MOS场效应管的基本结构及应用

MOS场效应管的基本结构及应用1 MOS管基本结构2 MOS管的输出特性3 MOS管的交流小信号模型4 亚阈值模型5 基本MOS电流镜6 基本差分输入电路1 MOS管基本结构MOS场效应管是以硅为衬底材料，以二氧化硅为绝缘层，以金属铝或掺杂多晶硅为栅，所以成为金属氧化硅半导体场效应管，简称MOS管。每一个MOS管都有两个重掺杂区构成器件的两个端口：源端(S)与漏端(D)和一个重掺杂的多晶硅构成器件的栅级(G)，栅极与沟道之间有栅氧(即薄层SiO2)隔离，输入电阻达1014欧姆以上。MOS集成电路的工艺比较简单，集成密度高是超大规模集成电路的特点。NMOS增强型场效应管典型结构如图1所示，其中衬底材料为P型半导体，两个N+区由扩散工艺形成，分别为源区和漏区。栅氧化层上面是金属电极，称为栅极。栅氧化层下面及源、漏之间的区域称为沟道区。源及漏区分别由金属电极接触形成S极，D极。衬底引出的电极为B极，通常B与源是短接并且接地，但有时也将源极N+与衬底B之间加上反偏电压，此时其特性与S、B短接时不同。图1 NMOS增强型场效应管结构图MOS管分为增强型和耗尽型两类，增强型场效应管的特点是栅源电压VGS=0时，栅氧化层下面不存在n型导电沟道，只有当在栅极上加以正电压VGSVT(阈值电压)时，才在源、漏之间的P型材料表面形成一个导电的沟道，使导电类型相同的源、漏区连接起来。耗尽型场效应管，其主要特点是栅源电压VGS=0时，N型沟道已经存在了。控制氧化层中一定数量的正电荷或用离子注入便能做到这一点。在同一衬底上，生成P沟道MOS场效应管和N沟道MOS场效应管，这种结构和工艺通常称为COMS电路结构与工艺。由于CMOS电路结构简单，功耗小，因而在MOS集成电路中，广泛采用电路结构与工艺。MOS场效应管在应用中有多种连接方式。最常用的是共源连接方式，以N沟道增强型MOS管为例，如图2所示。源极与衬底相连接，信号有栅极G输入，经MOS场效应管放大后由漏极D输出。图2 N沟道增强型MOS管共源连接2 MOS管的输出特性NMOS增强型场效应管的输出特性曲线如图 3所示，该输出特性曲线可以划分为四个工作区，即：(1) 截止区：，。(2) 可变电阻区(线性区)：，在此区域中，随的变化而近似于线性变化，所以，也称其为线性区。当增加到时，栅极与漏极之间的电压恰好等于开启电压VT，故靠近漏极端的硅表面反型层消失，只剩下耗尽区，即此处沟道厚度为零(漏极处的沟道开始夹断)，这种情况对应于输出特性曲线中可调电阻区与饱和区的交界处。此后漏极电流开始饱和。(3) 饱和区:，在此区域内，几乎不随而变，故称为漏极电流饱和区。饱和区是MOS场效应管的主要工作区。(4) 击穿区:当(为MOS管的击穿电压)时，漏极与衬底之间的PN结发生反向击穿，将急剧增加，特性曲线进入击穿区。此时漏极电流不经沟道区而直接由漏极流入衬底。在电路设计时，应避免MOS场效应管工作在击穿区。图3 NMOS增强型场效应管的输出特性曲线3 MOS管的交流小信号模型小信号是指对偏置的影响非常小的信号。它是一种简化计算工作的线性模型，它只在一定的电压或电流范围内有效，在此范围内信号的电压和电流的关系曲线可以适当的用一直线表示。图4是NMOS交流小信号等效模型，沟道导纳gm，gmbs，gds常被称为栅跨导、衬底跨导和漏电导。图4NMOS交流小信号模型电路 (1)其中。如果静态电流为，忽略的影响，则 (2) (3) (4)rsd是MOS管的输出电阻，由式4可知，通过减小和减小漏源偏置电流的方法可以达到提高小信号输出电阻的目的。而要减小，则必须增大沟道长度L，这表明，要改变MOS管的输出电阻，不仅可以通过改变偏置电流来实现，还可以通过改变器件沟道长度来实现。4 亚阈值模型在上述讨论中，普遍认为只要栅源电压小于阈值电压时，即使0，MOS管中就应该没有电流流过，这与实际情况不符。事实上，当减小而接近时，特性曲线由平方关系转变为指数关系。大于阈值电压的区域叫做强反型区，低于阈值电压的区域叫做亚阈值区反型区。由于MOS管工作在亚阈值区时，其漏电流较小，功耗也很小。当今在集成度不断提高的情况下，降低功耗称为主要的需解决问题，故MOS管在亚阈值区小电流工作情况的研究越来越得到人们的重视。5 基本MOS电流镜电流镜是CMOS模拟集成电路设计中的一个很常用的模块。电流镜不仅可以用来产生偏置电流和用作有源负载，还可以用来实现电流信号的复制和倍乘。图5为基本MOS电流镜电路，基准电流IR可由外电路来提供， IO为镜像电流，其中T2的栅漏短接，始终工作在饱和状态。设T1始终工作在饱和状态，那么, (5)若集成工艺条件使得T1和T2的特性理想匹配，同时忽略沟道长度调制效应，又两关的栅源电压相等，所以电流传输比可化简为： (6)显然，电流传输比是尺寸的比例函数，该比例可以由设计者控制。图5 基本MOS电流镜6 基本差分输入电路基本差分输入电路如图6所示，恒流源Iss为偏置电流(也称作尾电流)。假设：(1) MOS管T1, T2的尺寸和特性理想对称；( 2 ) T1, T2始终工作在饱和区；(3) T1, T2的体效应及沟道长度调制效应可以忽略。则输出电流为与之差为： (当时) (7)式7是差分对的输出电流-输入电压方程式，即直流传输特性表达式，是一个非线性函数，只有在条件下，与才成近似线性关系。在维持传输特性近似线性条件下，增加偏置电流ISS或减小跨导参数K值，输入电压VID的允许范围可以加大。图6基本差分输入电路