模拟cmos集成电路设计(拉扎维)第2章MOS器件物理基础

1模拟集成电路设计第2章MOS器件物理基础董刚[e-mail]微电子学院2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3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CMOSAIC的重要性电路设计一般概念抽象级别健壮性设计符号4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AIC具有加工成本低、易实现数模混合等优点，被广泛采用5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6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7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8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9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10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）独享一个阱的MOS管在AIC设计中有特殊应用11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CadenceanalogLib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12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13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VG14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0OXOXOXTC15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16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)QdWCox(VGSVTH)Qd(x)WCox(VGSV(x)VTH)IQdv17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)IDWCox[VGSV(x)VTH]vIDdxx0LWCoxn[VGSV(x)VTH]dVV0VDSGivenvEandE(x)dV(x)dxIDWCox[VGSV(x)VTH]ndV(x)dxIDnCoxWL[(VGSVTH)VDS12VDS2]18西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计I/V特性—线性区]21)[(2DSDSTHGSLWoxnDVVVVCI)(THGSVV过驱动电压三极管区欧姆区线性区19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？IDnCoxWL[(VGSVTH)VDS12VDS2]IDnCoxWL(VGSVTH)VDS,VDS2(VGSVTH))(1THGSLWoxnONVVCR等效为一个线性电阻深三极管区在AIC设计中会用到20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？]21)[(2DSDSTHGSLWoxnDVVVVCI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21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IDnCoxWL[(VGSVTH)VDS12VDS2]2')(2THGSoxnDVVLWCIV'DSVGSVTH(Pinchoff)L’随VDS变化很小时，电流近似恒定，饱和区22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2')(2THGSoxnDVVLWCIPinch-off区Active区Saturation区电流近似只于W/L和VGS有关，不随VDS变化23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（currentsink）24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mnwell：p=250cm2/V-s,n=550cm2/V-s0.5mnwell：p=100cm2/V-s,n=350cm2/V-sPMOS管电流驱动能力比NMOS管差25西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计跨导gmtconsVDSGSDmVIgtan饱和区时),(THGSLWoxnVVCgm2nCoxWLID2IDVGSVTHVGS对IDS的控制能力IDS对VGS变化的灵敏度26西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计跨导gm)(THGSLWoxnmVVCg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？27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？ActiveActive28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29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30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VTHMS2FQdepCox,whereMSgatesiliconFkTqlnNsubniQdep4qsiFNsub31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VTHVTH02FVSB2F,2qsiNsubCox体效应系数，典型值0.3-0.4V-1/232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33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VsnVgpVinMp1Mp2MnVrefIoIoutUSPatent：5998777V-I转换电路34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L'LL)/1(1'/1LLLLLLVVLLDSDS/),1(1'/1)1()(22DSTHGSoxnDVVVLWCILL’假设：是线性关系与DSV/LL短沟道MOS管时该近似会明显影响精度35西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计沟长调制效应gmnCoxWL(VGSVTH)(1VDS))1(2DSDoxnmVILWCgTHGSDmVVIg2AIC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。36西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计亚阈值导电性IDI0expVGSkTq截止——弱反型——中反型——强反型渐进的连续变化过程，VGSVTH时仍有IDS存在1,系数，[zi:tə]当VDS大于200mV时带来功耗；被存储的信息的丢失37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、VDS»VT时的漏电流38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？)(1THGSLWoxnDSDSONVVCVIR测深线性区的MOS管的导通电阻RON随VGS的变化VGIDSVDVSVGSIDS/VDS39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=1A/m所对应的VGS为VTH，此时MOS管工作在亚阈区附近。为什么？2)(2THGSoxnDVVLCWI2)(2THGSoxnDVVLWCI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40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IDI0expVGSkTq强反型时的跨导:2/)(THGSDmVVIg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：41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42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43西电微电子学院－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（bird’seye，angledview）俯视图（verticalview）栅接触孔开在沟道区外AIC设计希望源漏PN结寄生电容小44西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计MOS器件版图45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WLDCOXC5、C6：结电容；=底电容+侧壁电容46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ED