其中的关键示例是井、抽头和保护环。这些结构对于任何 MOSFET 电路的工作都至关重要。
这就是为什么了解衬底在 MOSFET 电路中的作用对于创建有效的模拟设计至关重要。要做到这一点，首先必须了解 MOSFET 晶体管的工作原理。
让我们来看看一种类型的 MOSFET，即增强型 N 通道器件。在 N 通道器件中，器件的源极和漏极端子是嵌入 P 型衬底的 N 型半导体区域。NP 和 PN 结有效地创建了两个反向偏置的二极管，从而阻止电荷流过器件。
图 1在 N 沟道 MOSFET 中，器件的源极和漏极端子是嵌入 P 型衬底的 N 型半导体区域。来源：Pulsic
栅极端子是一个导电板，与 P 型衬底之间由一层薄薄的 SiO 2绝缘层隔开。实际上，这在栅极和衬底之
图 2一层薄薄的 SiO 2绝缘层将栅极端子与 P 型衬底隔开。来源：Pulsic
在操作过程中，相对于衬底电位，向栅极施加正电位差。该电位通常与源极保持相同电位，因此通常称为 V GS。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。耗尽区现在具有过量的电子，并被诱导成为源极和漏极端子之间的 N 型区域或 N 通道。电子可以通过 N 通道从源极流到漏极，从而产生通过器件的电流。
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开启，N 沟道完全耗尽。这种完全耗尽模式称为饱和。
在模拟电路中，晶体管通常在欧姆区工作；此时允许流过器件的电流 I D与 V GS成正比。为实现这一点，V GS在导致 N 沟道部分耗尽的电位范围内工作。
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会对流过器件的电流产生很大影响。要构建按要求工作的模拟 MOSFET 电路，必须在布局中插入可仔细控制衬底电位的结构。
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（如上所示）、N 阱中的 P 沟道器件以及所谓的深 N 阱中的 N 沟道器件。
我们将在另一篇博客中介绍 SOI。
N阱
大多数工艺首先会进行掺杂，使 P 型衬底覆盖整个芯片表面。因此，可以直接在此 P 型衬底上构建 N 通道器件。P 通道器件需要 N 型衬底来形成 P 型通道。为此，首先在将要制造 P 通道器件的位置沉积一块 N 型材料。此 N 型区域称为 N 阱。
图 3 N 型区域包括沉积在即将制造 P 通道器件处的 N 型材料。来源：Pulsic
水龙头
N 阱与电路的其他部分有效隔离，但在操作过程中，电荷可能会在 N 阱中积聚。这种电荷会改变 P 通道器件的 V GS，从而影响电路的性能。为了防止这种情况，在布局中插入了 N+“抽头”，使电荷可以排出，并使 N 阱保持在正确的电位。
阱中的 N 型材料具有相当强的电阻性，因此为了确保良好的电位控制，每个 N 阱都需要多个抽头，这些抽头分布在整个区域。以类似的方式，将 P+ 衬底抽头添加到 P 型衬底以控制衬底中的电荷积累。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：为什么井、抽头和保护环至关重要
图 4在布局中插入分接头，以排出电荷。来源：Pulsic
保护环
大多数模拟设计都使用一种称为“保护环”的扩展抽头结构。保护环是完全包围一组设备的大型抽头。通过在组周围的阱/基板中创建低电阻环，保护环可以更有效地将设备彼此隔离。这可以防止其他设备的电荷累积或其他设备的波动电位影响受保护组的操作。
模拟布局：为什么井、抽头和保护环至关重要
图 5保护环是完全包围一组器件的大型分接头。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地之间的良好连接。增加保护环的宽度和触点数量可进一步改善隔离，但会牺牲布局面积。
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”的数字 CMOS 电路附近。有时，在特别敏感的电路中，需要将每个设备放在自己的阱中，并配有自己的保护环，但在大多数情况下，同一电路中的设备可以共享阱。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保护，使其免受环境影响。
深N阱
直接内置于 P 型衬底中的 N 沟道器件的隔离效果不如 N 阱中的 P 沟道器件。这是因为尽管在器件周围创建了 P+ 保护环，但保护环下方仍存在一条供电荷流动的电气路径。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 沟道器件。
模拟布局：为什么井、抽头和保护环至关重要
图 6使用深 N 阱更有效地隔离 N 沟道器件。来源：Pulsic
在器件的 P 阱周围和下方构造了一个 N 阱。N 沟道器件在 P 阱中工作。P 阱和深 N 阱都需要进行攻丝，但在许多情况下，两个阱都受到保护环的保护。这意味着器件周围有两个环，大大提高了器件的隔离度，但在布局中需要很大的空间。
设计阱、抽头和保护环时需要考虑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。实现两个器件之间良好匹配的主要方法是尽可能匹配它们的几何形状。这延伸到它们周围的阱、抽头和保护环。靠近保护环放置的器件与远离保护环放置的器件具有不同的特性。
对于大多数设计师来说，MOSFET 的布局几何形状是由 PCell/PyCell 创建的，但阱、抽头和保护环的位置和几何形状则由设计师自行决定。在大多数情况下，DRC 和 LVS 检查会告诉设计师他们在哪里犯了错误，但这些工具无法衡量终布局的质量。因此，的布局设计师应该了解这些结构的作用、需要它们的原因以及它们对电路的影响。
