模拟CMOS集成电路设计-ch1-优秀PPT.ppt

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1、HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生提纲提纲n n1、绪论n n2、MOS器件物理基础11/3/20221提纲HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生1、绪论、绪论n n先修课程：模拟电路基础、器件模型、集成电路原理先修课程：模拟电路基础、器件模型、集成电路原理n n教材：教材：n n 模拟模拟CMOSCMOS集成电路设计，集成电路设计，美美 毕查德毕查德.拉扎维拉扎维 著，陈著，陈贵灿贵灿 程军程军 张瑞智张瑞智 等译，西安交通高校出版社。等译，西安交通高校出版社。n n参考教材：参考

2、教材：n n CMOS CMOS模拟电路设计（其次版）（英文版），模拟电路设计（其次版）（英文版），美美 Phillip E.Allen,Douglas R.Holberg Phillip E.Allen,Douglas R.Holberg 著，电子工业出版社。著，电子工业出版社。模拟集成电路的分析与设计，模拟集成电路的分析与设计，Paul R.GrayPaul R.Gray，Paul Paul J.HurstJ.Hurst，Stephen H.LewisStephen H.Lewis，Robert G.MeyerRobert G.Meyer著，著，高等教化出版社。高等教化出版社。11/3/2

3、0222绪论HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n 探讨模拟集成电路的重要性探讨模拟集成电路的重要性n n 探讨探讨CMOSCMOS模拟集成电路的重要性模拟集成电路的重要性Eggshell Analogy of Analog IC Design(Paul Gray)11/3/20223绪论HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生SystemsCircuitsDevices simplecomplex11/3/20224绪论HIT MicroelectronicsHIT Microel

4、ectronics王永生王永生2、MOS器件物理基础器件物理基础n n2.1 基本概念n n2.1.1 MOSFET的结构n n栅（栅（G:gateG:gate）、源（）、源（S:sourceS:source）、漏（）、漏（D:drainD:drain）、衬）、衬底（底（B:bulkB:bulk）（以（以n n型为例）型为例）11/3/20225MOS器件物理基础HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n nMOSFETMOSFET是一个四端器件是一个四端器件是一个四端器件是一个四端器件N阱阱n nCMOSCMOS技术技术技术技术11/3/2

5、0226MOS器件物理基础HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n2.1.2 MOS2.1.2 MOS符号符号11/3/20227MOS器件物理基础HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n2.2 MOS的I/V特性n n2.2.1 阈值电压（以N型FET为例）n n耗尽（b）；反型起先（c）；反型（d）11/3/20228MOS器件物理基础HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生 MSMS是多晶硅栅和硅衬底的功函数之差；是多晶硅

6、栅和硅衬底的功函数之差；q q是电子电荷，是电子电荷，NNsubsub是衬底是衬底掺杂浓度，掺杂浓度，QQdepdep是耗尽区电荷，是耗尽区电荷，C Coxox是单位面积的栅是单位面积的栅氧化层电容；氧化层电容；si si表示硅介电常数。表示硅介电常数。n n阈值电压（阈值电压（V VTHTH）定义）定义 NFETNFET的的V VTHTH通常定义为界面的电子浓度等于通常定义为界面的电子浓度等于P P型衬型衬底的多子浓度时的栅压。底的多子浓度时的栅压。11/3/20229MOS器件物理基础HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n“本征本

7、征”阈值电压阈值电压通过以上公式求得的阈值电压，通常成为通过以上公式求得的阈值电压，通常成为“本征本征(native)”(native)”阈值电压，典型值为阈值电压，典型值为-0.1V.-0.1V.在器件制造工艺中，通常通过向沟道区注入杂质在器件制造工艺中，通常通过向沟道区注入杂质来调整来调整V VTHTH对于对于NMOSNMOS，通常调整到，通常调整到0.7V0.7V（依工艺不同而不同）（依工艺不同而不同）11/3/202210MOS器件物理基础HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n2.2.2 MOS2.2.2 MOS器件的器件的I

8、/VI/V特性特性NMOSNMOSn n截止区截止区(V(VGSGSVVTHTH)n n三极管区（线性区）（三极管区（线性区）（V VDSDSVVGSGS-V-VTHTH）n n饱和区（饱和区（V VDSDSVVGSGS-V-VTHTH）11/3/202211MOS器件物理基础HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生PMOSPMOSn n截止区截止区n n三极管区（线性区）三极管区（线性区）n n饱和区饱和区ID参考电流方向11/3/202212MOS器件物理基础HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics

9、王永生王永生n n2.3 二级效应n n体效应体效应对于对于NMOSNMOS，当，当V VB BV1 1，V VT TkT/qkT/q11/3/202215MOS器件物理基础HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n2.3.4 2.3.4 电压限制电压限制n n栅氧击穿栅氧击穿n n 过高的过高的GSGS电压。电压。n n“穿通穿通”效应效应n n 过高的过高的DSDS电压，漏极四周的耗尽层变宽，会电压，漏极四周的耗尽层变宽，会到达源区四周，产生很大的漏电流。到达源区四周，产生很大的漏电流。11/3/202216MOS器件物理基础HIT

10、MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n2.4 MOS器件模型n n2.4.1 MOS2.4.1 MOS器件电容器件电容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n 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n 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C C3 3，C C4 4，每单，每单位宽度交叠电容用位宽度交叠电容用C Covov表示表示n n源源/漏与衬底之间的结电容漏与衬底之间的结电容C5C5，C6C6，结电容，结电容Cj0是在反向电压是在反向电压VR为为0时的电容，时的电容，B是结的内

11、建电势，是结的内建电势，m=0.30.411/3/202217MOS器件物理基础HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n器件关断时，器件关断时，C CGDGD=C=CGSGS=C=CovovWW，C CGBGB由氧化层电容和耗尽区电容串连得到由氧化层电容和耗尽区电容串连得到n n深三极管区时，深三极管区时，V VDD V VS S，n n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，CGB通常可以被忽视。通常可以被忽视。等效电容：等效电容：11/3/202218MOS器件物理基础HIT MicroelectronicsHI

12、T Microelectronics王永生王永生n n2.4.2 MOS2.4.2 MOS小信号模型小信号模型11/3/202219MOS器件物理基础HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n nMOS SPICEMOS SPICE模型模型n n在电路模拟（在电路模拟（simulationsimulation）中，）中，SPICESPICE要求每个器件都要求每个器件都有一个精确的模型。有一个精确的模型。n n种类种类n n1st 1st 代：代：MOS1MOS1，MOS2MOS2，MOS3MOS3；n n2nd2nd代：代：BSIMBSIM，

13、HSPICE levelHSPICE level2828，BSIM2BSIM2n n3rd3rd代：代：BSIM3BSIM3，MOS model9MOS model9，EKV(Enz-EKV(Enz-Krummenacher-Vittoz)Krummenacher-Vittoz)n n目前工艺厂家最常供应的目前工艺厂家最常供应的MOS SPICEMOS SPICE模型为模型为BSIM3v3BSIM3v3n n（UC BerkeleyUC Berkeley）n nBSIM web site:/www-BSIM web site:/www-device.eecs.berkeley.edu/bsim

14、3device.eecs.berkeley.edu/bsim3n n仿真器：仿真器：n nHSPICEHSPICE；SPECTRESPECTRE；PSPICEPSPICE；ELDOELDOn nWinSPICEWinSPICE；Spice OPUSSpice OPUSFree!11/3/202220MOS SPICE模型HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n基本的基本的SPICESPICE仿真仿真11/3/202221MOS SPICE模型HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n

15、n例：采样例：采样spicespice模拟模拟MOSMOS管的输出特性管的输出特性*Output Characteristics for NMOSM1 2 1 0 0 MNMOS w=5u l=1.0uVGS 1 0 1.0VDS 2 0 5.op.dc vds 0 5.2 Vgs 1 3 0.5.plot dc-I(vds).probe*model.MODEL MNMOS NMOS VTO=0.7 KP=110U+LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7.end11/3/202222MOS SPICE模型HIT MicroelectronicsHIT Microelectr

16、onics王永生王永生n n例：采样例：采样spicespice进行进行DCDC分析分析*DC analysis for AMPM1 2 1 0 0 MOSN w=5u l=1.0uM2 2 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0uM3 3 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0uR1 3 0 100KVdd 4 0 DC 5.0Vin 1 0 DC 5.0.op.dc vin 0 5 0.1.plot dc V(2).probe*model.MODEL MOSN NMOS VTO=0.7 KP=110U+LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7.MODEL MOSP

17、 PMOS VTO=-0.7 KP=50U+LAMBDA=0.05 GAMMA=0.57 PHI=0.8.end11/3/202223MOS SPICE模型HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n例：采样例：采样spicespice进行进行ACAC分析分析*AC analysis for AMPM1 2 1 0 0 MOSN w=5u l=1.0uM2 2 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0uM3 3 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0uR1 3 0 100KCL 2 0 5pVdd 4 0 DC 5.0Vin 1 0

18、DC 1.07 AC 1.0.op.ac DEC 20 100 100MEG.plot ac VDB(2)VP(2).probe*model.MODEL MOSN NMOS VTO=0.7 KP=110U+LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7.MODEL MOSP PMOS VTO=-0.7 KP=50U+LAMBDA=0.05 GAMMA=0.57 PHI=0.8.end11/3/202224MOS SPICE模型HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n例：采样例：采样spicespice进行进行TRANTRAN

19、分析分析*TRAN analysis for AMPM1 2 1 0 0 MOSN w=5u l=1.0uM2 2 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0uM3 3 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0uR1 3 0 100K*CL 2 0 5pVdd 4 0 DC 5.0Vin 1 0 DC 1.07 sine(2v 2v 100KHz).op.tran.1u 10u.plot tran V(2)V(1).probe*model.MODEL MOSN NMOS VTO=0.7 KP=110U+LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7.MODEL MOSP PMOS

20、 VTO=-0.7 KP=50U+LAMBDA=0.05 GAMMA=0.57 PHI=0.8.end11/3/202225MOS SPICE模型HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生小结小结n n用简洁的模型设计（用简洁的模型设计（designdesign），用困难的模型验证），用困难的模型验证（verificationverification）；）；n n模型用于：模型用于：n n大信号静态大信号静态(dc variables)(dc variables)n n小信号静态小信号静态(gains,resistances)(gains,resistances)n n小信号动态小信号动态(frequency response,noise)(frequency response,noise)n n大信号动态大信号动态(slew rate)(slew rate)n n计算机模型（计算机模型（spice modelspice model）用于计算机验证，而非）用于计算机验证，而非用于设计用于设计11/3/202226