这些结构由原理图隐含，但没有详细指定。这方面的主要示例是井、水龙头和保护环。这些结构对于任何 MOSFET 电路的工作都是必不可少的。
这就是为什么了解基板在 MOSFET 电路中的作用对于创建有效的模拟设计至关重要的原因。为此，有必要首先了解 MOSFET 晶体管的工作原理。
让我们看一下一种类型的 MOSFET，一种增强型 N 沟道器件。在 N 沟道器件中，器件的源极和漏极是 N 型半导体区域，设置在 P 型衬底中。N-P 和 P-N 结有效地产生了两个相反偏置的二极管，从而阻止电荷流过器件。
图 1在 N 沟道 MOSFET 中，器件的源极和漏极是 N 型半导体区域，设置在 P 型衬底中。来源：Pulsic
栅极端子是通过一层薄的 SiO 绝缘层与 P 型衬底隔开的导电板2.实际上，这在栅极和衬底之间形成了一个电容器。
模拟布局：为什么孔、抽头和保护环至关重要
图 2一层薄薄的 SiO 绝缘层2将栅极端子与 P 型基板分开。来源：Pulsic
在操作过程中，相对于衬底电位，对栅极施加正电位差。它通常与源具有相同的电位，因此通常称为 VGS系列.栅极上的正电荷排斥正电荷载流子（空穴）并吸引栅极正下方 P 型衬底材料中的负电荷载流子（电子）。其效果是在栅极正下方创建一个耗尽正电荷载流子的区域，称为耗尽区。耗尽区现在有过量的电子，并被诱导成 N 型区，或源极和漏极之间的 N 通道。电子可以通过 N 沟道从源极流向漏极，从而产生流过器件的电流。
在数字电路中，栅极电位从一个轨切换到另一个轨，导致器件完全关闭或完全导通，N 沟道完全耗尽。这种完全耗尽的模式称为 饱和。
在模拟电路中，晶体管通常在欧姆区工作;这是允许流过设备的电流 I 的地方D与 V 成正比GS系列.为了实现这一点，VGS系列在导致部分耗尽 N 通道的电位范围内工作。
在欧姆模式下，器件的增益对栅极和衬底之间的电位差非常敏感。衬底电位的微小变化对通过器件的电流有很大影响。为了构建能够根据需要工作的模拟 MOSFET 电路，有必要在布局中插入仔细控制基板电位的结构。
大多数工艺中使用的 MOSFET 器件主要有三种类型。P 型衬底中的 N 沟道器件（如上所述），N 型衬底中的 P 型槽器件和称为深 N 型井中的 N 型通道器件。
我们将把 SOI 留给另一个博客。
N 孔
大多数工艺首先被掺杂，以便在芯片的整个表面形成 P 型衬底。因此，N 沟道器件可以直接构建在这种 P 型衬底之上。P 沟道器件需要一个 N 型基板，以形成 P 型沟道。为了实现这一点，首先在将要制造 P 沟道器件的地方沉积一层 N 型材料。这个 N 型区域称为 N 井。
模拟布局：为什么孔、抽头和保护环至关重要
图 3N 型区域包括沉积在将要制造 P 沟道器件的地方的 N 型材料。来源：Pulsic
水龙头
N 井与电路的其他部分有效隔离，但在运行过程中，电荷会在 N 井中积聚。此电荷会改变 VGS系列P 沟道器件的 P 通道器件，从而影响电路的性能。为了防止这种情况，在布局中插入 N+“抽头”，使电荷流走，并将 N 井保持在正确的电位。
井中的 N 型材料具有相当强的电阻，因此为了确保对电位的良好控制，分布在整个区域的每个 N 型井都需要多个抽头。以类似的方式，将 P+ 衬底抽头添加到 P 型衬底中，以控制衬底中的电荷积聚。工艺设计规则手册 （DRM） 将指定抽头之间的距离以避免闩锁，但需要更频繁地插入抽头，以确保模拟电路的良好运行。
模拟布局：为什么孔、抽头和保护环至关重要
图 4将水龙头插入布局中，让电荷流走。来源：Pulsic
保护环
大多数模拟设计使用称为“保护环”的扩展抽头结构。保护环是完全封闭一组设备的大抽头。保护环通过在基团周围的孔/衬底中形成一个低电阻环，更有效地将器件彼此隔离。这可以防止其他设备的电荷积聚或其他设备的电位波动影响被保护组的运行。
模拟布局：为什么孔、抽头和保护环至关重要
图 5保护环是完全封闭一组设备的大抽头。来源：Pulsic
保护环形状通常在金属 1 中重复，并绘制多个触点，将金属 1 环与 N+ 环连接起来。这确保了保护环与电源或接地之间的良好连接。增加保护环的宽度和触点数量进一步改善了隔离，但以牺牲布局面积为代价。
保护环在混合信号设计中尤为重要，因为敏感的模拟电路位于“嘈杂”数字 CMOS 电路附近。有时，在特别敏感的电路中，有必要将每个设备放在自己的井中，并带有自己的保护环，但在大多数情况下，同一电路中的设备可以共享该井。一种常见的策略是在电路的某些部分周围创建额外的保护环;例如，差分对为其提供额外的环境保护。
深 N 孔
直接内置于 P 型衬底中的 N 沟道器件不如 N 孔中的 P 沟道器件有效隔离。这是因为，尽管在器件周围创建了一个 P+ 保护环，但在保护环下方仍有一条电路供电荷流动。为了克服这个问题，可以使用深 N 阱来更有效地隔离这些 N 通道器件。
图 6使用深 N 阱来更有效地隔离 N 通道器件。来源：Pulsic
在器件的 P 孔周围和下方构建一个 N 孔。N 沟道器件在 P 孔中运行。P 孔和深 N 孔都需要取样，但在许多情况下，这两个孔都受到保护环的保护。这意味着该器件周围有两个环，大大提高了器件的隔离度，但在布局中需要大量空间。
设计孔、抽头和保护环时的另一个因素是它们对器件匹配的影响。许多模拟结构（例如电流镜和差分对）需要匹配不同器件的特性。在两个器件之间实现良好匹配的主要方法是尽可能匹配它们的几何结构。这延伸到井、水龙头和它们周围的防护环。靠近保护环放置的设备与放置较远的设备具有不同的特性。
