mos管有源电阻和无源器件解读

无源器件－多晶电阻
• NMOS与CMOS硅栅工艺，与源/漏同时扩散。
金属 汽相淀积氧化 多晶硅Ⅰ或Ⅱ
场氧
p
• 方块电阻为R□＝30~200Ω。制作大电阻时，可另外再加上一次光刻，用离子 注入较小剂量来实现，其阻值可达10千欧/方块。但多晶硅电阻的薄层电阻大 小，除与离子注入剂量有关外，还与多晶硅的厚度，多晶硅的淀积质量等有 关，因此难以用来制作精密电阻。 • 温度系数为500~1500ppm/℃，电阻误差较大。 • 但可以通过激光与多晶丝来调节电阻值，且由于多晶硅下面有厚的氧化层与 电路隔离，其寄生电容大大减小。
无源器件－薄膜电阻
• NMOS和CMOS的金属栅与硅栅工艺，需要额外的
工艺步骤，通过溅射方法把Ni-Cr、Cr-Si或钼按一定 比例成分淀积在硅片的绝缘层上实现。 • 方块电阻值可由所用材料的性质比例成分和淀积层 厚度决定，一般情况下，薄膜厚度为几百至几千埃，
方块电阻：Ni-Cr为几百欧/方，Cr-Si为几百至几千
位，MOS管总是工作在饱和区，根据饱和萨氏方程
可知其转移特性曲线（漏极电流－栅源电压间的关
系曲线）如下图所示。
IDS VGS VthP
VthN
NMOS
VGS
PMOS
IDS
有源电阻
(1) 直流电阻
• 此时NMOS管的直流电阻为：
VDS VGS VGS Ron ID ID K N (VGS Vthn ) 2
• 考虑沟道调制效应时，交流电阻是一有限值， 但远大于在该工作点上的直流电阻，且其值 基本恒定。
有源电阻
1）忽略衬底偏置效应 • 首先根据饱和萨氏方程，可得到其电压与电 流特性： • 则有：
I D K N (VGS Vth ) 2
V VGS VDS Vth
ID
KN
• 上式说明当流过三极管的电流确定后，MOS 管的二端压降仅与几何尺寸有关 。
在直流工作点确定后，可以认为其值为一恒定值。
有源电阻
2）考虑衬底偏置效应 • 如果考虑体效应，wk.baidu.com下图（a）所示，由于衬 底接地电位，则有：V1＝－V，Vbs＝－V，其 等效电路如下图（b）所示。
M1 VDD
+
V1 gmV1 I V + ro gmbVbs
I V + -
(b)
（a)
有源电阻
• 根据KCL定理，由上图（b）可以得到：
• NMOS与CMOS多晶硅栅（金属栅）工艺实现，需要额外一次离 子注入来形成底板的n+重掺杂区，以多晶硅为上极板，二氧化硅 为介质，n+为下极板构成电容。
• 金属栅与硅栅技术的NMOS和CMOS工艺，与漏源区同时制成。
热氧化层 金属
n+ p
• 方块电阻值为R□＝20~100Ω，在需要较大电阻时，需要很多方 块，占用很大面积，所以一般不用扩散电阻制作大阻值的电阻。 • 精度为±20%，温度系数为500~1500ppm/℃，电压系数为 100~500ppm/V，所以不能用作精密电阻。 • 存在大的寄生电容（n+-p结电容），并且由于存在浅结，所以会 产生压电电阻，从而引入误差。
欧/方。 • 薄膜电阻的线性度最好，电压系数很小，温度系数 也小（约100ppm/℃），与MOS的其它工艺条件无 关。并且可以用激光修正、氧化、退火等提高电阻
的精度。
无源器件－电容
• 在MOS模拟集成电路中，电容也是一个不可或缺的元
件，由于其易于与MOS器件相匹配，且制造较易，匹
配精度比电阻好，所以得到了较广泛的应用。 • 多数都用SiO2作为介质，但也有采用SiO2/Si3N4夹层作 为介质，主要是利用Si3N4较高的介电常数特性来制作 较大的电容。
V ( g m g mb )V I ro
• 所以此时的等效电阻为：
V 1 I g m g mb 1 ro 1 1 ro g m g mb g m g mb
• 上式即为考虑了衬底偏置效应与沟道调制效应的小
信号电阻，由上式可知：在考虑衬底效应后，从M1 的源端看其阻抗降低了。
R口 2 L 2 W 2 (S D ) R ( ) ( ) ( ) R口 L W
• 在大多数情况下，由于L>>Δ L，所以上式可简化成：
R口 2 W 2 (S D ) R ( ) ( ) R口 W
• 通常对于上式中第一项偏差，离子注入电阻比扩散电阻要小， 衬底硅电阻比多晶硅电阻要小（多晶硅材料晶粒结构变化增 加所致）；第二项偏差，随着光刻技术特别是干法刻蚀即等 离子刻蚀技术的出现，该项偏差大大减小。
MOS管交流小信号模型
MOS管高频小信号等效电路
• 在高频应用时，MOS管的分布电容就不能忽 略。即在考虑高频交流小信号工作时必须考 虑MOS管的分布电容对电路性的影响，
• 所以MOS管的高频小信号等效电路可以在其 低频小信号等效电路的基础上加入MOS管的 级间电容实现，如图所示。
MOS管交流小信号模型
• 直接利用PN结构成的电容，这类电容具有大的电压系数和非线 性，因此并不常用。 MOS电容 • 只适用于NMOS与CMOS金属栅工艺，如图所示
金属
薄氧 p+
p 型衬底
• 温度系数为25ppm/℃，电容误差为±15%。 • 这是一种与电压相关的电容，电压系数为25ppm/V。
无源器件－电容
多晶与体硅之间的电容（PIS）
有源电阻
• MOS管的适当连接使其工作在一定状态（饱和区或是线性 区），利用其直流电阻与交流电阻可以作为电路中的电阻元 件使用。 • MOS二极管作电阻 MOS二极管是指把MOS晶体管的栅极与漏极相互短接构 成二端器件，如图所示。
I + V1 gmV1
ro V + -
有源电阻
• 由上图可知，MOS二极管的栅极与漏极具有同的电
MOS管交流小信号模型
G + VGS S VB
(a)
D gmVGS
G
+ VGS S VBS +
(b)
D gmVGS ro gmbVBS
• 其中（a）为理想的小信号模型。 • 实际的模拟集成电路中MOS管存在着二阶效应，而由于沟道调制效应等 效于漏源之间的电阻ro；而衬底偏置效应则体现为背栅效应，即可用漏源 之间的等效压控电流源gmbVBS表示，因此MOS管在饱和时的小信号等效 模型如图 (b)所示。 • 上图所示的等效电路是最基本的，根据MOS管在电路中不同的接法可以 进一步简化。
无源器件－ P阱（N阱）扩散电阻（阱电阻或沟道电阻）
• CMOS金属栅和硅栅工艺。
热氧化层 金属
p+
n+ p n
p+
• R□＝1000~5000Ω，并且其薄层电阻值更高。 • 由于阱的扩散深度及其引起的横向扩散约有5至10微米，使电阻 条不可能做得很窄。且电阻条之间还需要设计出沟道截止环，以 消除电阻间的表面反型层漏电流，因此在制作大电阻时，其面积 也较大。 • 具有大的电压系数，且其电阻精度为±40%。
无源器件
电阻 • 电阻是模拟电路的最基本的元件，在集成电路中
有多种设计和制造方法，并有无源电阻与有源电
阻之分。电阻的大小一般以方块数来表示，电阻
的绝对值为：
L R R口 W
• 式中R□为单位方块电阻值，L和W分别是指电阻 的长度与宽度。
无源器件
• 若假定这些参数是统计无关的，则电阻值的偏差可表示为：
• 由于沉积氧化层厚度有较大的偏差，因此沉积氧化物通
常不适用于制作精密电容器。 • 在理想情况下，其电容值可用下式进行计算：
CS
ox
t ox
WL
ox
t ox
无源器件－电容
• 标准偏差为：
(S D ) C (
ox
ox
t ox 2 L 2 W 2 ) ( ) ( ) ( ) t ox L W
和区时，其输出电阻为1/gm；而当MOS管工作于三 极管区时，其输出电阻值为： 1 ro gm gd
式中的gm为器件跨导，而gd则为器件导纳。且有：
g m 2K N VDS
g d 2K N (VGS Vth ) 2 K N I DS
• 所以此时的输出电阻值较小。
有源电阻
• 总之，当MOS管在电路中作有源电阻时，
• PMOS管的直流电阻为：
VDS VGS VGS Ron ID ID K P (VGS Vthp ) 2
• 由以上两式可以发现：MOS二极管的直流电阻与 器件的尺寸相关，并且还取决于VGS的值。
有源电阻
（二） 交流电阻
• 交流电阻可以视为MOS管的输出特性曲线在 VDS＝VGS时的斜率，对于理想的情况，即忽 略沟道调制效应时，其值为无穷大。
一般栅接固定电位（接漏是一种特例），
这时根据栅电压大小来判定MOS管的工作
区域（饱和区与三极管区），另外，输出
的端口是源端或是漏端，其呈现的阻抗也
不同。
无源器件
在模拟集成电路中的无源器件主要是指电阻、
电容等，精密的电阻、电容是MOS模拟电路设计 所要求的主要基本元件，电阻或电容在电路应用 中最关键的是要提供精确的元件值，但在大多数 情况下，电阻或电容的绝对值不如它们的比值那 么重要。
无源器件
• 在某些设计中，要求精确的电阻比值，对 称叉指式设计布局用来补偿薄层电阻与条 宽范围的梯度变化。
• 在电阻设计时还需注意相对于衬底的寄生 电容可能把一些高频噪声通过电阻叠加在 有用信号上，所以在设计时对一些特殊电 阻必须加电屏蔽（如阱接地，采用多晶电 阻或双多晶结构）。
无源器件－源/漏扩散电阻
有源电阻
2 MOS管的栅极接固定偏置
• 根据MOS管的栅极所接的固定偏置的大小 不同，MOS管可工作于饱和区与三极管区。 • 在实际应用中，根据输出端不同，又可分 为漏输出与源输出两类工作方式。
有源电阻
1）漏输出，源极交流接地
• VGS是固定的，当MOS管的漏源电压大于栅极的过
驱动电压时，MOS管工作于饱和区，忽略沟道调制
2
• 通常选择W＝L（提高电容的Q值），则上式中后二项
的误差取决于光刻误差，通常称之为边缘误差；而上式
中前两项的误差为氧化层效应误差。 • 在小电容时，起主导作用的是边缘效应误差，而大电容 时主要取决于氧化层误差。 • 电容器的比例精度主要取决于它们的面积比（特别是小
电容）
无源器件－电容
PN结电容
CGD G CGS
+
VGS gmVGS ro gmbVBS
D
S CGB B
CSB
CDB
VBS
+
• 不同工作状态（截止、饱和、线性）时MOS管的分布电容值不同， 因此若进行详细的计算比较困难，但可以通过软件模拟进行分析。 • 另外，在高频电路中必须注意其工作频率受MOS管的最高工作频率 的限制（即电路的工作频率如高于MOS管的最高工作频率时，电路 不能正常工作）。
MOS器件物理
MOS管交流小信号模型
MOS管低频小信号模型 • 小信号是指对偏置的影响非常小的信号。 • 由于在很多模拟电路中，MOS管被偏置在饱和 区，所以主要推导出在饱和区的小信号模型。 • 在饱和区时MOS管的漏极电流是栅源电压的函 数，即为一个压控电流源，电流值为gmVGS， 且由于栅源之间的低频阻抗很高，因此可得到 一个理想的MOS管的小信号模型，如图所示。
有源电阻
• 再根据MOS二极管的低频小信号模型，有：V1＝V和I
＝V/ro＋gmV。所以小信号工作时MOS二极管可近似
为一个两端电阻，其值为：
V / I (1 g m ) ro 1 g m
由上式可以看出：
• 二极管连接的MOS管的交流电阻等于其跨导的倒数，
且为一非线性电阻。 • 但由于在模拟电路中一般交流信号幅度较小，因此，
效应时，其阻值为无穷大，但实际阻值应考虑沟道 调制效应，可用饱和萨氏方程求出：
•
而当漏源电压小于栅极过驱动电压时，MOS管工作
于三极管区，此时的等效输出电阻为：
1 ro I D
ro
1 2 K N (VGS Vth )
有源电阻
2）源输出，漏极交流接地
•
此时栅源电压随输出电压变化，当MOS管工作于饱
无源器件－注入电阻
• NMOS和CMOS金属栅与硅栅工艺。可以与耗尽层注入相结合。
（金属栅工艺） SiO2 n+ N+子注入 p型衬底
CVD SiO2
n+
• 方块电阻R□＞500~1000Ω（最大为1MΩ），可以制作较大电阻而不用占很 大面积。 • 电阻阻值易于控制，但需要一次额外的掩膜。 • 但离子注入与衬底间所形成的p-n结存在不同的反偏时，耗尽层宽度不同，因 此导电层内的载流子流量会发生变化，所以电阻的线性度不理想，电压系数 高，并且由于氧化层表面电荷的影响，导电层表面的载流子浓度也不稳定， 因此大电阻的精度受一定的限制。这类电阻具有小的温度系数，但很难消除 压电电阻效应。