【设计】】MOS管衬底电位接法|PMOS、NMOS衬底连接-KIA MOS管

参考：请问什么是nwell和P substrate？？

请问什么是nwell和P substrate？？
请问什么是nwell和P substrate？？
在CMOS的IC设计，如NPN三极管中经常看到请问什么是nwell和P substrate的说法，请问倒底指的是什么，能详细介绍一下吗，谢谢

通常，我们都用P型基体晶圆在制作IC。对于普通的CMOS工艺而言，NMOS 管可以直接做在P型衬底的有源区内，而PMOS管则必须做在N Well的有源区内。CMOS工艺还可分类为单阱工艺和双阱工艺，前提都是基于P型衬底。
三极管的实现，也是在阱中通过适当的PN结偏置所形成。

参考：MOS管衬底电位接法|PMOS、NMOS衬底连接-KIA MOS管

NMOS-P-SUB

P-SUB工艺，NMOS 的衬底都是一样的，都是P-SUB，所以不可以将源极和衬底接一块，不然通过衬底短接会影响其他NMOS的特性，因此NMOS的衬底只能接GND（低电位）；
P-SUB工艺，PMOS管的N衬底都是单独的，因此可以将源极和衬底接一块来减小衬偏效应；
Deep Nwell，是在PSUB工艺情况下，对NMOS管可以采取的一种隔离方式，底部是deep nwell，周围是nwell形成的一个环，来隔离共衬底引起的噪声干扰。

PMOS-Nwell

N-WLL工艺，PMOS的衬底都是一样的，都是N-WELL，因此不可以将源极和衬底接一块，不然通过衬底短接会影响其他PMOS的特性，因此PMOS的衬底只能接VDD（高电位）；
N-WELL工艺，NMOS管的P衬底都是单独的，因此可以将源极和衬底接一块来减小衬偏效应；

在工艺上表现为器件的衬底接触点如PMOS器件在工艺上的剖面图，如图所示3为PMOS的衬底电位的接触点，CMOS工艺PMOS器件是做在Nwell里，所以PMOS的衬底guard ring使用的是NWring.

接法

在schematic原理图中搭建电路时，所有pmos的衬底需要接VDD，所有nmos的衬底需要接VSS。
在layout版图中，VDD供电时，选择的通孔类型的M1_NW，因为PMOS器件做在N阱中。
相对应，VSS供电选择的通孔类型为M1_SUB。

浮动电源轨里面模块I_bias_gt的demos衬底sub端和isolate都接SW吗。

三、分析：P衬底

为什么现在的CMOS工艺一般都是用P衬底而不是N衬底
参考：为什么现在的CMOS工艺一般都是用P衬底而不是N衬底

为什么CMOS工艺采用P衬底，而不用N衬底？

这主要从两个方面来考虑：
一个是材料和工艺问题；

另一个是电气性能问题。
NMOS管迁移率高，阈值电压绝对值小，要求工作电压低有利于低功耗。

NMOS和PMOS工作原理 P沟道MOS晶体管的空穴迁移率低，因而在MOS晶体管的几何尺寸和工作电压绝对值相等的情况下，PMOS晶体管的跨导小于N沟道MOS晶体管。 此外，P沟道MOS晶体管阈值电压的绝对值一般偏高，要求有较高的工作电压。

P型半导体是在单晶硅（或锗）中参入微量的三价元素，如：硼、铟、镓或铝等；N型半导体是在单晶硅（或锗）中参入微量的五价元素，如：磷、锑、砷等。P型半导体与N型半导体，在材料成本方面应该差别不是很大，但要把它做成一个电子产品，在生产工艺方面会存在很大的差异。

例如，用本征锗材料制作PNP晶体管相对于用本征锗材料制作NPN晶体管容易很多，因为铟与锗比较容易结合（扩散）；同样，用本征硅材料制作NPN晶体管，相对于用本征硅材料制作PNP管要容易很多。某种半导体生产工艺的诞生并不是一天就可以达到尽善尽美的，需要通过大量试验和经验积累。早期生产的场效应管大部分是结型场效应管，这种结型场效应管在结构方面与PNP晶体管很相似，两者的区别主要是基区引出电极的区别（基极与源极和漏极）。晶体管把中间的一层（N区）当成一个电极引出称为基极，其余上下两层（P-P区）分别当发射极和集电极引出；而场效应管则是把基区当成一个导电沟道（N沟道），并在其两端分别引出一个电极，称为源极和漏极，其余上下两层（P-P区）分别当源极和栅极引出。绝缘栅场效应管则是从结型场效应管演变过来的，把结型场效应管中的栅极（P型半导体）换成金属氧化物，就可变成一个绝缘栅场效应管，简称mos管。早期的MOS管大量的都是采用N沟道结构（N沟道结构采用P型半导体做衬底），P沟道结构的场效应管（P沟道结构采用N型半导体做衬底）的诞生，相对要比N沟道结构的场效应管晚。可能是由于工艺上的原因，P沟道场效应管的价格一直比n沟道场效应管的价格高很多，但电性能却比N沟道结构场效应管差很多，因此，P沟道场效应管使用的人很少。P沟道场效应管比N沟道场效应管电性能差的原因，主要是沟道材料的电气性能不一样。在N沟道中参与导电的是电子，而在P沟道中参与导电的是空穴，两者在单位电场强度下的迁移率相差非常大。电子的迁移率远远大于空穴的迁移率，即N沟道的导电性能要比P沟道的导电性能好。因此N沟道场效应管的导通速度或工作频率要远远高于P沟道场效应管。
另外，用于制作场效应管栅极的金属氧化物，其与N型半导体的接点电位差，和与P型半导体接点电位差，不但数值不一样，而且极性也不一样。作为场效应管栅极的金属氧化物，与P型半导体的接点电位差要比N型半导体的接点电位差低（绝对值）。因此，P沟道场效应管和N沟道场效应管的工作电压极性也不一样，两者正好相反，并且输入、输出特性也不完全一样。P沟道场效应管的输入、输出特性与PNP晶体管的输入、输出特性相似；而N沟道场效应管的输入、输出特性与NPN晶体管的输入、输出特性相似。但场效应管属于电压控制特性，而晶体管则属于电流控制特性，两者还是存在本质上的区别。所谓节点电位差，就是两种不同性质的物体互相接触在一起的时候，由于组成物体的物质的外层电子的能级不同，在两物体接触界面处所产生的电位差（一个带正电，另一个带负电）。

MOS管的诞生相对来说还是比较早的，由于早期生产的MOS管相对于晶体管来说，可靠性很差，所以MOS管迟迟没有被大批量使用。直到微型计算机及大量数字电路产品出现以后，特别是CMOS大规模集成电路技术诞生之后， MOS管才被广泛应用。CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor, 互补金属氧化物半导体）是一种同时采用两种工艺（垂直外延和横向外延）制造MOS管的大规模集成电路新技术（请参看问答1），鉴于N沟道场效应管在生产工艺和电气性能方面均比P沟道场效应管优越的原因，CMOS电路采用P衬底是理所当然的，因为在采用CMOS产生工艺的集成电路中，N沟道场效应管的数量要远远高于P沟道场效应管的数量。

MOSFET规格书参数-图解

参考：MOSFET规格书参数详解（参考AOD444）
Monte Carlo分析是一种器件参数变化分析，使用随机抽样估计来估算数学函数的计算的方法。它需要一个良好的随机数源。这种方法往往包含一些误差，但是随着随机抽取样本数量的增加，结果也会越来越精确。

Monte Carlo 分析和工艺角分析的区别如图1：

蒙特卡洛仿真

参考：蒙特卡洛仿真（Monte Carlo）
d18_v3e_bcd_v0p5_spe包含了工艺角。
矩形框中表示四个不同工艺角的覆盖范围，曲线表示用Monte Carlo分析得到的实际电路工艺偏差（一般满足高斯分布）。从图中可以看出，满足工艺角变化的范围不一定能完全满足覆盖实际工艺变化范围，因此要用Monte Carlo分析得到工艺角变化的概率，以得到电路的良率。

// * this file contains 0.18um v3e bcd 1.8v/5v/6v/9v/12v/16v/20v/24v/30v/35v/40v corner model parameters.
// * corners for mosfet: tt, ff, ss, snfp, fnsp are corners for global variation.
// * mc is for monte carlo simulation of global variation.
// * corners for ldmos: ldmos_tt, ldmos_ff, ldmos_ss, ldmos_snfp, ldmos_fnsp are corners for global variation.
// * ldmos_mc is for monte carlo simulation of global variation.
// * corners for bjt: bjt_tt, bjt_ff, bjt_ss are corners for global variation.
// * bjt_mc is for monte carlo simulation of global variation.
// * corner for diode: dio_tt, dio_ff, dio_ss are corners for global variation.
// * corners for resistor: res_tt, res_ff, res_ss are corners for global variation.
// * res_mc is for monte carlo simulation of global variation.
// * corners for varactor: var_tt, var_ff, var_ss are corners for global variation.
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// * corners for mom: mom_tt, mom_ff, mom_ss are corners for global variation.
// * mom_mc is for monte carlo simulation of global variation.
// * this file should be used with the model parameter files ‘d18_v3e_bcd_v0p5_mis.mdl’,
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// * ‘d18_v3e_bcd_v0p5_dio.mdl’,
// * ‘d18_v3e_bcd_v0p5_mim.ckt’,
// * ‘d18_v3e_bcd_v0p5_var.ckt’,
// * ‘d18_v3e_bcd_v0p5_mom.ckt’,
// * no part of this file can be released without the consent of smic.