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CMOS集成电路设计基础－MOS器件
CMOS集成电路设计基础
MOS器件
NMOS管的简化结构
CMOS集成电路设计基础
制作在P型衬底上(P-Substrate, 也称bulk或body, 为了区别于源极S， 衬底以B来表示)， 两个重掺杂N区形成源区和漏区， 重掺杂多晶硅区(Poly)作为栅极， 一层薄SiO2绝缘层作为栅极与衬底的隔离。
NMOS管的有效作用就发生在栅氧下的衬底表面——导电沟道(Channel)上。
由于源漏结的横向扩散， 栅源和栅漏有一重叠长度为LD， 所以导电沟道有效长度(Leff)将小于版图中所画的导电沟道总长度。 我们将用L表示导电沟道有效总长度Leff， W表示沟道宽度。
宽长比(W/L)和氧化层厚度tox这两个参数对MOS管的性能非常重要。 而MOS技术发展中的主要推动力就是在保证电性能参数不下降的前提下， 一代一代地缩小沟道长度L和氧化层厚度tox。
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为了使MOS管的电流只在导电沟道中沿表面流动而不产生垂直于衬底的额外电流， 源区、 漏区以及沟道和衬底间必须形成反偏的PN结隔离， 因此， NMOS管的衬底B必须接到系统的最低电位点(例如“地”)， 而PMOS管的衬底B必须要接到系统的最高电位点(例如正电源UDD)。 衬底的连接如图 (a)、 (b)所示。
衬底的连接
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N阱及PMOS
在互补型CMOS管中， 在同一衬底上制作NMOS管和PMOS管， 因此必须为PMOS管做一个称之为“阱(Well)”的“局部衬底” 。
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MOS管常用符号
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MOS管的电流电压特性
NMOS管和PMOS管工作在恒流区的转移特性， 其中UTHN(UTHP)为开启电压， 或称阈值电压(Threshold Voltage)。 在半导体物理学中， NMOS的UTHN定义为界面反型层的电子浓度等于P型衬底的多子浓度时的栅极电压。
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UTHN与材料、 掺杂浓度、 栅氧化层电容等诸多因素有关。 在器件制造过程中， 还可以通过向沟道区注入杂质， 从而改变氧化层表面附近的衬底掺杂浓度来控制阈值电压的大小。 工作在恒流区的MOS管漏极电流与栅压成平方律关系。
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NMOS的输出特性
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栅极电压超过阈值电压UTHN后， 开始出现电流且栅压uGS越大， 漏极电流也越大的现象， 体现了栅压对漏极电流有明显的控制作用。 漏极电压UDS对漏极电流ID的控制作用基本上分两段， 即线性区(Linear)和饱和区(Saturation)。 为了不和双极型晶体管的饱和区混淆， 我们将MOS管的饱和区称为恒流区， 以表述UDS增大而电流ID基本恒定的特性。
线性区和恒流区是以预夹断点的连线为分界线的(图虚线所示)。 在栅压UGS一定的情况下， 随着UDS从小变大， 沟道将发生如图所示的变化。
若 UDS=UGS-UTH 则沟道在漏区边界上被夹断， 因此该点电压称为预夹断电压。
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