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1、西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,模拟集成电路设计第2章 MOS器件物理基础,董刚微电子学院,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,授课内容,绪论,重要性、一般概念,单级放大器,无源/有源电流镜,差动放大器,放大器的频率特性,噪声,运算放大器,反馈,稳定性和频率补偿,共源、共漏、共栅、共源共栅,定性分析、定量分析、共模响应、吉尔伯特单元,弥勒效应、极点与节点关系、各类单级放大器频率特性分析,统计特性、类型、电路表示、各类单级放大器噪声分析、噪声带宽,特性、四种反馈结构、负载影响、对噪声的影响,性能参数、一级运放、两级运放、各指标分析,多极点系统、相位裕度、频率补偿,器件物理基础,MOSFET结
2、构、IV特性、二级效应、器件模型,带隙基准源,与电源无关、与温度无关、PTAT电流、恒Gm、速度与噪声,基本/共源共栅/有源电流镜,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,上一讲,研究模拟电路的重要性模拟电路设计的难点研究AIC的重要性研究CMOS AIC的重要性电路设计一般概念抽象级别健壮性设计符号,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,上一讲,数字电路无法完全取代模拟电路，模拟电路是现代电路系统中必不可少的一部分模拟电路设计的难点比数字电路不同关注点、噪声和干扰、器件二阶效应、设计自动化程度、建模和仿真、工艺、数模混合AIC具有高速度、高精度、低功耗、大批量时成本等优点用CMOS工艺设计、加工A
3、IC具有加工成本低、易实现数模混合等优点，被广泛采用,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,掌握器件物理知识的必要性,数字电路设计师一般不需要进入器件内部，只把它当开关用即可AIC设计师必须进入器件内部，具备器件物理知识MOS管是AIC的基本元件MOS管的电特性与器件内部的物理机制密切相关，设计时需将两者结合起来考虑器件级与电路级联系的桥梁？器件的电路模型,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,本讲,基本概念简化模型开关结构符号I/V特性阈值电压I-V关系式跨导二级效应体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性器件模型版图、电容、小信号模型等,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,本讲的目的,从AIC设
4、计者角度，看器件物理；本讲只讲授MOS器件物理基础知识理解MOS管工作原理基于原理，掌握电路级的器件模型直流关系式I/V特性交流关系式小信号电路中的参数,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,MOS管简化模型,简化模型开关由VG控制的一个开关,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,MOS管的结构,提供载流子的端口为源，收集载流子的端口为漏,源漏在物理结构上是完全对称的，靠什么区分开？,Bulk（body）,最重要的工作区域？,受VG控制的沟道区,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,MOS管的结构,衬底电压要保证源漏PN结反偏，对阈值电压有影响,同一衬底上的NMOS和PMOS管（体端不同）,独享一个
5、阱的MOS管在AIC设计中有特殊应用,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,MOS管的符号,四端器件,省掉B端,在Cadence analogLib库中，当B、S端短接时,AIC设计中一般应采用该符号？,需明确体端连接,电流方向,数字电路用,只需区别开MOS管类型即可,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,本讲,基本概念简化模型开关结构符号I/V特性阈值电压I-V关系式跨导二级效应体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性器件模型版图、电容、小信号模型等,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,沟道电荷的产生,当VG大到一定程度时，表面势使电子从源流向沟道区,VTH定义为表面电子浓度等于衬底多子浓度时的V
6、G,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,阈值电压,栅与衬底功函数差,工艺确定后，VTH0就固定了，设计者无法改变,常通过沟道注入把VTH0调节到合适值,0,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,I/V特性沟道随VDS的变化,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,I/V特性推导I(VDS,VGS),西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,I/V特性推导I(VDS,VGS),西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,I/V特性线性区,过驱动电压,三极管区,欧姆区,线性区,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,I/V特性当VDS2(VGS-VTH)时？,等效为一个线性电阻,深三极管区,在AIC设计中会用到,西电微电
7、子学院董刚模拟集成电路设计,I/V特性当VDSVGS-VTH时？,是否仍按抛物线变化？,沟道区两端的电压差不再等于VDS，保持为VGS-VTH,公式不再适用,推导时是针对反型沟道区上的长度和电压差进行积分,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,I/V特性当VDSVGS-VTH时,L随VDS变化很小时，电流近似恒定，饱和区,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,I/V特性当VDSVGS-VTH时,Pinch-off区,Active区,Saturation区,电流近似只于W/L和VGS有关， 不随VDS变化,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,I/V特性当VDSVGS-VTH时,用作电流源或电流沉（c
8、urrent sink）,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,I/V特性PMOS管,定义从D流向S为正,0.8 m nwell：p=250cm2/V-s, n=550cm2/V-s,0.5 m nwell：p=100cm2/V-s, n=350cm2/V-s,PMOS管电流驱动能力比NMOS管差,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,跨导gm,VGS对IDS的控制能力,IDS对VGS变化的灵敏度,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,跨导gm,由于饱和区gm大，一般用饱和区工作的MOS管做信号放大,线性区时？,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,MOS管工作在哪个区？,西电微电子学院董刚模拟集成电
9、路设计,本讲,基本概念简化模型开关结构符号I/V特性阈值电压I-V关系式跨导二级效应体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性器件模型版图、电容、小信号模型等,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,二级效应,前面VTH、I/V、gm等推导都是基于最简单假设忽略了VDS对L的影响等二级效应二级效应是AIC设计必须要考虑的因素会对电路一些性能指标带来不可忽视的影响如输出电阻RO 、体效应引起的体跨导gmb包括体效应、沟长调制效应、亚阈值导电性、热载流子效应、速度饱和、垂直电场引起的迁移率退化、温度特性等,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,阈值电压和体效应,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,阈值电压和
10、体效应,体效应系数，典型值0.3-0.4V-1/2,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,体效应对电路性能影响,体效应会导致设计参量复杂化， AIC设计通常不希望有体效应。但也有利用体效应工作的电路,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,利用体效应工作的电路实例,US Patent：5998777V-I转换电路,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,沟道长度调制效应,假设：,短沟道MOS管时该近似会明显影响精度,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,沟长调制效应,AIC设计中通常不希望ID随VDS变化。会降低放大器的输出电阻，会导致偏置电流改变，等。,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,亚阈值导电性,
11、截止弱反型中反型强反型,渐进的连续变化过程，VGSVTH时仍有IDS存在,1, 系数，zi:t,当VDS大于200mV时,带来功耗；被存储的信息的丢失,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,亚阈值导电性Gray,Vt 为阈值电压,VT 为热电压,n：由工艺决定,It：VGS=Vt、W/L=1、VDSVT时的漏电流,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,用亚阈值特性确定阈值电压,如何测量确定阈值电压？,测深线性区的MOS管的导通电阻RON随VGS的变化,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,用亚阈值特性确定阈值电压,粗略估算方法ID/W=1A/m所对应的VGS为VTH ，此时MOS管工作在亚阈区附近。
12、为什么？,在ID一定时，W逐渐增大会导致VGS逐渐接近VTH ；再增大时会进入亚阈值区,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,亚阈值区时的跨导,强反型时的跨导:,在ID一定时，亚阈值区的跨导比强反型区时大，有利于实现较大放大倍数，且功耗极低,但单位沟道宽度的源漏电流ID/W小，只能用于极低速电路,双极晶体管：,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,电压限制,栅击穿不可恢复的损伤PN结击穿源漏穿通热载流子效应,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,本讲,基本概念简化模型开关结构符号I/V特性阈值电压I-V关系式跨导二级效应体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性器件模型版图、电容、小信号模型等,西电微电
13、子学院董刚模拟集成电路设计,MOS器件版图,根据电特性要求和工艺设计规则设计,斜视图（birds eye ，angled view）,俯视图（vertical view）,栅接触孔开在沟道区外,AIC设计希望源漏PN结寄生电容小,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,MOS器件版图,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,MOS管中的电容,分析MOS管交流特性时必须考虑电容影响,C3、C4：覆盖电容；由于边缘电力线的影响，不能简单地等于WLDCOX,C5、C6：结电容；=底电容+侧壁电容,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,MOS管中的电容,寄生电容往往随偏置电压的变化而变化EDA工具在寄生参数提取
14、时会自动提取每个节点精确的寄生电容值,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,MOS管中的电容低电容版图,折叠结构的版图漏端寄生电容小,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,MOS管中的电容不同工作区,截止区,L为有效沟道长度,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,MOS管中的电容不同工作区,深三极管区饱和区,CGB常被忽略,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,MOS大信号和小信号模型,大信号模型由I-V特性关系式、CGS等电容的电容值构成信号相对于偏置工作点而言比较大、会显著影响偏置工作点时用该模型小信号模型信号相对于偏置工作点而言比较小、不会显著影响偏置工作点时用该模型简化计算由gm、 gmb、r
15、O等构成低频小信号模型，高频时还需加上 CGS等寄生电容、寄生电阻（接触孔电阻、导电层电阻等）,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,MOS饱和区时的小信号模型,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,MOS饱和区时的小信号模型,i: t或eit,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,MOS管的完整小信号模型,对于手算，模型不是越复杂越好。能提供合适的精度即可,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,MOS小信号模型中的电阻,通常忽略合理设计版图能减小电阻,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,MOS SPICE模型,模型精度决定电路仿真精度最简单的模型Level 1，0.5m适于手算,西电微电子学院董刚模
16、拟集成电路设计,NMOS管与PMOS管,在大多数工艺中，NMOS管性能比PMOS管好迁移率4：1，高电流驱动能力，高跨导相同尺寸和偏置电流时，NMOS管rO大，更接近理想电流源，能提供更高的电压增益对nwell 工艺，用PMOS管可消除体效应独占一个阱,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,长沟道器件和短沟道器件,前面的分析是针对长沟道器件（4m以上）而言对短沟道器件而言，关系式必须修正用简单模型手算，建立直觉；用复杂模型仿真，建立严密,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,MOS管用作电容器时,两端器件,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,总结,基本概念简化模型开关结构符号I/V特性阈值电压I-
17、V关系式跨导二级效应体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性器件模型版图、电容、小信号模型等,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,作业,2.24 , 2.26,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,下一讲,绪论,重要性、一般概念,单级放大器,无源/有源电流镜,差动放大器,放大器的频率特性,噪声,运算放大器,反馈,稳定性和频率补偿,版图和封装,共源、共漏、共栅、共源共栅,定性分析、定量分析、共模响应、吉尔伯特单元,弥勒效应、极点与节点关系、各类单级放大器频率特性分析,统计特性、类型、电路表示、各类单级放大器噪声分析、噪声带宽,特性、四种反馈结构、负载影响、对噪声的影响,性能参数、一级运放、两级运放、各指标分析,叉指、对称、ESD等,多极点系统、相位裕度、频率补偿,器件物理基础,MOSFET结构、IV特性、二级效应、器件模型,带隙基准源,与电源无关、与温度无关、PTAT电流、恒Gm、速度与噪声,基本/共源共栅/有源电流镜,
