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2.1 CMOS模拟集成电路基本单元

2.1.1 MOS场效应管的基本结构

绝缘栅场效应管又叫作MOS场效应管，意为金属-氧化物-半导体场效应管。图2.1为MOS场效应管的结构和电路符号。图中的N型硅衬底是杂质浓度低的N型硅薄片。在它上面再制作两个相距很近的P区，分别引为漏极和源极，而由金属铝构成的栅极则是通过二氧化硅绝缘层与N型衬底及P型区隔离。这也是绝缘栅MOS场效应管名称的由来。因为栅极与其它电极隔离，所以栅极是利用感应电荷的多少来改变导电沟道去控制漏源电流的。MOS场效应管的导电沟道由半导体表面场效应形成。栅极加有负电压，而N型衬底加有正电压。由于铝栅极和N型衬底间电场的作用，使绝缘层下面的N型衬底表面的电子被排斥，而带正电的空穴被吸引到表面上来。于是在N型衬底的表面薄层形成空穴型号的P型层，称为反型层，它把漏源两极的P区连接起来，构成漏源间的导电沟道。沟道的宽窄由电场强弱控制。MOS场效应管的栅极与源极绝缘，基本不存在栅极电流，输入电阻非常高。[20,21]

图2.1 MOS场效应管的结构和电路符号

Fig.2.1 Structure and circuit symbol that MOS Field-Effect Transistor

场效应管有P型和N型之分。这里的P型或N型，指的是导电沟道是P型还是N型，即导电沟道中是空穴导电还是电子导电。因为场效应管中只有一种载流子参加导电，所以又常称为“单极型晶体管”。P型沟道和N型沟道的MOS场效应管又各分为“耗尽型”和“增强型”两种。耗尽型指栅极电压为零时，就存在导电沟道，漏源中间有一定电流。增强型MOS场效应管，则只有在栅极电压大于零的情况下，才存在导电沟道。 2.1.2 MOS场效应管的模型化

MOS管的大信号（直流）特性可以用它的电流方程来描述。以N沟道增强型MOS

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管为例，特性曲线和电流方程如图2.2所示。

ID ID 饱和区 电阻区

0 VDS 截止区 0 VT 2VT VGS 图2.2 特性曲线和电流方程

Fig.2.2 Characteristic property curve and electric current equation

如果栅源偏置电压VGS大于MOS管的阈值电压VT，则在P型衬底的表面由于静电感应会产生大量的电子，形成导电沟道。当漏区相对于源区加一正电压VDS时，在器件内部的沟道中就会产生电流ID。

MOS管的工作状态可分为三个区，即电阻区（线性区）、饱和区和截止区。 （1）截止区： VGSVT且VDS

ID?K'W2[2(VGS?VT)VDS?VDS] (2.1) 2L 其中，W是沟道宽度，L是沟道长度，VT阈值电压，K'??C0称为跨导参数，?是载流子的沟道迁移率，C0是单位电容的栅电容。

（3）饱和区：VGS>VT且VDS>VGS－VT。临界饱和条件为VDS=VGS-VT，临界饱和时的漏极电流为：

ID?K'W(VGS?VT)2 (2.2) 2L 在饱和区，VDS增大时，ID几乎不变，所以上式也是饱和区的漏极电流一般公式。

当考虑到沟道长度调变效应之后，饱和区的MOS管漏极电流为：

ID?不得用于商业用途

K'W(VGS?VT)2(1??VDS) (2.3) 2L仅供个人参考

其中，λ为沟道长度调制系数，对于长度为L的MOS管，其大信号特性可近似认为λ是常数，并只取决于生产工艺，而与ID无关。[22,23] MOS场效应管的小信号模型

输入信号的幅度与电源电压相比较一般很小，它在直流偏置工作点附近变化时，可以近似认为器件工作在线性区间。大信号特性可以确定器件的直流工作点，小信号特性可以用来设计器件和电路的性能。

MOS管的小信号模型可以直接由直流模型得出。在大多数应用中，MOS管被偏置在饱和区工作，考虑到栅源、栅漏及漏源之间的寄生电容，MOS管的饱和区小信号模型如图2.3所示。

gm??ID (2.4) ?VGS式中， gm为跨导，表征输入电压对输出电流的控制能力。 对于在饱和区工作的模型参数，应用式2.2和2.4得： gm?2K'WID (2.5) L其中，ID是漏极的直流电流。

CGDGCGSDgmvgsCDSrdsS

图2.3 小信号模型 Fig.2.3 Small signal model

当电路在低频工作时可以不考虑这些寄生电容的影响，此时的小信号等效电路如图2.4所示。

GDvgsgvgsm

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