而大電容時主要取決于氧化層誤差。電容器的比例精度主要取決于它們的面積比（特別是小電容）

無源器件－電容標準偏差為：28無源器件－電容PN結(jié)電容直接利用PN結(jié)構(gòu)成的電容，這類電容具有大的電壓系數(shù)和非線性，因此并不常用。MOS電容只適用于NMOS與CMOS金屬柵工藝，如圖所示溫度系數(shù)為25ppm/℃，電容誤差為±15%。這是一種與電壓相關的電容，電壓系數(shù)為25ppm/V。無源器件－電容PN結(jié)電容29無源器件－電容多晶與體硅之間的電容（PIS）NMOS與CMOS多晶硅柵（金屬柵）工藝實現(xiàn)，需要額外一次離子注入來形成底板的n+重摻雜區(qū)，以多晶硅為上極板，二氧化硅為介質(zhì)，n+為下極板構(gòu)成電容。襯底必須接一個固定電位，此時多晶與體硅間的電容可認為是一無極性的電容，但存在底板pn結(jié)寄生電容（15%~30%）。電壓系數(shù)-10ppm/V，溫度系數(shù)20~50ppm/℃，誤差±15%。另外，這類電容可以通過多晶條的激光修正來調(diào)節(jié)電容值。無源器件－電容多晶與體硅之間的電容（PIS）30無源器件－電容雙多晶電容（PIP）由NMOS與CMOS雙多晶工藝實現(xiàn)，其上下極板都為多晶，介質(zhì)為薄氧化層。介質(zhì)氧化層一般與柵氧同時形成。電壓系數(shù)為100ppm/V，溫度系數(shù)100ppm/℃。多晶2的面積可以小于薄氧化層面積，從而只有較小的寄生電容（厚氧電容）。由于雙層多晶硅電容具有性能穩(wěn)定、寄生電容小等優(yōu)點，因此在MOS集成電路中有廣泛應用。無源器件－電容雙多晶電容（PIP）31無源器件－電容MOS器件作電容由于MOS管中存在著明顯的電容結(jié)構(gòu)，因此可以用MOS器件制作成一個電容使用。如果一個NMOS管的源、漏、襯底都接地而柵電壓接正電壓，當VG上升并達到Vth時在多晶硅下的襯底表面將開始出現(xiàn)一反型層。在這種條件下NMOS可看成一個二端器件，并且不同的柵壓會產(chǎn)生厚度不一樣的反型層，從而有不同的電容值。

無源器件－電容MOS器件作電容32無源器件－電容1、耗盡型區(qū)：柵壓為一很負的值，柵上的負電壓就會把襯底中的空穴吸引到氧化層表面，即構(gòu)成了積累區(qū)，此時，由于只有積累區(qū)出現(xiàn)，而無反型層，且積累層的厚度很厚，因此積累層的電容可以忽略。此時的NMOS管可以看成一個單位面積電容為Cox的電容，其中間介質(zhì)則為柵氧。當VGS上升時，襯底表面的空穴濃度下降，積累層厚度減小，則積累層電容增大，該電容與柵氧電容相串后使總電容減小，直至VGS趨于0，積累層消失，當VGS略大于0時，在柵氧下產(chǎn)生了耗盡層，總電容最小。

無源器件－電容1、耗盡型區(qū)：33無源器件－電容2、弱反型區(qū)VGS繼續(xù)上升，則在柵氧下面就產(chǎn)生耗盡層，并開始出現(xiàn)反型層，該器件進入了弱反型區(qū)，在這種模式下，其電容由Cox與Cb串聯(lián)而成，并隨VGS的增大，其電容量逐步增大。3、強反型區(qū)當VGS超過Vth時，其二氧化硅表面則保持為一溝道，且其單位電容又為Cox。無源器件－電容2、弱反型區(qū)34無源器件－電容金屬與多晶電容（MIP）通過NMOS與CMOS硅柵工藝實現(xiàn)，在蒸鋁之前用光刻的方法刻去多晶硅上的厚氧化層，然后在制作柵氧化層時在多晶硅上熱生長一薄氧化層，最后蒸鋁，從而得到了鋁－氧化層－多晶硅電容。這種電容通常位于場區(qū)。當然也可以用多晶硅作為電容的上極板，而金屬作為其下極板，介質(zhì)為氧化層構(gòu)成電容。無源器件－電容金屬與多晶電容（MIP）35無源器件－電容MIP電容的特點：可以對多晶條進行修正以獲得較精確的電容值。由于介質(zhì)變化與張馳使得在Q－V中的滯后，所以CVD氧化層不適用于作為電容介質(zhì)。在多晶硅與襯底之間存在寄生電容，由于其介質(zhì)為厚的場氧化層，因此該寄生電容很小，通常為所需電容的十分之一；而從可靠性考慮，其金屬層必須大于介質(zhì)氧化層，所以金屬層與襯底間存在寄生電容，但其值則更小，只為所需電容的百分之一左右。電壓系數(shù)為100ppm/V，溫度系數(shù)為：100ppm/℃。無源器件－電容MIP電容的特點：36無源器件－電容多晶與場注入?yún)^(qū)的電容只能在帶場注入的NMOS與CMOS硅柵工藝中采用，由于該電容的介質(zhì)為厚的場氧，所以單位面積的氧化層電容較小。在應用這類電容時，電容的底板必須與襯底相連。MIM電容這是最近出現(xiàn)的一種電容結(jié)構(gòu)。其中的介質(zhì)層是專門形成的，而不是單純的場氧。無源器件－電容多晶與場注入?yún)^(qū)的電容37短溝道效應

隨著半導體工藝水平的發(fā)展以及在實際應用中所要求的高速、低功耗以及小的版圖面積等，MOS器件尺寸的不斷縮小，在當前的0.13um的CMOS工藝，最小溝道長度已經(jīng)低于0.15μm，由此會引入一系列高階效應。此時，就不能完全用一階薩氏方程來描述MOS器件的特性，必須考慮按比例縮小后的高階效應，這種效應統(tǒng)稱為短溝道效應。

短溝道效應隨著半導體工藝水平的發(fā)展以及在實際應用中所要求的38按比例縮小1按比例縮小理論在CMOS工藝中MOS管具有按比例縮小的性質(zhì)，MOS器件按比例縮小大大改進了數(shù)字集成電路的性能表明其有很大的潛力。按比例縮小有三種理論：恒定電場CF理論、恒定電壓CV理論、準恒壓QCV理論。理想的按比例縮小理論即為恒定電場CF理論，是指器件所有的橫向和縱向尺寸都縮小α倍（α＞1）；閾值電壓和電源電壓降低α倍；所有的摻雜濃度增加α倍。因此器件尺寸和電壓一起縮小，則晶體管內(nèi)部所有電場保持不變。恒定電壓按比例縮小理論是指器件尺寸減小α倍，摻雜濃度增大α倍，而電壓保持不變，因而電場增大α倍。而準恒壓按比例縮小理論是介于以上兩種理論之間。按比例縮小1按比例縮小理論39按比例縮小的影響

主要介紹CF理論對MOS器件的一些主要參數(shù)性能的影響。1、MOS管的電容1）總的柵氧電容由于器件的縱向尺寸按比使縮小了α倍，則柵氧厚度也縮小了α倍，所以單位面積的柵氧電容增大了α倍。器件總的柵氧電容則為：

上式表明器件總的柵氧電容減小為原來的1/α。

按比例縮小的影響主要介紹CF理論對MOS器件的一些主要參數(shù)40按比例縮小的影響2）源/漏結(jié)電容主要由底板電容（即耗盡區(qū)電容）與側(cè)壁電容構(gòu)成，所以在分析CF對源/漏結(jié)電容的影響時需綜合考慮這兩部分的影響。單位面積的耗盡層電容：在按CF理論進行縮小時單位面積的耗盡層電容主要取決于其耗盡層厚度，而耗盡層厚度可表示為：

式中NA和ND表示結(jié)兩邊的摻雜濃度，φB＝VTln(NAND/ni2)，VR是反向偏置電壓。假定VR＞＞φB，可得：

按比例縮小的影響2）源/漏結(jié)電容41按比例縮小的影響上式表明，耗盡層的厚度也按比例縮小α倍，因此單位面積的耗盡區(qū)電容增大了α倍。再考慮單位寬度的側(cè)壁電容Cjsw，同理，由于pn結(jié)結(jié)深減小α倍，而耗盡層厚度也減小α倍，因此單位寬度的側(cè)壁電容保持不變。所以源/漏結(jié)的總電容為：

上式表明源/漏結(jié)的總電容也縮小了α倍。由1）、2）可以總結(jié)出，采用CF理論縮小時，器件所有的分布電容都同樣縮了α倍。

按比例縮小的影響上式表明，耗盡層的厚度也按比例縮小α倍，因此42按比例縮小的影響2MOS管的工作電流假定按比例縮小后，仍可