在類比佈局設計中堆疊MOSFET

作者 : Mark Waller,Pulsic研發副總裁/共同創辦人

本文中展示了一些可用於堆疊MOSFET的基本模式。在文中提到的例子中,元件的佈局和佈線是實現高品質佈局設計的關鍵...

在28nm以下,由於最大元件的長度限制,類比設計人員經常要對多個長度較短的MOSFET 串聯以創建長通道的元件。這些串聯連接的元件通常被稱為堆疊MOSFET 或堆疊元件。例如,將三個1μm的MOSFET 串聯堆疊,可創建一個通道長度為3μm的有效元件(如1)。

1:將三個MOSFET串聯堆疊,可提供3μm的通道長度。

堆疊MOSFET 在現代類比設計中十分常見,但並非毫無問題存在。其主要問題是電容增加以及面積更大。電容增加很大程度上是由於元件周圍的互連增加。總閘極面積和總閘極電容仍然類似於非堆疊等效電路,但在互連線上還有額外的寄生電容。相較於單個長通道元件,堆疊元件的實體分離增加了總設計面積。

當在電路中使用堆疊MOSFET 時,佈局的品質變得比平常更重要。不良的佈局設計會顯著增加寄生電容和設計面積,並可能使電路無法滿足期望的性能特性。因此,工程師必須非常小心地設計這些元件的佈局。大多數從事於這些較小製程節點的設計人員都經歷過佈局前模擬和佈局後模擬非常不同的情況。通常,這歸因於堆疊元件上所存在的互連寄生效應。

接下來看看幾種實現堆疊MOSFET 高品質佈局的方法。2中的子電路顯示將四個NMOS MOSFET堆疊在一起而創建一個長通道元件。

2:將四個MOSFET堆疊,可創建一個長通道電路。

在這個電路中可以看到,所有的閘極引腳都是相互連接的(所有四個整體連接也是如此)。此外,還可以看到所有的MOSFET串聯都是將一個元件的汲極連接至下一個元件的源極。在這種情況下,由於每個元件都是簡單的單指MOSFET,因此可以使用簡單的擴散分配佈局模式來設計這種結構的佈局。

3:將左邊的簡單堆疊情況與右邊的等效長通道元件進行比較。

簡單堆疊情況的佈局如3左邊所示,可以看到它幾乎沒有額外的互連,因為等效的長通道元件(右邊)也需要一個多晶矽觸點。這種情況明顯不利於面積,但卻是無法避免的,而且由多晶矽最小間距規則所決定。

這種方法的另一個問題是,非常長的有效元件可能導致非常長的擴散分配鏈路。然而,可以將長鏈折疊成多行,如4所示。但是,其代價是這增加了額外的互連,並進一步增加了堆疊元件的電容。

4:可以將長鏈折疊成多行。

5中的電路顯示了電路設計人員想要在電路中使用兩指MOSFET 以實現更理想的匹配。

圖5:可以在電路中使用兩指MOSFET以實現更理想的匹配。

兩指元件無法透過擴散分配連接,因此必須使用不同的佈局與佈線方法。為了實現緊湊的佈局,元件可以按列來連接,而不是前面示例中所示的按行模式。

6:按列進行連接(左側);這種按列模式的佈局機制如右側所示。

6中,左圖顯示了連接模式,將一個元件的汲極與下一個元件的源極垂直相連。如圖所示,連接是按列的方式進行的,交替元件的不同參數在 MOSFET 的汲極中心變體和源極中心變體之間進行交換。交換的觸點使列中的元件之間可以進行直線佈線,從而就可避免彎曲以及額外的過孔。

在右側可以看到這個按列模式的佈線模式。有額外的互連,但與通常的接觸增強所需的互連相比並不會明顯增多。

電路設計人員也可以為堆疊的元件指定m因子。堆疊m因子拓撲使電路設計人員可使用多個小型MOSFET構建具有長、寬通道的元件。7顯示了m因子為4的單指堆疊元件。

7:具有m因子拓撲的單指堆疊元件。

7的佈局中可以看到,這種模式中包含了前面按行模式的四個副本,這樣一來就能夠確保元件之間額外佈線的數量最少。

本文中展示了一些可用於堆疊MOSFET的基本模式。在上述所有例子中,元件的佈局和佈線是實現高品質佈局設計的關鍵。

例如,Pulsic Animate Preview工具中的技術將佈局和佈線結合在一次操作中。這讓Animate Preview 可以為堆疊元件實現上述最佳佈局設計模式。每個元件的準確位置、方向和參數化都必須經過最佳化才能獲得期望的結果。同時,該工具還必須考慮流經每個元件的電流,從而最大限度地降低互連的複雜性和長度。類比佈局設計總是需要仔細均衡多個競爭優先事項,沒有一種行事方式在所有情況下都能奏效。

(參考原文:All about stacked MOSFETs in analog layout,by Mark Waller)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年9月號雜誌

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