双MOS晶体管等效电阻

沈 杰，靳东明，李志坚

1.2 双MOS管电阻原理

为此，提出了由两个MOS管组成的双MOS管等效电阻，可以满足Vds在一定电压范围内(如1～4V)工作的要求，其模拟和实测的误差在5%以内，阻值在几kΩ到十几kΩ之间。

如图1所示，M1，M2管尺寸相同，工作条件是：Vg=5V,Vd在1～4V之间，Vs＝0V，所以，M1管工作在线性区，M2管工作于饱和区。

*

图1 双MOS管电阻结构

由萨方程可知：

I1ds=k[2(Vgs-Vt1)Vds-V 2ds]，

VdsI2ds=k(Vds-Vt2)2，

0总电流

I=I1ds+I2ds=k[2(Vgs-Vt1)Vds-V 2ds]+k(Vds-Vt2)2＝

2k(Vgs-Vt1)Vds+k[(Vds-Vt2)2-V 2ds]= 2k(Vgs-Vt1-Vt2)Vds+kV 2t2=I1'+I2'

其中I1'=2k(Vgs-Vt1)Vds,I2'=kV 2t2,Vt1与Vt2分别是M1管和M2管的开启电压。

可见，若Vt2=0，即M2管是开启电压为0的管子，则总电阻

R=[2k(Vgs-Vt1)]－1，是个线性很好的电阻(与单MOS管在线性区的阻值公式相同)。但是，为了制作0管，需要增加工艺步骤。下面，讨论M2管同M1管开启电压相同且不为0的情况，即Vt1=Vt2=Vt,这时总电阻

R=[2k(Vgs-2Vt)+kVt2/Vds]-1,与Vds有关。取Vgs=5V, Vt=0.7V,当Vds=1V时，R=(7.69k)－1(这里的k=μCoxW/(2L)),当Vds=2V时，R＝(7.445k)－1，相对于Vds=1V时的电阻变化为96.81%；当Vds=4V时，R=(7.3225k)－1，相对于Vds=1V时的电阻变化为95.22%，效果很好。

取μn=500cm2／(V．s)，ε=3.9ε0=3.9×8.85×10－4F/cm, tox=40nm，

所以k=21.6W/L μA/V2，当W =20μm,L=5μm时，电阻R约为6.4kΩ。可以以此来估计双MOS管等效电阻的阻值大小。Vds越大(在Vgs-Vt2 模拟及测试结果

图2是双管电阻的测量电路，输入电流值从60μA增加到110μA(不能从0A开始，否则VP＝

0V，不符合双管电阻正常工作的条件)，双MOS管(MR1和MR2)尺寸均为W ＝10μm, L＝5μm。 图3是模拟结果，可见流过MOS管MR1和MR2的电流值Is从60μA变化到110μΑ时，电压VP在0.969～1.846V之间变化，电阻值R =VP/Is在16.111～17.28kΩ之间，中值是16.6955kΩ，误差为±3.63%.

图2 电阻测量电路

图3 双管W/L相同时电阻阻值的模拟结果

制作了W/L分别为9μm/2μm，9μm/5μm，9μm/10μm，9μm/15μm 4种不同的双MOS管电阻，在不同的工作条件下(栅压Vg取不同的值)进行了测量，结果见表1。 其中Rn表示电压Vds为n时的等效电阻值。可见：

表1 双MOS管电阻测量结果 (W=9μm)

Vg/V Vds/V Is/mA Rn/Ω Rn/R1.5 Is/μA Rn/kΩ Rn/R1.5 Is/μA Rn/kΩ Rn/R1.5 Is/μA Rn/kΩ Rn/R1.5 0.5 0.65 769 0.877 147.2 3.4 1.18 58.8 8.5 0.86 48.2 10.37 0.9 1.0 1.21 826 0.942 363 2.75 0.951 107.6 9.29 0.946 91.2 10.96 0.967 5 1.5 1.71 877 519 2. 152.4 9.84 130.1 11.53 L=2μm L=5μm L=10μm L=15μm 2.0 2.15 930 1.06 658 3.04 1.049 192.3 10.4 1.059 167.8 11.92 1.051 2.5 2.49 1004 1.14 7 3.17 1.10 240 10.42 106 215 11.63 1.008 0.5 0.724 691 0.916 291 1.718 0.902 88.6 5.3 1.065 62.4 8.013 0.916 1.0 1.38 725 0.962 551 1.815 0.953 169.8 5.8 1.111 118.6 8.432 0.9 8 1.5 1.99 7 788 1.904 283 5.3 171.4 8.751 2.0 2.81 712 0.944 1017 1.967 1.033 366 5.4 1.031 244 8.197 0.937 2.5 3.69 678 0.9 1224 2.042 1.072 466 5.365 1.012 296 8.446 0.965