模拟IC设计的MOSFET结构和操作

关键观点

• MOSFET是今天模拟集成电路的关键组件。

• MOSFET由门(G)、漏极(D)、源极(S)和体(B)组成，有截止区、线性区和饱和区。

• MOSFET非常灵活，可用作电压控制开关、电阻器或放大器。

本文摘要

本文介绍了MOSFET的物理实现和操作理论。MOSFET由NMOS和PMOS构成，有截止区、线性区和饱和区。图示了NMOS和PMOS的物理结构，以及针对不同驱动电压的电流-电压曲线。还讨论了饱和区的细节，展示了NMOS和PMOS的漏极电流与漏极-源极电压之间的关系。

晶体管是将输入电压转换为输出电流（或反之亦然）的器件，使模拟集成电路 (IC) 设计成为可能。如今，模拟 IC 主要使用金属氧化物半导体场效应晶体管，即 MOS 晶体管或 MOSFET。在本文中，我们将介绍 MOSFET 的物理实现及其工作原理。

MOSFET结构

MOS 晶体管是一种四端器件，由栅极 (G)、漏极 (D)、源极 (S) 和体 (B) 组成。图 1 显示了两种类型的 MOS 晶体管：N 沟道 MOSFET (NMOS) 和 P 沟道 MOSFET (PMOS)。一般来说，这两种通道类型的行为是相反的。

图 1. NMOS 和 PMOS 原理图符号。图片由尼古拉斯·圣约翰提供

输入电压连接至栅极端子。电压电平决定漏极电流，即从漏极流向源极端子的电流。在NMOS晶体管中，漏极的电压通常高于源极的电压；PMOS 的情况正好相反。

最后，我们有体端子，它连接到晶体管所在的基板。NMOS 晶体管的体端子连接到电路中尽可能低的电压（单电源系统中的接地），而 PMOS 体端子连接到最高电压电平（电路的 V DD ）。

在数字电路中，源极和体端子通常连接在一起。因此，您可能会看到示意图将 MOSFET 显示为仅具有栅极、源极和漏极的三端器件。

图 2 比较了左侧 NMOS 晶体管与右侧 PMOS 晶体管的基本物理结构。两个晶体管均构建在轻掺杂 P 的硅衬底之上。这对于集成电路内的任何晶体管都是如此。

图 2. NMOS 和 PMOS 晶体管的物理结构。图片由UT 达拉斯分校提供

绝缘体（通常是二氧化硅）放置在硅衬底的顶部，并且由多晶硅或金属制成的栅极端子放置在绝缘体的顶部。这是为了防止从栅极端子到源极、漏极和/或体端子的泄漏。

对于 NMOS，源极端子和漏极端子是通过在衬底内创建高 N 掺杂区域来实现的。请注意，源极端子和漏极端子之间没有物理差异，因此它们可以互换。这将我们带到了身体终端。为了提供良好的电连接，它被重掺杂，极性与基板相同。

PMOS器件具有与NMOS相同的结构，但掺杂极性相反。PMOS 主体是整个 P 型衬底内的轻 N 掺杂区域，形成所谓的 N 阱。

晶体管的宽度 (W) 和长度 (L) 会影响其其他特性。这在二维图中很难看到，因此我添加了一个显示三维视图的图（图 3）。

图 3.三维 NMOS 晶体管结构。图片由尼古拉斯·圣约翰提供

MOSFET 工作区域

现在我们已经研究了 MOSFET 的基本结构，接下来让我们深入了解其工作原理。

截止区域

MOSFET 的电气行为由其四个端子中每个端子的电压电平决定。对于图 4 中的 NMOS，栅极和漏极端子连接到独立的电压源。源极和主体接地。

图 4.施加电压源的 NMOS 晶体管。图片由尼古拉斯·圣约翰提供

由于 NMOS 是 N 沟道器件，因此只有在源极和漏极之间形成电子沟道（因此为负掺杂）时，它才会传导电流。当栅极处于 0 V 时，源极和漏极之间没有沟道，因此没有电流流动。这称为截止区域。

随着栅极电压 ( V GS ) 增加，电子被吸引到栅极下方的区域。最终，栅极电压变得足够正以形成沟道，并且电流开始从漏极传导到源极。发生这种情况的电压称为阈值电压( V th )。图 5 显示了漏极电流开始增加的阈值，以及随后的指数I - V曲线。

图 5.图 3 中 NMOS 的漏极电流（y 轴）与栅极电压（x 轴）。图片由 Nicholas St. John 提供

V GS必须大于V th晶体管才能传导电流。当V GS小于V th时，晶体管处于截止状态。

PMOS 晶体管的工作方式相同，只是源极和体与最大电源电压相关（图 6）。

图 6.施加电压源的 PMOS。图片由尼古拉斯·圣约翰提供

PMOS晶体管的阈值电压为负。这意味着在晶体管开始导通之前，栅极电压必须比源极电压至少低阈值电压。图 7 绘制了图 6 中 PMOS 的栅极电压和漏极电流。

图 7. PMOS 晶体管的漏极电流（y 轴）与栅极电压（x 轴）。图片由尼古拉斯·圣约翰提供

正如我们所看到的，当 | 时，PMOS 传导更多电流。V GS | 变得大于 | Vth |。

线性区域

现在我们已经介绍了V GS，是时候看看漏源电压 ( V DS ) 如何影响晶体管的电气行为。

假设我们正在研究一个 NMOS，其中V GS > V th，这意味着漏极和源极之间有一个电子通道。如果V DS大于0，电流开始流动。漏极电流将与V DS成比例增加，并且晶体管工作在线性区。该区域的其他常见名称包括三极管、欧姆和有源。

我们可以通过以下公式计算 NMOS 晶体管的漏极电流 ( I D )：

等式 1。

在哪里：

µ 是衬底内少数载流子的迁移率

Cox是栅极氧化物的氧化物电容

W/L是晶体管的宽长比。

对于 PMOS，方程几乎相同，但参考电压被翻转，μ 现在指的是空穴而不是电子：

等式2。

上述两个方程均取自 Jacob Baker 博士的《CMOS 电路设计、布局和仿真》。

饱和区

如果漏极电压继续增加，最终会达到漏极端子开始夹断的点，如图 8 所示。当发生这种情况时，漏极电流将不再像以前那样快速增加 — 事实上，失去与V DS的所有连接。此时晶体管进入饱和区，模拟 IC 中的 MOSFET 通常在此工作。

图 8.晶体管中的夹断。图片由All About Circuits提供 

当 \(V_{DS}~=~V_{GS}~-~V_{th}\) 时发生夹断。该值称为过驱动电压( V ov )。

该值被称为 voltage (Vov).

理论上，处于饱和状态的晶体管具有无穷大的阻抗，使其成为出色的电流源。它还具有高电压电流增益或跨导。

饱和状态下的漏极电流可以使用平方律方程求得：

等式 3。

从这个方程我们可以看出，一旦晶体管进入饱和状态，漏极电流就与漏极电压无关。只需调整V GS和晶体管尺寸即可减少变化并简化设计。在现实世界中，晶体管的非理想性意味着漏极电压仍然对漏极电流有一些影响。

图 9 显示了NMOS 和 PMOS 晶体管的晶体管漏极电流与V DS（或V SD ）的关系。转入饱和区的时间约为 1.5 V。请注意，此时漏极电流曲线的斜率均为零。

图 9. NMOS 和 PMOS 晶体管的漏极电流与V DS的关系。（宽/长）= 10 微米/2 微米。图片由尼古拉斯·圣约翰提供

即使过驱动电压和晶体管尺寸相同，NMOS 晶体管电流也比 PMOS 大得多。这是因为硅中空穴的迁移率比电子的迁移率慢得多——前者为450 cm 2 /V·s，而后者为约 1300 cm 2 /V·s。结果是 PMOS 漏极电流低得多。因此，许多互补 MOSFET (CMOS) 设计使用宽长比比 NMOS 晶体管大两到三倍的 PMOS 晶体管。

今天小编带来了：ISSCC2023套餐，里面有文章、Short Course、PPT、Tutorial等，同学可以拿回去自己学习研究。