（计算机应用技术专业论文）cmos射频线性功率放大器设计.pdf

广一姗蝉用授, y 1 7 帆3 8 9 2 0 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得 的成果和相关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其 他人已经发表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内 容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说 明并致谢。 论文作者签名：杀1 訇呜，工。卢年月2 二e l 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 一翻曼名讲辨厶纱日 c m o s 射频线性功率放大器设计 摘要 提高功率放大器的线性度的研究设计具有很大的应用前景和研究价 值。本论文设计了一个工作在2 4 g h z 频率处的线性功率放大器。基于t s m c 0 1 8 岬c m o s 工艺，电路由输入级和输出级两级结构以及相应的阻抗匹配网 络构成。电路采用l o a d - p u l l 技术获得最佳的输出负载阻抗，并分析讨论 了直流扫描、输出级l o a d - p u l l 、输出阻抗匹配、输入级l o a d p u l l 和输入 阻抗匹配等设计步骤。经a d s 2 0 0 8 u 2 软件仿真，当输入信号功率为一5 5 d b m 时，获得约2 2 3 d b m 的输出功率，功率增益约为2 7 8 d b ，功率附加效率达 到了约2 9 1 4 的较好结果。 本论文说明了功率放大器线性化设计的依据，并根据它的原理重点提 出了一种新颖的线性化电路结构，采用在输出级并联辅助功率管补偿功率 放大器线性度的方式，对所设计的工作频率为2 4 g h z 的线性功率放大器进 行了优化。基于t s m c0 1 8 岬c m o s 工艺，电路利用a d s 2 0 0 8 u 2 软件进行了 设计与仿真( 阻抗匹配网络的设计是重点和难点) ，并对性能仿真结果进行 了研究分析。对比优化前的性能仿真结果发现，虽然功率放大器的功率增 加效率降低了约1 ，但代表功率放大器的线性度的l d b 压缩点却提高了 5 1 4 d b m ，与国内外设计相比，本设计取得了较好的效果。 关键词：c m o s 射频功率放大器线性化m o s 模型负载牵引 d e sig no fc m o sr flin e a rp o w e ra m p lifle r a b s t r a c t t h ed e s i g no fr a i s i n gt h e l i n e a r i t yo fp o w e ra m p l i f i e rh a sag o o d a p p l i c a t i o np r o s p e c ta n ds t u d i e sv a l u e t h et h e s i sf o c u s e do nt h ed e s i g no fa c e n t r a lf r e q u e n c yo f2 4 g h zl i n e a rp o w e ra m p l i f i e r b a s e do nt s m co 18 p x n c m o s p r o c e s s ，t h ec i r c u i tc o n s i s t e do fat w o s t a g ec i r c u i ts t r u c t u r e i n c l u d i n g t h ei n p u ts t a g e ，o u t p u ts t a g e ，a n dt h er e l a t e di m p e d a n c e m a t c h i n gn e t w o r k s t h e c i r c u i tg o tt h eo p t i m i z e do u t p u tl o a du s i n gl o a d p u l lt e c h n o l o g y t h ed e s i g n s t e ps u c h a sd cb i a s s c a n s ，l o a d p u l lo fo u t p u ts t a g e ，o u t p u ti m p e d a n c e m a t c h i n g ，l o a d p u l lo fi n p u ts t a g ea n di n p u ti m p e d a n c em a t c h i n gw a sa n a l y s e d a n dd i s c u s s e d s i m u l a t e db ya d s 2 0 0 8 u 2 ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a t w h e nt h ei n p u tp o w e rw a s 一5 5 d b m ，i td e l i v e r e d2 2 3 d b mo u t p u tp o w e rw i t h 2 7 8 d bp o w e r g a i n ，a n dt h ep o w e ra d d e de 伍c i e n c yw a s2 9 14 i nt h i sp 即e r t h eb a s i so fl i n e a r i z a t i o nd e s i g no fp o w e ra m p l i f i e rw a s i l l u s t r a t e d b a s e do ni t sp r i n c i p l e ，t h et h e s i sf o c u s e do np u t t i n gf o r w a r dan e w 妯n do fl i n e a r i z a t i o nc i r c u i ts t r u c t u r et h a tp u tap a r a l l e lp o w e rt r a n s i s t o ra tt h e o u t p u ts t a g et oi m p r o v et h el i n e a r i t yo ft h ep o w e ra m p l i f i e ra n du s i n gi tt o o p t i m i z et h ed e s i g no ft h ec e n t r a lf r e q u e n c yo f2 4 g h zl i n e a rp o w e ra m p l i f i e r b a s e do nt s m c0 18 p mc m o s p r o c e s s ，t h ec i r c u i tw a sd e s i g n e da n ds i m u l a t e d b ya d $ 2 0 0 8 u 2 i m p e d a n c em a t c h i n gn e t w o r k sw e r et h ei m p o r t a n ta n dd i f f i c u l t p a r to fd e s i g n t h es i m u l a t i o nr e s u l t sw a sa n a l y s e d c o m p a r e dt h es i m u l a t e d r e s u l tw i t ht h eb e f o r e ，w ec a nd i s c o v e r e dt h a ta l t h o u g ht h e p o w e ra d d e d e f f i c i e n c y ( p a e ) o fp o w e ra m p l i f i e rd r o p e dl ，pl 扭o fp o w e ra m p l i f i e r r e p r e s e n t e dt h el i n e a r i t yo fp o w e ra m p l i f i e rr a i s e5 14d b m t h ed e s i g ng o ta n i c er e s u l tc o m p a r e dw i t ht h eo n e sa th o m ea n da b r o a d k e y w o r d s ：c m o s ；r a d i of r e q u e n c y ( i 强) ；p o w e ra m p l i f i e r ( p a ) ； l i n e a r i z a t i o n ；m o sm o d e l ；l o a d p u l l i i 摘要 目录 a b s t r a c t 第一章绪论1 1 1 研究背景和意义1 1 2c m o s 工艺实现集成功率放大器的挑战。2 1 3 研究现状3 1 4 论文组织结构。5 第二章m o s 器件模型6 2 1m o s 晶体管结构_ 6 2 2m o s 晶体管工作原理6 2 3m o s 晶体管电容特性7 2 4m o s 晶体管等效电路8 2 5m o s 晶体管高阶效应及其b s i m 模型9 2 6 本章小结11 第三章功率放大器设计1 2 3 1 功率放大器关键性能指标1 2 3 2 线性功率放大器分类1 4 3 2 1a 类功率放大器1 5 3 2 2b 类功率放大器1 5 3 2 3a b 类功率放大器1 6 3 3 功率放大器的偏压点选择1 7 3 4 功率放大器设计1 7 3 4 1 直流扫描1 8 3 4 2 输出级l o a d p u l l 1 9 i i i 3 4 3 输出阻抗匹配一1 9 3 4 4 输入级l o a d p u n 2 0 3 4 5 输入阻抗匹配2 0 3 4 6 整体电路结构2 1 3 5 仿真性能分析2 2 3 5 1s m i t h 圆图上匹配2 2 3 5 2s 参数2 2 3 5 3 功率增益2 3 3 5 4 稳定性2 4 3 5 5 功率增加效率一2 4 3 5 6l d b 压缩点2 5 3 6 本章小结- 2 5 第四章功率放大器线性化设计2 7 4 1 功率放大器的非线性影响2 7 4 2 功率放大器的线性化技术o 2 8 4 2 1 电路级线性化技术2 8 4 2 2 系统级线性化技术3 0 4 3 线性功率放大器的设计依据3 4 4 4 电路设计3 5 4 4 1 输入级线性化偏置电路3 6 4 4 2 输出级辅助功率管3 6 4 4 3 匹配网络3 7 4 4 4 整体电路：3 8 4 5 仿真性能分析3 9 4 5 1s m i 也圆图上匹配3 9 4 5 2s 参数。3 9 4 5 3 功率增益4 0 4 5 4 稳定性。4 1 4 5 5 功率增加效率4 1 i v 4 5 6l d b 压缩点一4 2 4 5 7 综合性能评估 o 4 2 4 6 本章小结4 3 第五章总结与展望。 参考文献 致谢 4 4 4 5 攻读硕士学位期间发表论文和参加科研情况5 0 v 广西大爿瞻页士学位论文c m o s 射频线性功率放大器设计 一一一第一章绪论 1 1 研究背景和意义 随着无线传输设备不断向微型化、低功耗、低成本、高性能方向发展，加上卫星导 航、无线局域网、数字电视，移动通信和蓝牙等各个领域本身的发展，给r f i c 带来巨 大的市场前景，同时也带来了r f i c 的技术发展和产品开发的新一轮高潮【l 】。这种市场的 巨大需求推动了射频集成电路发展，传统的射频无线通信系统是由各种各样的分立元件 组成的，这些分立元件包括电容、电感、电阻、无源滤波器以及分立电子管或者晶体管。 采用分立元件来实现无线收发机射频前端使得价格居高不下，系统体积也非常庞大，与 人们的需求产生矛盾。随着工艺技术和集成电路设计技术的发展，实现集成化的无线收 发机射频前端已经有了可能。考虑到绝大多数无线收发机的基带处理器都是采用c m o $ 工艺实现的，射频前端也应采用c m o s 工艺来实现，以便最终将射频前端和基带处理器 集成在同一块芯片上，实现单芯片的收发机 2 1 。近年来，无线通信技术及其应用得到了 非常迅速地发展。数字编码及数字信号处理的引入是推动无线通信技术发展的原动力。 高性能、低成本的c m o s 工艺的进步，使得芯片上单位面积内可以集成越来越多的数字 功能，从而可以采用复杂的编解码和调制解调算法，获得高性能的无线通信。 目前，用c m o s 工艺以大量晶体管实现数字信号处理的复杂算法，是比较容易的。 但是射频模拟功能的实现比较困难。以前，都是用g e s i 和g a a s 工艺实现射频模拟功能， 但成本高，而更重要的是它和数字c m o s 工艺不兼容，无法实现单片集成。所以，进一 步发展的瓶颈是模拟前端，即天线和数字信号处理器之间的接口。所有这些因素导致了 用集成电路工艺来实现射频系统的研究和开发热潮。在硅c m o s 、b i c m o s 、双极工艺、g a a s m e s f e t 、异质结双极晶体管( h b t ) 、g e s i 器件等众多工艺中，由于器件和材料的原因， 虽然硅c m o s 的高频性能和噪声性能不是最好的，但是由于它的工艺最为成熟、成本最 低、功耗最小和高集成度，应用也最为广泛，况且随着技术水平的提高，特别是比例缩 小技术，m o s 晶体管的频率特性和噪声特性也逐渐得到改善，因此从长远来看，c m o s 射 频集成电路将是未来的发展趋势1 3 j 。 无线网络给人们的生活带来了深刻的影响。在经过十几年的指数型增长后，今天的 无线产业已成为世界上最大的产业之一。虽然现在存在着多种无线通信系统，它们在许 多方面都很不一样，但是所有的无线通信系统都包含一个射频前端模块来调制发送的信 号和解调接收的信号。射频电路在系统中起着关键作用，现代通信系统的发展与射频电 路的发展是分不开的。随着c m o s 晶体管特征频率和截止频率不断提高、工艺不断完善、 封装技术不断发展，c m o s i 艺满足了射频集成电路的需要【4 】。高性能、低功耗和低成本 是射频前端电路的设计目标。在g h z 频段要实现高性能、低功耗、低成本的电路是相当 困难的，这使得射频前端设计成了无线收发机设计的一个瓶颈。现在，大学和工业界的 广西大掌硕士掌位论文 c m o s 射频线憎渭寿率放大器设计 研究组都在进行射频集成电路的研究，采用c m o s i 艺实现的射频集成电路产品越来越 多，助能也越来越复杂，c m o s 射频集成电路开始进入真正的产品开发阶段。 射频功率放大器是无线发射机中的核心模块之一，要求输出大功率给外部负载。功 率放大器通常是无线收发机中功耗和体积最大的模块，其性能的好坏直接决定着射频收 发机。目前各通信系统采用的调制方式可以分为两种不同的调制类型：恒包络调制和非 恒包络调制。在恒包络调制中，信息仅调制载波的相位，而不改变载波的幅度，调制后 信号波形的包络是一个常数。这类调制方式包括模拟频率和相位调制、数字相位和频率 调制( p s k 、f s k 、g m s k ) 等。恒包络调制可以采用效率较高的开关模式功率放大器 进行放大，但频谱利用率低；非恒包络调制又可以分为两个子类：一类是信息仅调制载 波的幅度( 如模拟幅度调制和a s k 调制) ，另一类是信息同时调制载波的幅度和相位( 线 性调制方式) ，如q a m 调制等，这两类调制方式都会改变载波的幅度，调制后信号波形 的包络会随着时间而变化。非恒包络调制虽然频谱利用率高，却必须采用传统型的线性 功率放大器，使得效率很低【4 6 j 。随着通信技术的发展，信道容量急剧增加，为了充分利 用频谱效率，现代许多无线通信系统都采用了幅度、相位组合越来越复杂的调制技术， 功率放大器在输出大功率时要防止发生幅度失真，这就对功率放大器的线性度要求越来 越高 4 7 j 。因此，对c m o s 线性功率放大器的研究具有重要价值。 1 2c m o s 工艺实现集成功率放大器的挑战 随着c m o s 晶体管特征频率和截止频率不断提高、工艺不断完善、封装技术不断发 展、特征尺寸越来越小，使用c m o s 工艺制作的射频集成电路的性能越来越好，c m o s 工 艺成为了大多数射频电路集成电路的主流工艺。但对于射频功率放大器来说，特征尺寸 的减小，虽然可以提供更高的增益，但同时也使得晶体管的耐压能力急剧下降【5 】。 功率放大器要在消耗尽可能低直流功耗的前提下给负载提供大功率信号，同时，为 了降低驱动级的功耗，功率放大器还应该具有足够高的功率增益。考虑到功率放大器输 出的是大功率信号，放大器中存在大电流流动，当电路中存在寄生阻抗时，流过寄生阻 抗的大电流会消耗很大的功耗，降低了放大器的效率。由于寄生阻抗的大小一般是不可 控的，因此减小它们影响的办法只能是减小放大器中的电流。但c m o si 艺并不能满足 以上的要求，因此使得采用先进c m o s 工艺实现集成功率放大器面临着挑战【6 7 1 。 l 、耐压能力 漏源二极管齐纳击穿、漏源穿通和栅氧化层击穿限制了m o s 晶体管的耐压能力，其 中，漏源二极管齐纳击穿、漏源穿通是可以恢复的，而栅氧化层击穿是不可恢复的，但 栅氧化层击穿对功率放大器的设计具有最大的影响。 m o s 晶体管是反相型器件，当栅极电压达到最高时，漏端电压达到最低值，反之， 当栅极电压达到最低值时，漏端电压达到最高值，这进一步限制了功率放大器输出晶体 管漏端的电压幅度。当电压幅度降低时，为了输出一定量的功率，流过晶体管的电流必 须增加，寄生阻抗上的消耗会更大，降低了功率放大器的效率【5 1 。 2 广。西r 大掌硕士掌位就絮屯 c m o s 射频线性功率放大m - 设计 2 、射频晶体管模型 工作于射频条件下的晶体管会产生寄生效应，晶体管的性能与普通晶体管模型产生 差异，必须使用射频模型。这类模型一般依赖于芯片制造厂家提供，但提供晶体管的射 频模型的厂家却是少数，而且所提供的射频模型也都是对实际生产出的有限个元件测试 所得s 参数进行拟合得到的，只具有有限的准确度。 3 、m o s 晶体管跨导 m o s 晶体管的跨导较小，为了在漏端产生大电流，要么增加驱动级输出电压的幅度， 要么增加输出级晶体管的尺寸，这两种方法都会增加功率放大器输出级前级放大电路的 功耗，从而降低功率放大器的效率。以上所提到的限制，都是由于在一定的电流消耗下， m o s 晶体管的跨导太小引起的，而双极型晶体管或者g a a s 晶体管可以提供相对来说大得 多的跨导，是采用它们制作功率放大器的主要原因之一f 卯。 4 、衬底问题 衬底耦合会使功率放大器的输出强信号耦合到别的电路模块中去，对这些电路带来 干扰。降低衬底耦合的方法通常是采用有效的隔离措施，不将功率放大器和其他易受干 扰的电路模块集成在一起。另外，衬底损耗会降低片上集成电感的品质因子，影响射频 电路的性能，限制增益，增加消耗电流，降低效率【8 】。 5 、k n e e 电压 k n e e 电压将晶体管的工作划分为线性区和饱和区，相对于功率晶体管能承受的最高 电压来说，k n e e 电压是很小的一个值，近似认为o ；而在深亚微米级，功率晶体管能承 受的最高电压逐渐下降，但k n e e 电压却由于短沟道效应影响变得越来越高，因此导致 晶体管的工作区间大大缩小，如果仍然不让晶体管进入线性区工作，优化的负载阻抗值 将减小，为了维持相同的输出效率，输出级的电流必须增加，这将引起输出晶体管电流 太大可导致的所有设计问题 9 1 。 6 、e s d 问题 e s d 保护电路的作用是保护内部核心电路不受静电的影响，但当工作频率升高时， e s d 保护电路也会产生寄生效应，对射频电路的性能产生影响。因此，设计出一个既能 保护内部核心电路不受静电的影响又不影响射频电路的性能的e s d 保护电路，也是一项 挑战。 1 3 研究现状 现在的通讯系统都在朝m m i c 和s o c 的方向发展，因此，运用c m o s 工艺来设计 r f 通讯系统已成为大势所趋。另外，c m o s 工艺技术的快速发展，如特征频率和截止 频率不断提高、元件尺寸不断减小、功率消耗逐步降低等，其中特征频率和截止频率不 断提高对于设计r f 通信系统最为重要，使得c m o s 元件应用与r f 通信系统设计中的范 围更大。 3 广西大掌硕士掌位论文( 潮o s 射频线性功率放大器设计 1 、m o s 器件模型 国外早在2 0 世纪9 0 年代就开始了射频m o s 器件模型的研究，主要有u cb e r k e l e y 开发的b s i m 模型、p h i l i p s 开发的m o sm o d e l 模型。其中，b s i m 3 和b s i m 4 在o 1 8 i lm 至4 5 r i mm o s 器件模型中得到广泛应用。b s i m 模型获得绝大多数的商用电路模拟 器的支持而被普遍接受和广泛应用。它是一种“紧凑模型”，是基于m o s 器件的准二 维模型，该模型既基于物理学又基于经验公式。该模型考虑了小尺寸器件中的各种效 应，能精确地模拟深亚微米c m o s 器件，具有精确性、参数易提取性和计算速度较快 等许多优点。国内模型研究起步较晚，主要针对国外主流模型的改进。 2 、射频仿真软件 国内外主要采用a g i l e n t 公司的a d s 软件和c a n d e n c e 公司的s p e c t r e r f 软件进行射 频元器件与射频系统的设计。 a d s 是a g i l e n t 公司推出的一种功能强大的射频仿真软件，它将面向不同应用( 数字 信号处理和射频) 的两类仿真集成在一块，可以进行整个收发机系统的仿真；它还支持 系统级的行为仿真，通过调用各个子模块的行为模型可以快速模拟整个无线收发机系统 的性能【1 0 1 。 s p e c t r e r f 是c a d e n c e 公司推出的射频电路仿真软件，它只能仿真传输线一种分布式 元件，不能处理用渗数建模的电路。它也不能处理具有多个独立大信号的混频器电路， 但它通过采用周期性a c 分析和时域一频域方法可以分析混频器的小信号转换增益、噪声 和交调特性。与a d s 相比，s p e c t r e r f 的计算速度较慢，但它与c a d e n c e 的后端版图设计 和印证工具集成在一起，进行后端版图设计时非常方便【】。 3 、生产工艺 目前功率放大器的制作工艺主要有c m o s 和g a a s 两种，虽然相对c m o s 而言，g a a s 具有较高的输出功率和效率，但是制造成本比较高，另外考虑到绝大多数射频收发机的 基带处理部分都是用c m o s 工艺实现的，因此采用g a a s 制作功率放大器还需要额外的与 c m o s 系统连接的面积，不利于实现单芯片的无线收发机。随着c m o s 工艺的不断成熟， 截止频率的不断升高，再加上c m o s 集成电路功耗低、工作电压范围宽、抗干扰能力强、 输入阻抗高、温度稳定性能好等优点，使得采用c m o s 工艺设计功率放大器已成为目前 相当受重视的研究方向【i2 1 。 国外如i b m 、东芝及索尼等跨国公司芯片制造业已正式进入4 5 n m 工艺产品的量产 阶段；国内目前8 英寸、o 1 3l al 栅2 5 | lm 工艺成为半导体制造厂家的主流技术，领先的 6 5 n m 工艺正在开发当中。我国正在自主研发的c p u 龙芯3 使用的是6 5 n m 的c m o s 工 艺。 4 、产品实现 国内外企业都已把主要精力放在r fs o c 技术应用上，并已取得突破。国外的 a g i l e n t 、j a v e l i n 、g c ts e m i c o n d u c t o r 等公司以及国内的中芯国际、鼎芯通讯等公司相 继推出这方面的产品。如j a v e l i n 半导体公司，日前推出基于标准c m o s 技术实现3 g 4 广西大掌硕士掌位论文 c m o s 射频线憎调力率放大器设计 功率放大器j a v 5 0 0 1 ，在输出功率级别上有最小功耗，在3 g 蜂窝电话运行条件下达到 业界最低的电池电流，也是市面手机中带外噪声最低的产品，计划于2 0 1 0 年6 月开始 量产。 5 、线性度要求 目前各通信系统采用的调制方式可以分为两种不同的调制类型：恒包络调制和非恒 包络调制。在恒包络调制中，信息仅调制载波的相位，而不改变载波的幅度，调制后信 号波形的包络是一个常数。这类调制方式包括模拟频率和相位调制、数字相位和频率调 制( p s k 、f s k 、g m s k ) 等；非恒包络调制又可以分为两个子类：一类是信息仅调制 载波的幅度( 如模拟幅度调制和a s k 调制) ，另一类是信息同时调制载波的幅度和相位 ( 线性调制方式) ，如q a m 调制等，这两类调制方式都会改变载波的幅度，调制后信号 波形的包络会随着时间而变化【蜘。 恒包络调制对功率放大器的线性度要求不高，可以使用高效率的功率放大器。然而 随着通信技术的发展，信道容量急剧增加，为了充分利用频谱效率，现代许多无线通信 系统都采用了幅度、相位组合越来越复杂的调制技术，功率放大器在输出大功率时要防 止发生幅度失真，这就对功率放大器的线性度要求越来越高。 1 4 论文组织结构 本论文共分为五个章节，第一章为绪论，说明了研究背景和意义，c m o s 工艺实现 集成功率放大器的挑战，研究现状以及论文的框架。第二章为m o s 器件工作原理与模 型，主要介绍了m o s 晶体管的物理机构、工作原理，重点分析了m o s 晶体管的相关 等效高频模型。第三章为线性功率放大器的设计，首先介绍了功率放大器的性能参数与 分类，然后重点详细设计了一个工作在2 4 g h z 频率处由两级电路构成的线性功率放大 器，并对仿真性能进行了研究分析，设计达到了预期指标。第四章为功率放大器线性化 优化设计，提出一种新颖的线性化电路结构。首先简要介绍了线性化设计依据，然后重 点对第三章所设计的工作频率为2 4 g h z 的线性功率放大器进行了优化，并就电路主要 性能参数的仿真结果做了详细分析，讨论了设计中的重点和难点。第五章为总结与展望， 是对本论文所有工作的总结与展望。 5 广西大掌硕士掌位论文 c m o s 射朔r 线性功率放大器设计 第二章m o s 器件模型 由于m o s 晶体管体积小，功耗低，制造工艺简单，为集成化提供了有利条件。随 着硅平面工艺技术的发展，m o s 集成电路遵循摩尔定律发速发展。现在已经可以把几 亿乃至几十亿个m o s 晶体管集成在一个芯片里【1 3 】。c m o s 集成电路技术及其产业突飞 猛进，给人类的工作和生活带来了巨大变革。根据预测，直至本世纪中叶，它仍将是主 流技术。 2 1m o s 晶体管结构 m o s 晶体管是一种由栅极控制导电沟道从而控制器件特性的器件，采用电场控制 感应电荷的方式控制导电沟道。为了形成电场，在沟道区的上面覆盖了一层很薄的二氧 化硅层，称为栅氧化层。栅氧化层上方覆盖一层金属铝，形成栅电极。这样从上往下， 构成一种金属( m e t a l ) 氧化物( o x i d e ) 半导体( s e m i c o n d u c t o r ) 结构，故称为m o s 结构，这一结构是m o s 晶体管的核心【1 4 1 。按照沟道中载流子类别不同，分为n 沟道 m o s 晶体管和p 沟道m o s 晶体管两类。每一类均可采用耗尽型和增强型两种模式，因 此一共有四种m o s 晶体管。其中，n 沟道增强型晶体管的结构如图2 1 所示。 图2 一ln m o s 结构简图及电路符号 f i g 2 - 1t h es t r u c t u r ed i a g r a ma n dc i r c u i ts y m b o lo f n m o s m o s 晶体管有四个电极，分别称为：源( s ) 、漏( d ) 、栅( g ) 和衬底( b ) 。对 n m o s 晶体管，源和漏是用浓度很高的矿杂质扩散而成。在源、漏之间是受栅极电压 控制的沟道区，其中，三为沟道区总长度，三。f r 为沟道区有效长度，三d 为边缘扩散长度， k = l - 2 l o ，垂直的长度是宽度w ，衬底通常接地。 2 2m o s 晶体管工作原理 m o s 晶体管的工作区域可分为截止区、线性区、过渡区以及饱和区。下面从栅源电 压以及漏源电压对沟道的控制作用分析m o s 晶体管源区和衬底相连这种常规情况。 1 截止区 在 巧范围为截止区，漏源之间尚未形成沟道【1 5 】，因此 i d = 0 ( 2 一1 ) 6 。?p卜h扩s 广西大掌硕士学位论文 c m o s 射频线性功率放大器设计 2 非饱和区 在巧范围，漏源之间已形成沟道【1 6 1 。 对应与特性曲线上的非饱和区， 该区域中的，d 表达式为 厶= 以等i 眩一巧k 。一丢略】 ( 2 _ 2 ) 式中，以为沟道中电子迁移率；l 和形分别为沟道长和宽；c 矗为栅氧化层电容。 也可将以用参数艘表示，称为跨导参数。 3 饱和区 巧，对应于特性曲线上的饱和区，该区域中的厶表达式为 厶：，腑：孚等眩一圪) 2 ( 2 _ 3 ) 在饱和区，随着的增加，沟道长度稍有减少。上式中的三应该该为有效沟道长 度易= 乜一越) 。若引入沟道长度调制系数五兰缸0 ) ，代表单位漏源电压引起的 沟道长度的相对变化率。则得饱和区中的电流表达式为 ，脚：孚等一巧) z ( 1 + 兄) ( 2 4 ) 阈值电压砟是表征m o s 晶体管的重要性能参数，与栅极材料、栅绝缘层厚度、衬底 掺杂浓度和半导体与二氧化硅界面的质量等因素有关【1 7 】。对n m o s 晶体管，分析可得 巧= y 品2 诈7 ( 2 矽f 1 坨 ( 2 5 ) 式中：为“平带电压，表示由予栅极材料和衬底材料间的功函数差以及栅氧化 层中固定正电荷的影响而引起的电压偏移。办称为费米电势。y 为体效应系数。 2 。3m o s 晶体管电容特性 m o s 晶体管的电流电压特性曲线可以用来研究m o s 电路在不同工作条件下的直 流响应。另外，为了研究m o s 晶体管及组成电路的交流响应，我们必须考虑m o s 晶 体管的电容特性和大小。m o s 晶体管的瞬态特性是由器件的电容效应，即器件中的电 荷存储效应引起的【1 1 引。m o s 晶体管中的存储电荷主要包括： 1 、反型层或沟道区的反型电荷q i 2 、沟道下面的耗尽区体电荷q b 3 、栅极电荷q g 4 、由漏衬底、源衬底p n 结引起的电荷 根据其特性，可以将这些电荷分成两个部分。 l 、本征部分：形成器件沟道区的本征部分是对m o s 晶体管特性起主要作用的区域。 与器件特性起作用的电荷包括栅极电荷q g 、耗尽区体电荷q b 以及反型层电荷q i ，由这 些电荷引起的电容为本征电容，是由于栅极电压和沟道电荷的相互作用而产生的电容， 7 广西大掌硕士掌位论文 c m o s 射频线性功率放大器设- v r 它们分别为：栅一源电容( ) 、栅一漏电容( c g d ) 、栅一衬底电容( c g b ) 。如图2 - 2 所示。 。一l 啼。一 。+ ：。- - - - 一一一一- 一一： 图2 - 2m o s 晶体管的电容 f i g 2 - 2t h ec a p a c i t a n c eo f m o st r a n s i s t o r 为了计算外部器件终端间的总电容，必须将分布电容c g s 和g d 同响应的交叠电容 组合起来。在简单的手工计算中，可以认为三个电容并联。c 似w ( l + 2 l d ) 在最坏情况 下的值可作为常量用与m o s 晶体管本征电容的总和【1 9 j 。表2 1 列出了m o s 晶体管在三 种不同工作模式下的本征电容近似值。 表2 - 1m o s 晶体管在三种不同工作模式下的本征电容近似值 t a b l e2 一lt h ea p p r o x i m a t ev a l u eo fi n t r i n s i cc a p a c i t a n c eo fm o st r a n s i s t o ri nt h r e ed i f f e r e n tw o r k i n g p a t t e m 电容截止线性饱和 c g b c o x w l oo c g dc o x w l d毛c o x w l + c o x w l d c 0 x w l d c o x w l d专c o x w l + c 。x w l dc o x w l 七c o x w l d 2 、非本征部分：m o s 晶体管的源和漏p n 结电容为非本征电容，另外在非本征区， 栅对源、漏区也不可避免的有一些覆盖，由于栅与源漏覆盖引起的电容称为栅覆盖电容， 如图所示，和g d o 分别是栅极和源区以及漏区在边缘处的交叠电容，它们也是非本 征电容，电容值与偏置条件无关，即它们独立于电压而存在。这些非本征电容通常称为 m o s 晶体管的寄生电容。 c 觯= c 础= c o x w l d ( 2 6 ) 2 4m o s 晶体管等效电路 由m o s 晶体管的电容特性，可以得到m o s 晶体管的等效电路【2 0 1 ，如图2 3 所示。 其中，也是与电流源并联的电阻，代表饱和区中沟道调制效应的影响；毽、局、足和 分别代表栅极、漏极、源极和衬底的串联电阻；b d 和气分别为流过衬底- 漏结和衬底 源结的p n 结电流。 8 广西大掌硕士掌位论文c m o s 射期盼蓖性功率放大器设- h - 图2 - 3m o s 晶体管等效电路 f i g 2 - 3t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to fm o st r a n s i s t o r 2 5m o s 晶体管高阶效应及其b s i m 模型 1 多晶硅栅耗尽( p o l y g a t e d e p l e t i o n ) 效应 多晶硅是作为栅电极区的理想材料，主要是因为可以实现m o s 器件制造的自对准工 艺，掺杂浓度也可很高。但是如果栅电压是使m o s 管强反型的偏置，仍然会在栅电极区 中靠近栅介质层处产生耗尽区。这个现象被称为多晶硅栅耗尽。多晶硅栅耗尽对器件的 i v ，c v 特性都有影响。其对i v 特性的影响通过上述的电压降体现，可以建模为下 述方式之一：1 ) 有效的v g s 减小；2 ) 阈值电压升高( 或等效地平带电压升高) 。对c v 特性的影响则因为栅耗尽区的有限宽度得以体现【2 m 3 1 。可以视作等效的栅介质层厚度增 加，或等效栅电容减小。在b s i m 3 4 中这两个效应( 压降，耗尽区宽度) 统一由有效v g s 的减小来建模，以尽可能简化模型的复杂度。公式如下 = 一 ( 2 7 ) = 等g 删陋 ( 2 - 8 ) 式中参数n g a t e 是多晶硅栅区的掺杂浓度，单位是c m _ 3 。其典型值对n m o s 是6 x1 0 垤， 对p m o s 是1 1 0 悖。k 。，的值在b s i m 4 中被限制在0 和1 1 2 v 之间。 2 衬底表面( 垂直沟道方向) 量子力学效应 在高掺杂的衬底或强垂直沟道方向的表面电场，在衬底表面由于量子力学效应会使 反型层载流子分布的最大值偏离表面。这可以等效地看作栅介质层厚度增加( 栅电容减 小) 。在b s i m 4 中，这被建模为 c o x = f i j ( 2 9 ) 9 g - 西大掌硕士掌位论文 c m o s 射频线性功率放大器设计 ，2 赫 ( 2 _ 3 栅介质层隧穿效应 栅介质层在栅电极与衬底沟道间对载流子形成一个势垒，但是当栅介质层厚度变小 时，通过这个势垒的量子力学直接隧穿几率会急剧增加，尽管其绝对值仍然会比较小【2 4 】。 直接隧穿电流对势垒高度与厚度的依赖关系为 七o c e 文捌 ( 2 - 1 1 ) 其中下标t d 表示d i r e c tt u n n e li n g ，羽 分别表示势垒的宽度和高度，聊木是载 流子在栅介质层中的有效质量。在b s i m 4 中，栅极隧穿电流厶，进入硅衬底后分成3 个分 量：分别是栅极与源极、漏极及衬底接触之间的电流 g t = k ( ，) 眩，) k ) ( 2 1 2 ) 4 碰撞电离衬底电流 在m o s 器件的沟道漏端，衬底中的电场会变得很强，而且是二维分布。沟道载流子 在连续两次散射之间可以得到足够的能量以造成碰撞电离而产生电子一空穴对。对n m o s 而言，产生的空穴被衬底接触收集，而电子则流向漏极区。这样就会在漏一衬底间形成 电流。总的漏电流现变为 id = i 嘴id b ( 2 _ 1 3 ) 从上述的衬底电流形成的物理机理可以推测i 应该正比于i 略。在b s i m 3 中，衬底电 流被建模为 k = ( 半, a l p h a l 肛一硝b - 孝等 k 协 式中a l p h a o , a p h a 厢b e t a 6 是3 个新引入的拟合参数。衬底电流对m o s 器件性能的 不利影响包括在漏极与地之间引入了一个附加的电导项，这会降低晶体管的增量输出电 阻【2 5 五8 】。在模拟和混合信号电路的设计中尤为不希望见到。这个衬底电流与沟道长度有 关：沟道长度愈短，衬底漏电流愈大。 5 栅极诱发漏端漏电流机制 栅极诱发漏端漏电流机制( g a t e i n d u c e d d r a i n - l e a k a g e ，g i d l ) 对沟道长度并不 敏感，但在l d d ( 1 i g h t l y d o p e dd r a i n ) 结构比较重要，因为栅漏交叠区较长。在深亚 微米器件中，对低电压应用g i d l 也相对比较重要，因为其它漏电机理在低电压低电场时 变得不显