集成PMOS管变容特性分析与仿真建模

　　0 引言

　　变容管是压控振荡器、调频器、锁相环等电路的关键部件。传统的分立电子线路常采用特制的二极管作为变容管，所用材料多为硅或砷化镓单晶，并采用外延工艺技术。自动频率控制(AFC)和调谐所用的小功率变容二极管通常采用硅的扩散型二极管，也采用合金扩散、外延结合、双重扩散等特殊工艺制作。作为压控器件，这些传统变容二极管的品质因数很小，并且工艺也有特别的要求。这将不便和CMOS工艺兼容从而限制了它在CMOS模拟集成电路中的应用。因而，研究用CMOS工艺制作具有变容特性的MOS管代替一般变容二极管是普通工艺下IC设计很有意义的一项工作。虽然，人们对MOS电容的压控变容特性进行了广泛而深入的研究，但对CMOS工艺集成的PMOS作变容管的研究并不多见。本文针对CMOS工艺下的PMOS压控变容特性进行研究，并对其高频交变压控特性建模，为CMOS工艺兼容高频电路的晶体管级仿真提供简化模型。

　　1 MOS结构电容的压控特性分析

　　1.1 理想MIS结构电容的压控特性

　　根据半导体表面电场效应，通常按照多子堆积状态、多子耗尽状态及少子反型状态3种彼此孤立的理想情况对MIS结构电容的压控特性进行理论分析。但实际上，3种情况间出现过渡过程，如堆积状态与耗尽状态间经过有平带状态、耗尽状态过渡到反型状态经历弱反型直至强反型态，所以其压控特性是连续变化的。倘若交变电压频率较高时，反型层中少子的产生与复合跟不上外电场的变化，其数量基本不变、空间电荷区的电容仍然由耗尽区的电荷变化决定的。因此，在反型区内电容的压控特性有准静态和高频情形之区别，如图1所示。

　　1.2 PMOS的变容管连接及其压控特性分析

　　图2为PMOS管连接成压控可变电容的示意图。具体是将漏、源和衬底短接作为电容的一极接高电平，栅极作为另一极接低电平。这种连接与MIS电容结构有着类似的机理，所以，电容值随衬底与栅极之间的电压VBG变化。

　　对于PMOS变容管，在衬栅电压VBG的作用下，变容管的电容可以看作栅氧化层电容与半导体空间电荷区电容的串联，即：

　　因为反型载流子沟道在VBG超过阈值电压时建立，所以，当VBG远远超越阈值电压时，变容管工作在强反型区域;在栅电位VG大于衬底电位VB时，变容管进入积累区，此时栅氧化层与半导体之间的界面电压为正且足够高使得电子可以自由移动。这样，在反型区和积累区的变容管的电容值：

　　阈值反型点是当达到最大耗尽宽度且反型层电荷密度为零时得到的最小电容：