chap2_清华大学模拟集成电路分析与设计.pdf

模拟集成电路分析与设计（池保勇） 第二章 模拟集成电路中的元器件 无论多么复杂的电路，都是由一个个基本元器件搭起来的。相对于数字电路来说，模拟电路 的性能与它们所用的元器件关系更密切，因此在介绍具体的电路之前，有必要介绍模拟集成 电路中所用基本元器件的基本特性。本章对基本元器件的介绍，将以模拟集成电路应用为背 景，让读者了解与模拟集成电路有关的基本元器件知识，但不过多涉及元器件本身的物理特 性和理论推导。 模拟集成电路中用到的元器件可分成三类：MOS晶体管、双极型晶体管和无源元件，因此本 章分成三部分来分别介绍这些元器件的基本特性。随着CMOS工艺技术的发展和芯片集成度的 提高，低频模拟电路越来越广泛的使用CMOS工艺来实现，MOS晶体管是电路中使用最多的器 件。但是，由于模拟电路的特殊性，双极型晶体管和电阻、电容（甚至电感）在很多模拟集 成电路中也常遇到，因此，作为一个优秀的模拟集成电路设计工程师，除了很好的掌握MOS 本 晶体管的特性之外，对双极型晶体管和各无源元件的特性也应该有所了解。 2.1 MOS 晶体管  行 在本部分，我们将首先介绍 MOS 晶体管的基本结构、电路图符号及其版图，让读者对 MOS 晶体管有一个基本了解；然后引入 MOS 晶体管的一阶 I-V 方程，这是本书中 MOS 晶体管最常 采用的大信号 I_V 方程；接着讨论 MOS 晶体管在不同工作区的电容特性并给出 MOS 晶体管的 试 小信号等效模型；之后我们将简单讨论 MOS 晶体管的二阶特性，包括亚阈值导通特性、短沟 效应和耐压能力，亚阈值导通特性在低功耗电路中得到广泛应用，短沟效应则在高速高频电 散 路中有很多应用，晶体管的耐压能力直接影响着功率放大器的效率，因此是设计功率放大器 材 必须要考虑的一个主要因素，晶体管的耐压特性也是设计静电防护电路（ESD）的基础；最 后，我们将引入描述 MOS 晶体管性能的三个电路参数，这些电路参数之间是一一对应的，它 们决定着电路的增益、速度和功耗，这些电路参数是本书后面各章介绍电路设计方法的基础。 教 扩 2.1.1 概述 勿 MOS 晶体管是 CMOS 工艺提供的一种主要有源器件，可分为 NMOS 管和 PMOS 管两种。 编 图2-1 给出了这两种晶体管的结构图。NMOS 晶体管作在P 型衬底上，P 型衬底通过欧姆接 触引出，形成 NMOS 管的体端；在 P 型衬底上有一层多晶硅，它形成 NMOS 管的栅极；多 晶硅栅和 P 型衬底之间有一层很薄的二氧化硅绝缘层（称为栅氧化层），它们形成 MOS 结 自 构，使得多晶硅上的电压可以控制多晶硅栅极下面衬底的行为；在多晶硅栅两边的 P 型衬 底中，形成了两个重掺杂的 N 型有源区，分别作为 NMOS 管的漏极和源极。与 NMOS 管不 同，PMOS 管作在一个单独的阱中（称为 N 阱）1，该N 阱通过欧姆接触引出，形成PMOS 管的体端；同样，在 N 阱上有一层多晶硅，它形成 PMOS 管的栅极；多晶硅栅和 N 阱之间 有一层很薄的二氧化硅绝缘层（栅氧化