模拟集成电路设计ch器件物理PPT学习教案.pptx

会计学1模拟集成电路模拟集成电路(jchng-dinl)设计设计ch器器件物理件物理第一页，共40页。MOS符号(fho)2模拟电路模拟电路(dinl)(dinl)中中常用符号常用符号数字电路中常用数字电路中常用(chn yn)(chn yn)MOSFET是一个是一个四端四端器件器件第第1页页/共共40页页第二页，共40页。2.2 MOS的的I/V特性特性(txng)n n沟道(u do)的形成3第第2页页/共共40页页第三页，共40页。4n n阈值电压VTHn nNMOS管的阈值电压通常定义(dngy)为界面的电子浓度等于P型衬底的多子浓度时的栅极电压。n n n n 在基础分析在基础分析在基础分析在基础分析(fnx)(fnx)(fnx)(fnx)中，假定中，假定中，假定中，假定VGSVGSVGSVGS大于大于大于大于VTHVTHVTHVTH时，器件会突然导通。时，器件会突然导通。时，器件会突然导通。时，器件会突然导通。通常通过通常通过(tnggu)(tnggu)沟道注入法来改变阈值电压沟道注入法来改变阈值电压的大小。的大小。第第3页页/共共40页页第四页，共40页。5nMOS器件(qjin)的3个工作区1.1.1.1.截止截止截止截止(jizh)(jizh)(jizh)(jizh)区区区区 cutoff cutoff cutoff cutoffVGSVTH第第4页页/共共40页页第五页，共40页。62.2.2.2.线性区线性区线性区线性区 triode or linear region triode or linear region triode or linear region triode or linear region MOSFET 处于处于(chy)线线性区性区第第5页页/共共40页页第六页，共40页。Derivation Derivation of I/V Characteristicsof I/V Characteristics7第第6页页/共共40页页第七页，共40页。I/V Characteristics(cont.)8第第7页页/共共40页页第八页，共40页。I/V Characteristics(cont.)9第第8页页/共共40页页第九页，共40页。10深三极管区深三极管区线性区的线性区的MOSFETMOSFET等效为一个等效为一个(y)(y)线性电阻（导通电阻线性电阻（导通电阻RonRon）第第9页页/共共40页页第十页，共40页。113.3.3.3.饱和饱和饱和饱和(boh)(boh)(boh)(boh)区区区区 active or saturation active or saturation active or saturation active or saturation regionregionregionregion 过驱动过驱动(q dn)(q dn)电压电压 Vov Vov 有效电有效电压压Veff Veff 过饱和电压过饱和电压 Vsat Vsat一个重要一个重要(zhngyo)(zhngyo)的概念的概念（VGS-VTH VGS-VTH ）第第10页页/共共40页页第十一页，共40页。12饱和区内饱和区内(q ni)(q ni)，电流近似，电流近似只与只与 W/L W/L 和过饱和电压和过饱和电压VGS-VGS-VTH VTH 有关，不随源漏电压有关，不随源漏电压VDSVDS变化变化因此在因此在VGSVGS不变的条件不变的条件(tiojin)(tiojin)下下MOSFETMOSFET可以等效可以等效为恒流源为恒流源第第11页页/共共40页页第十二页，共40页。跨导是小信号跨导是小信号(AC)(AC)参数，用来表参数，用来表征征MOSFETMOSFET将电压变化转换为电流将电压变化转换为电流(dinli)(dinli)变化的能力。反映了器件的灵敏度变化的能力。反映了器件的灵敏度 VGS VGS对对IDID的控制能力。的控制能力。13引入重要引入重要(zhngyo)(zhngyo)的概念的概念 跨导跨导 gm gmtransconductance利用这个特点可以实现信号利用这个特点可以实现信号(xnho)(xnho)的放大的放大如果在栅极上加上信号，则如果在栅极上加上信号，则 饱和区的饱和区的MOSFET可以看作是可以看作是受受VGS控制的电流源控制的电流源第第12页页/共共40页页第十三页，共40页。14第第13页页/共共40页页第十四页，共40页。15到此为止到此为止(do c wi zh)(do c wi zh)，我们已经学习了，我们已经学习了MOSFETMOSFET的的三种用途：三种用途：开关开关(kigun)(kigun)管管恒流源恒流源放大放大(fngd)(fngd)管管分别处在什么工作区？分别处在什么工作区？第第14页页/共共40页页第十五页，共40页。16怎么判断怎么判断MOSFETMOSFET处在什么处在什么(shn me)(shn me)工作区工作区？方法二：方法二：（源极电压（源极电压(diny)(diny)不方不方便算出时）便算出时）比较栅极比较栅极VgVg和和漏端漏端VdVd的电压的电压(diny)(diny)高低高低方法方法(fngf)(fngf)一：一：比较源漏电压比较源漏电压VdsVds和过饱和电压和过饱和电压VsatVsat的高低的高低第第15页页/共共40页页第十六页，共40页。图中图中MOSMOS管的作用是什么管的作用是什么(shn me)(shn me)？应该工作在什么？应该工作在什么(shn(shn me)me)工作区？工作区？17思考题思考题第第16页页/共共40页页第十七页，共40页。即即NMOSNMOS开关不能传递最高电位开关不能传递最高电位(din wi)(din wi)，仅对低电位，仅对低电位(din wi)(din wi)是比较理想的开是比较理想的开关关相对的，相对的，PMOSPMOS开关不能传递最低电位开关不能传递最低电位(din wi)(din wi)，仅对高电位，仅对高电位(din wi)(din wi)是比较理想的开关是比较理想的开关18第第17页页/共共40页页第十八页，共40页。19第第18页页/共共40页页第十九页，共40页。2.3 二级效应二级效应(xioyng)n n体效应n n 在前面的分析中，我们未加说明地假定衬底和源都是接地的（for NMOS）。实际上当VBVS时，器件仍能正常工作，但是随着(su zhe)VSB的增加，阈值电压VTH会随之增加，这种体电位（相对于源）的变化影响阈值电压的效应称为体效应，也称为“背栅效应”。20其中其中(qzhng)，为体效应系数，典型值为体效应系数，典型值0.3-0.4V1/2第第19页页/共共40页页第二十页，共40页。21沟道沟道(u do)层通过层通过Cox耦合到栅极，通耦合到栅极，通过过CD 耦合到体区。耦合到体区。所以体区电压同样可以所以体区电压同样可以(ky)（通过（通过CD的耦合作用）影响沟道中载流子的耦合作用）影响沟道中载流子的浓度，影响导电性，或者说阈值电压的大小。的浓度，影响导电性，或者说阈值电压的大小。第第20页页/共共40页页第二十一页，共40页。22体效应体效应体效应体效应(xioyng)(xioyng)对电路性能的影响对电路性能的影响对电路性能的影响对电路性能的影响体效应体效应(xioyng)(xioyng)会导致设计参量复杂化，会导致设计参量复杂化，AIC AIC设计通常不希望设计通常不希望有体效应有体效应(xioyng)(xioyng)第第21页页/共共40页页第二十二页，共40页。23n n沟道长度调制效应n n当沟道发生夹断(ji dun)后，如果VDS继续增大，有效沟道长度L会随之减小，导致漏源电流 ID 的大小略有上升，饱和区的电流方程需要做如下修正：L越大，沟调效应越大，沟调效应(xioyng)越越小！小！其中其中为沟道为沟道(u do)(u do)长度调制系数长度调制系数第第22页页/共共40页页第二十三页，共40页。沟调效应使饱和沟调效应使饱和(boh)(boh)区的区的MOSFETMOSFET不能再看成理想的电流不能再看成理想的电流源，源，而具有有限大小的输出电阻而具有有限大小的输出电阻roro24第第23页页/共共40页页第二十四页，共40页。25n n亚阈值导电性（弱反型）n n在初步分析MOSFET的时候(sh hou)，我们假设当VGS VTH时，器件会突然关断，即ID会立即减小到零；但实际上当VGS略小于VTH 时，有一个“弱”的反型层存在，ID大小随VGS下降存在一个“过程”，与VGS呈指数关系：第第24页页/共共40页页第二十五页，共40页。n n栅和沟道之间的氧化层电容栅和沟道之间的氧化层电容栅和沟道之间的氧化层电容栅和沟道之间的氧化层电容(dinrng)C1(dinrng)C1n n衬底和沟道之间的耗尽层电容衬底和沟道之间的耗尽层电容衬底和沟道之间的耗尽层电容衬底和沟道之间的耗尽层电容(dinrng)C2(dinrng)C2n n多晶硅栅与源和漏交叠而产生的电容多晶硅栅与源和漏交叠而产生的电容多晶硅栅与源和漏交叠而产生的电容多晶硅栅与源和漏交叠而产生的电容(dinrng)C3(dinrng)C3、C4C4，每单位宽度交叠电容，每单位宽度交叠电容，每单位宽度交叠电容，每单位宽度交叠电容(dinrng)(dinrng)用用用用CovCov表示表示表示表示n n源源源源/漏与衬底之间的结电容漏与衬底之间的结电容漏与衬底之间的结电容漏与衬底之间的结电容(dinrng)C5(dinrng)C5、C6C62.4 MOS器件(qjin)电容26分析高频交流分析高频交流(jioli)(jioli)特性特性时时必须考虑寄生电容的影响必须考虑寄生电容的影响根据物理结构根据物理结构，可以把，可以把MOSFET的寄生电容分为：的寄生电容分为：第第25页页/共共40页页第二十六页，共40页。27n n器件关断时，器件关断时，器件关断时，器件关断时，CGD=CGS=CovWCGD=CGS=CovW，n nCGBCGB由氧化层电容由氧化层电容由氧化层电容由氧化层电容(dinrng)(dinrng)和耗和耗和耗和耗尽区电容尽区电容尽区电容尽区电容(dinrng)(dinrng)串连得到串连得到串连得到串连得到n n深三极管区时，深三极管区时，深三极管区时，深三极管区时，VDVD VSVS，n n饱和区时，饱和区时，饱和区时，饱和区时，在三极管区和饱和区，在三极管区和饱和区，在三极管区和饱和区，在三极管区和饱和区，CGBCGB通常可以通常可以通常可以通常可以(ky(ky)被忽略。被忽略。被忽略。被忽略。在电路分析在电路分析在电路分析在电路分析(fnx)(fnx)中我们关心器件各个端口的等效电容：中我们关心器件各个端口的等效电容：中我们关心器件各个端口的等效电容：中我们关心器件各个端口的等效电容：第第26页页/共共40页页第二十七页，共40页。大信号大信号(xnho)和小信和小信号号(xnho)模型模型n n大信号模型(mxng)n n用于描述器件整体的电压-电流关系，通常为非线性n n小信号模型(mxng)n n如果在静态工作点（偏置）上叠加变化的信号（交流信号），其幅度“足够小”，则可以用线性化的模型(mxng)去近似描述器件，这种线性化模型(mxng)就是小信号模型(mxng)。28第第27页页/共共40页页第二十八页，共40页。2.5 MOS小信号小信号(xnho)模型模型29第第28页页/共共40页页第二十九页，共40页。30小信号小信号(xnho)(xnho)参数：参数：第第29页页/共共40页页第三十页，共40页。31MOSMOS管的完整管的完整管的完整管的完整(wnzhng)(wnzhng)小信号模型小信号模型小信号模型小信号模型对于手算，模型不是(b shi)越复杂越好。能提供合适的精度即可第第30页页/共共40页页第三十一页，共40页。32MOS SPICEMOS SPICE模型模型模型模型(mxng)(mxng)模型精度(jn d)决定电路仿真精度(jn d)最简单的模型Level 1，0.5m适于手算第第31页页/共共40页页第三十二页，共40页。NMOS VSVS PMOSn n在大多数工艺中，NMOS管性能比PMOS管好n n迁移率4：1，高电流驱动(q dn)能力，高跨导n n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n n对Nwell 工艺，用PMOS管可消除体效应n n独占一个阱，可以有不同的体电位33第第32页页/共共40页页第三十三页，共40页。NMOSNMOS管与管与管与管与PMOSPMOS管工艺参数管工艺参数管工艺参数管工艺参数(cnsh)(cnsh)的比较的比较的比较的比较34第第33页页/共共40页页第三十四页，共40页。长沟道长沟道长沟道长沟道(u do)u do)器件和短沟道器件和短沟道器件和短沟道器件和短沟道(u do)u do)器件器件器件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，得到精确(jngqu)结果。35第第34页页/共共40页页第三十五页，共40页。MOSMOS管用作电容器时管用作电容器时管用作电容器时管用作电容器时36第第35页页/共共40页页第三十六页，共40页。并联并联(b(bnglnglinin)串联串联(ch(chununlilin)n)37思考思考(sko)(sko)：第第36页页/共共40页页第三十七页，共40页。注意不要混淆注意不要混淆(hnxio)(hnxio)管子的宽管子的宽W W和长和长L L以及以及(yj)(yj)串并串并联关系！联关系！WL38倒比管倒比管第第37页页/共共40页页第三十八页，共40页。391.解释解释(jish)什么是小信号跨导，给出饱和区什么是小信号跨导，给出饱和区MOSFET小信号跨导的三种表达形式小信号跨导的三种表达形式 复习题：复习题：2.右图中右图中MOSFET的过饱和电压是多少？管子的过饱和电压是多少？管子(gun zi)处于什处于什么工作区？么工作区？第第38页页/共共40页页第三十九页，共40页。403.如图所示，如图所示，Vin随时间线性增加。在不考虑沟调效应随时间线性增加。在不考虑沟调效应(xioyng)，需考虑体效应，需考虑体效应(xioyng)的前提下，画出的前提下，画出Vout随时间的曲线。随时间的曲线。4.下图是MOS管的电压(diny)电流曲线，图中L1和L2的大小关系是？第第39页页/共共40页页第四十页，共40页。