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CMOS模拟集成电路设计 绪论 MOS器件物理基础 提纲 2020 2 9 2 提纲 1 绪论2 MOS器件物理基础 绪论 2020 2 9 3 1 绪论 先修课程 模拟电路基础 器件模型 集成电路原理教材 模拟CMOS集成电路设计 美 毕查德 拉扎维著 陈贵灿程军张瑞智等译 西安交通大学出版社 参考教材 CMOS模拟电路设计 第二版 英文版 美 PhillipE Allen DouglasR Holberg著 电子工业出版社 模拟集成电路的分析与设计 PaulR Gray PaulJ Hurst StephenH Lewis RobertG Meyer著 高等教育出版社 绪论 2020 2 9 4 研究模拟集成电路的重要性 研究CMOS模拟集成电路的重要性 EggshellAnalogyofAnalogICDesign PaulGray 绪论 2020 2 9 5 chapter1绪论 chapter3单级放大器 chapter4差动放大器 chapter5电流源 chapter6频率特性 chapter7噪声 chapter8反馈 chapter9运算放大器 chapter10稳定性及频率补偿 chapter11带隙基准 chapter12开关电容电路 chapter2MOS器件物理 chapter14振荡器 PLL AD DA Chapter13非线性与不匹配 simple complex MOS器件物理基础 2020 2 9 6 2 MOS器件物理基础 2 1基本概念2 1 1MOSFET的结构栅 G gate 源 S source 漏 D drain 衬底 B bulk 以n型为例 MOS器件物理基础 2020 2 9 7 MOSFET是一个四端器件 N阱 CMOS技术 MOS器件物理基础 2020 2 9 8 2 1 2MOS符号 MOS器件物理基础 2020 2 9 9 2 2MOS的I V特性2 2 1阈值电压 以N型FET为例 耗尽 b 反型开始 c 反型 d MOS器件物理基础 2020 2 9 10 MS是多晶硅栅和硅衬底的功函数之差 q是电子电荷 Nsub是衬底掺杂浓度 Qdep是耗尽区电荷 Cox是单位面积的栅氧化层电容 si表示硅介电常数 阈值电压 VTH 定义NFET的VTH通常定义为界面的电子浓度等于P型衬底的多子浓度时的栅压 MOS器件物理基础 2020 2 9 11 本征 阈值电压通过以上公式求得的阈值电压 通常成为 本征 native 阈值电压 典型值为 0 1V 在器件制造工艺中 通常通过向沟道区注入杂质来调整VTH对于NMOS 通常调整到0 7V 依工艺不同而不同 MOS器件物理基础 2020 2 9 12 2 2 2MOS器件的I V特性NMOS 截止区 VGS VTH 三极管区 线性区 VDS VGS VTH 饱和区 VDS VGS VTH MOS器件物理基础 2020 2 9 13 PMOS截止区三极管区 线性区 饱和区 ID参考电流方向 MOS器件物理基础 2020 2 9 14 2 3二级效应2 3 1体效应对于NMOS 当VB VS时 随VB下降 在没反型前 耗尽区的电荷Qd增加 造成VTH增加 也称为 背栅效应 其中 为体效应系数 MOS器件物理基础 2020 2 9 15 2 3 2沟道长度调制效应当沟道夹断后 当VDS增大时 沟道长度逐渐减小 即有效沟道长度L 是VDS的函数 定义L L L L L VDS 为沟道长度调制系数 MOS器件物理基础 2020 2 9 16 2 3 3亚阈值导电性当VGS VTH时和略小于VTH 弱 反型层依然存在 与VGS呈现指数关系 当VDS大于200mV时 这里 1 VT kT q MOS器件物理基础 2020 2 9 17 2 3 4电压限制栅氧击穿过高的GS电压 穿通 效应过高的DS电压 漏极周围的耗尽层变宽 会到达源区周围 产生很大的漏电流 MOS器件物理基础 2020 2 9 18 2 4MOS器件模型2 4 1MOS器件电容栅和沟道之间的氧化层电容衬底和沟道之间的耗尽层电容多晶硅栅与源和漏交叠而产生的电容C3 C4 每单位宽度交叠电容用Cov表示源 漏与衬底之间的结电容C5 C6 结电容 Cj0是在反向电压VR为0时的电容 B是结的内建电势 m 0 3 0 4 MOS器件物理基础 2020 2 9 19 器件关断时 CGD CGS CovW CGB由氧化层电容和耗尽区电容串连得到深三极管区时 VD VS 饱和区时 在三极管区和饱和区 CGB通常可以被忽略 等效电容 MOS器件物理基础 2020 2 9 20 2 4 2MOS小信号模型 MOSSPICE模型 2020 2 9 21 MOSSPICE模型在电路模拟 simulation 中 SPICE要求每个器件都有一个精确的模型 种类1st代 MOS1 MOS2 MOS3 2nd代 BSIM HSPICElevel 28 BSIM23rd代 BSIM3 MOSmodel9 EKV Enz Krummenacher Vittoz 目前工艺厂家最常提供的MOSSPICE模型为BSIM3v3 UCBerkeley BSIMwebsite http www device eecs berkeley edu bsim3仿真器 HSPICE SPECTRE PSPICE ELDOWinSPICE SpiceOPUS Free MOSSPICE模型 2020 2 9 22 基本的SPICE仿真 MOSSPICE模型 2020 2 9 23 例 采样spice模拟MOS管的输出特性 OutputCharacteristicsforNMOSM12100MNMOSw 5ul 1 0uVGS101 0VDS205 op dcvds05 2Vgs130 5 plotdc I vds probe model MODELMNMOSNMOSVTO 0 7KP 110U LAMBDA 0 04GAMMA 0 4PHI 0 7 end MOSSPICE模型 2020 2 9 24 例 采样spice进行DC分析 DCanalysisforAMPM12100MOSNw 5ul 1 0uM22344MOSPw 5ul 1 0uM33344MOSPw 5ul 1 0uR130100KVdd40DC5 0Vin10DC5 0 op dcvin050 1 plotdcV 2 probe model MODELMOSNNMOSVTO 0 7KP 110U LAMBDA 0 04GAMMA 0 4PHI 0 7 MODELMOSPPMOSVTO 0 7KP 50U LAMBDA 0 05GAMMA 0 57PHI 0 8 end MOSSPICE模型 2020 2 9 25 例 采样spice进行AC分析 ACanalysisforAMPM12100MOSNw 5ul 1 0uM22344MOSPw 5ul 1 0uM33344MOSPw 5ul 1 0uR130100KCL205pVdd40DC5 0Vin10DC1 07AC1 0 op acDEC20100100MEG plotacVDB 2 VP 2 probe model MODELMOSNNMOSVTO 0 7KP 110U LAMBDA 0 04GAMMA 0 4PHI 0 7 MODELMOSPPMOSVTO 0 7KP 50U LAMBDA 0 05GAMMA 0 57PHI 0 8 end MOSSPICE模型 2020 2 9 26 例 采样spice进行TRAN分析 TRANanalysisforAMPM12100MOSNw 5ul 1 0uM22344MOSPw 5ul 1 0uM33344MOSPw 5ul 1 0uR130100K CL205pVdd40DC5 0Vin10DC1 07sine 2v2v100KHz op tran 1u10u plottranV 2 V 1 probe model MODELMOSNNMOSVTO 0 7KP 110U LAMBDA 0 04GAMMA 0 4PHI 0 7 MODELMOSPPMOSVTO 0 7KP 50U LAMBDA 0 05GAMMA 0 57PHI 0