Body-biased 結構理論

◎MOS 變容器

在CMOS技術中，MOS變容器是最普遍採用的變容元件，因為它總是較易取 得。此外，由於CMOS二氧化矽閘極的介電特性較 p-n 接面來的好，且相對於 p⁺－diffusion 而言，多晶矽閘極和接腳金屬有較低的電阻，因此MOS變容器的 品質因素高於二極體變容器。

在電路設計上，一端直接將 MOS 電晶體的汲極(drain)和源極(source)相連 結在一起，另一端則為閘極(gate)，這樣即形成一個 MOS 變容器。它是利用非 常薄的閘極氧化層當電介質，當元件尺寸不斷的縮小，閘極氧化層的電容會隨著 閘極氧化層的厚度變薄而增加。此外，縮小技術會使得 MOS 變容器有較好的 品質因素，因為寄生電阻會隨著通道長度縮小而減少。接下來我們將會介紹幾個 MOS 變容器的結構及其操作原理。

(a) NMOS 變容器

圖4.3(a) 為汲極和源極連結在一起的 NMOS 變容器之橫截面圖，調變特性 如圖4.3(b) 所示，其控制電壓V_SG =V_S −V_G。然而，NMOS 變容器的缺點為對於 基材感應的雜訊較敏感，因為它無法實現於分隔的p－well 內。此外，由於 n－

well 的掺雜濃度大於 p 型基材，如果設計重點為品質因素，那麼 PMOS 的表現 會優於NMOS。所以我們的設計將會集中於 PMOS 變容器，稍後也將會詳細的 介紹PMOS 電容的行為。

圖4.3 NMOS 變容器(a) 橫截面圖 (b)調變特性

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(b)PMOS

我們都知道將MOS電晶體的汲極、源極和基底相連結在一起，即可形成一 個MOS電容器，電容值與閘極和基底間的電壓VBG相關。至於PMOS變容器的橫 截面如圖 4.4(a) 所示，Cmos相對於VBG的行為如圖 4.4(b) 所示。當VBG>|VT|時，

反轉通道會產生電洞，這裡的VT是PMOS電晶體的起始電壓(VT < 0)。當VBG>>|VT| 時，MOS電容器工作於強反轉區，元件表現出電晶體行為。另一方面，對某些 電壓VG>VB，MOS元件進入壘增區，電壓在氧化層與半導體間是正值且高到足以 允許電子自由移動。因此在強反轉與累增區，MOS 電容器的Cmos電容值為

ox ox

ox

C A ε t

= ，其中A、tox是電晶體通道面積和氧化層厚度。

圖4.4 PMOS 變容器 (a)橫截面圖 (b)調變特性

VBG可再被分為三個區間：中反轉(moderate inversion)、弱反轉(weak inversion) 及空乏區(depletion) [6]。在這些區間有少數或更少數電荷載子在氧化層表面，引 起MOS元件之電容值衰退，也就是說C_mos <C_ox，此時總電容Cmos 可以被模組化 為Cb與Ci並聯後再與Cox串聯。Cb為空乏區電容，Ci則為反轉區間電容。如果當 Cb主導整個電容，MOS元件工作在空乏區；如果當Ci主導整個電容，MOS元件 正工作在中反轉區；如果不是Cb與Ci所主導，則MOS元件工作在弱反轉區。

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◎ 反轉模式MOS 變容器 (Inversion-Mode MOS Varactor)

由圖4.5(b)我們觀察到，小訊號在偏壓VBG之VBG − Cmos特性。Cmos的非單調 函數會造成電路的可調能力受損。欲得到一個幾乎是CMOS的單一函數方法，就 是對於在大範圍的VG值改變時，確保電晶體不要進入累增區。只要移除 D&S 和 B的連接線並且將B連接至整個電路的最高電壓，也就是電源供應電壓(Vdd)，這 樣就能使電晶體不處於累增區，其結構如圖4.5(a)所示。針對PMOS電容器而言，

很清楚的知道當電容器在VB=Vdd的操作模式下，所得到的調變範圍比電容器操 作在B≡D≡S時較寬。因為前者的電容器只會工作在強反轉區、中反轉區和弱反轉 區，而不會進入累增區。

圖4.5 反轉模式 MOS 變容器：(a)橫截面圖 (b)調變特性

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