集成PMOS管變容特性分析與仿真建模

摘要：為適應PMOS變容管在集成電路設計中的晶體管級仿真，在分析MOS變容管特性的基礎上，通過確定關鍵點、以曲線擬合的方法建立與工藝參數相關的PMOS集成變容管高頻特性模型。選用Charted 0．35μm這個特定的工藝庫，并離散地改變電容連接的PMOS靜態偏壓、用HSpice仿真并對寄生電容提取后描繪出變容特性的準靜態曲線；用Matlab對所建的簡化高頻變容模型進行仿真、得出高頻變容曲線。仿真與理論結果相比較表明：PMOS管變容特性曲線與理論曲線的變化趨勢吻合；2種仿真對變容顯著區吻合較好。從而證明了PMOS集成變容管高頻簡化模型的正確性。
關鍵詞：PMOS管；準靜態曲線；特性曲線；高頻特性模型；變容模型

0 引言
變容管是壓控振蕩器、調頻器、鎖相環等電路的關鍵部件。傳統的分立電子線路常采用特制的二極管作為變容管，所用材料多為硅或砷化鎵單晶，并采用外延工藝技術。自動頻率控制(AFC)和調諧所用的小功率變容二極管通常采用硅的擴散型二極管，也采用合金擴散、外延結合、雙重擴散等特殊工藝制作。作為壓控器件，這些傳統變容二極管的品質因數很小，并且工藝也有特別的要求。這將不便和CMOS工藝兼容從而限制了它在CMOS模擬集成電路中的應用。因而，研究用CMOS工藝制作具有變容特性的MOS管代替一般變容二極管是普通工藝下IC設計很有意義的一項工作。雖然，人們對MOS電容的壓控變容特性進行了廣泛而深入的研究，但對CMOS工藝集成的PMOS作變容管的研究并不多見。本文針對CMOS工藝下的PMOS壓控變容特性進行研究，并對其高頻交變壓控特性建模，為CMOS工藝兼容高頻電路的晶體管級仿真提供簡化模型。

1 MOS結構電容的壓控特性分析
1．1 理想MIS結構電容的壓控特性
根據半導體表面電場效應，通常按照多子堆積狀態、多子耗盡狀態及少子反型狀態3種彼此孤立的理想情況對MIS結構電容的壓控特性進行理論分析。但實際上，3種情況間出現過渡過程，如堆積狀態與耗盡狀態間經過有平帶狀態、耗盡狀態過渡到反型狀態經歷弱反型直至強反型態，所以其壓控特性是連續變化的。倘若交變電壓頻率較高時，反型層中少子的產生與復合跟不上外電場的變化，其數量基本不變、空間電荷區的電容仍然由耗盡區的電荷變化決定的。因此，在反型區內電容的壓控特性有準靜態和高頻情形之區別，如圖1所示。