MOS管的基本结构 MOS管的二级效应

本章首先介绍了MOS管的基本结构并推导了其I/V特性，并阐述MOS管的二级效应，如体效应、沟道长度调制效应和亚阈值传导等，之后介绍了MOS管的寄生电容，并推导其小信号模型。

一、基本概念

首先，了解MOS管的基本结构，如图1.1所示。

图1.1

其中，设计参数有①总长度Ldrawn，是画晶体管版图时的尺寸；②栅宽W。工艺参数有氧化层厚度tox；衬底掺杂浓度Nsub。

在模拟IC中，可以把MOS管认作一个开关，如图1.2所示，G代表栅极、S代表源极、D代表漏极。MOS管作为开关时，若G端的电压为高电平，则源级和漏极是连通的；若G端的电压为低电平，则源级和漏极是断开的；

图1.2

那么，栅端的电压取多大时，MOS管导通呢？这引出了阈值电压的概念。阈值电压是界面反型时的栅极电压，其计算公式如图1.3所示。

图1.3

二、MOS管I-V特性

MOS管的漏电流与栅电压之间存在什么样的关系呢？我们总结了其I-V特性的计算公式，如图1.4所示，注意，这里只总结了NMOS器件在不同工作区域的特性。其推导过程参见《模拟CMOS集成电路设计》第二版P12。

图1.4

MOS管工作在饱和区时，其电流受到栅源过驱动电压控制，故定义一个品质因素来表示电压转换为电流的能力。我们把这个品质因素定义为漏电流的变化量除以栅源电压的变化量，称之为跨导。其数值表示如图1.5所示。

图1.5

三、二级效应

在分析MOS的结构时，引入了各种简化的假设，但有些假设在实际模拟电路中并不成立。在这里介绍三种实际常见的现象，即二级效应，有体效应、沟道长度调制效应、亚阈值电导。

前面的假设中，晶体管的衬底和源是接地的，即源端和衬底的电压为零。但是，当衬底的电压减小到低于源电压时，阈值电压的值增加。这就是体效应或背栅效应。体效应系数及体跨导的计算如图1.6所示。

图1.6

在分析沟道夹断时，栅和漏之间的电压差增大时，实际的反型沟道长度逐渐减小。所以，沟道长度实际上是漏源电压的函数。这被定义为沟道长度调制效应。其中，沟道长度调制系数及其产生的漏源电阻计算如图1.7所示。

图1.7

之前分析MOS管时，假设的是栅源电压下降到低于阈值电压时，MOS管会突然关断。实际上，当栅源电压小于或等于阈值电压时，仍有弱反型层的存在，即还有源漏电流。这一效应称为亚阈值导电。其漏电流与栅源电压的关系如图1.8所示。

图1.8

四、MOS器件模型

在模拟电路中，为了预测其高频特性，必须考虑器件的电容。假设其电容位于任意两个端口之间。如图1.9所示。

图1.9

MOS管工作在饱和区时的I-V特性与电容构成了大信号模型，在对信号会显著影响偏置工作点时，该模型必不可少；当信号对偏置影响小时，可以用小信号模型简化计算。小信号模型即是工作点附近的大信号模型的近似。用小信号的基本模型，考虑体效应和沟道长度调制效应，并加上器件电容，则构成了完整的小信号模型。如图1.10所示。

图1.10