微电子概论与前沿技术 课件 王少熙 第7-11章　模拟集成电路-微电子与智能生物

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Microelectronics微电子概论与新进展模拟集成电路篇目录123章节介绍放大器基础场效应管放大器4双极晶体管放大器v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景3章节解析一、章节介绍MOSFET放大器放大器基础BJT放大器放大器基础基本概念四种放大器类型MOSFET基础放大分析方法三种基础放大器BJT基础放大分析方法三种基础放大器MOSFET放大器BJT放大器掌握知识：放大器的概念、原理和重要参数掌握知识：MOSFET大信号和小信号特性，共源/共栅/共漏放大器分析掌握知识：BJT大信号和小信号特性，共射/共集/共基放大器分析目录123章节介绍放大器基础场效应管放大器4双极晶体管放大器v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景5放大器基本概念二、放大器基础放大器：是一种电路，其核心功能是接收一个微弱的输入信号（电压、电流或功率），并产生一个与输入信号波形相同但幅度显著增大的输出信号放大器包含如下条件：要有控制原件：晶体管或场效应管要有电源：提供能量偏置工作在放大区：待放大信号一定加在发射结（栅源结），不能加到集电结（漏极）；信号可从集电极或发射极输出，不可走基极或栅极输出存在负载：将变化电流转化成变化电压放大器核心参数：增益（放大倍数）电压放大倍数电流放大倍数互导放大倍数互阻放大倍数v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景6四种放大器二、放大器基础电压放大器电流放大器互阻放大器互导放大器目录123章节介绍放大器基础场效应管放大器4双极晶体管放大器v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景8大信号输出特性三、场效应管放大器N沟道增强型MOSFET与输出特性MOSFET工作在三个区：截止区、可变电阻区、饱和区截止区：vGS<VTN，导电沟道未形成，iD=0可变电阻区：vDS<(vGS-VTN)，此时由于此时VDS较小，因此此时rds为栅控可变电阻饱和区（恒流区、放大区）：vDS≥(vGS-VTN)，此时有

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Microelectronics一、技术背景9基本共源放大电路三、场效应管放大器vi为栅极输入信号，v0（vDS）为漏极输出信号，因此放大电路共源，各部分元件作用如下：信号源VGG：提供栅压，使vGS>VTN信号源VDD和电阻Rd：提供合适源漏电压，使vDS≥(vGS-VTN)信号传递过程如下，在饱和区有vi

vGS

iD

vDS(=vo)因此

增益为静态工作状态（直流工作状态）：输入信号为0时，放大电路的工作状态，此时N沟道增强MOSFET的三个直流量ID，VGS和VDS能够在输出特性曲线上表示为一个确定的点，称为静态工作点Q，常写成IDQ，VGSQ和VDSQ动态工作状态（交流工作状态）：输入信号不为0时，放大电路的工作状态转移曲线与基本共源放大电路v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景10直流/交流工作状态三、场效应管放大器直流工作状态：VGSQ=VGG，

，VDSQ=VDD-IDQRd

，计算Q点参数后，必须检验是否满足饱和区工作条件基本共源放大电路直流工作状态交流工作状态在静态基础上加小信号vi，此时总电压和电流为，可见交流小信号是在Q点附近波动vGS=

VGSQ+

viiD

=

IDQ+

idvDS=

vDSQ+

vdsv西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景11图解法三、场效应管放大器共源放大电路静态工作点（图解法）由于vDS=VDD-iDRd，可以将vds和id置0分别求出与输出曲线iD-vDS的截距，在两者相交处，找到vGS=VGG点，即可确定Q值vds和vi的相位相反可以确定最大不失真输出幅度（右下角为截止失真，左上角为饱和失真）v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景12小信号模型三、场效应管放大器小信号模型：在特定条件下将非线性器件做线性化近似处理，从而简化由其构成的放大电路的分析和设计考虑到vgs<<2(VGSQ-VT)，忽略最后一项，因此iD=IDQ+gmvgs=IDQ+id，考虑小信号时，id=gmvgs根据诺顿等效，输出端存在电阻rds，N沟道增强型MOSFET交流小信号模型gmvgs是电压vgs控制电流源电流方向与电压极性关联gm低频互导的物理意义是转移曲线上Q点的切线斜率rds输出电阻的物理意义是Q点切线斜率的倒数v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景13电流镜三、场效应管放大器电流镜：一种模拟电路，用于复制或“镜像”输入电流，并在输出端产生一个与输入电流成固定比例的电流右图所示，两个MOS管栅极相连，接在Q1的漏极，Q1漏极接参考电流源IREF，Q2漏极输出IoutQ1和Q2工作在饱和区，有理想情况，假设两个MOS管具有相同的μn和Cox，则上式两边相比可得

，这就是电流的复制（镜像）简单的CMOS电流镜实际上需要考虑MOS管的有限输出阻抗rout，将一个信号源Vx放置于输出节点，那么左图为单个MOS管Q1的小信号模型，其中考虑到输出阻抗中，rDS1>>1/gm1,所以输出阻抗可以近似为1/gm1，这种单一的等效小信号模型如右图所示IREFv西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景14电流镜与放大器三、场效应管放大器使用简化模型后，整个电流镜的小信号模型如下图所示，VGS2通过一个电阻值为1/gm1的电阻接地考虑Q1电阻没有电流流过，VGS2=0，此外考虑低频状态，gm2VGS2为0，电路被简化为右图小信号模型，模型输出阻抗等于rDS2MOS放大电路共源放大器共漏放大器共栅放大器共源放大器：一种以MOSFET的源极（Source）作为交流信号公共端的单级放大器，有源负载通常由CMOS电流镜代替传统电阻负载共漏放大器：又称源极跟随器，漏极直接或者间接通过电流源接电源共栅放大器：栅极接固定偏置电压v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景15共源放大器三、场效应管放大器右图共源放大器由两部分构成：放大管（NMOS）和有源负载（PMOS电流镜）放大管：采用NMOS晶体管作为共源放大器的核心，输入信号加在栅极，输出从漏极取出有源负载：用PMOS晶体管构成的电流镜代替传统的电阻负载，为放大管提供静态工作电流并实现高增益共源放大器与小信号模型该共源放大器工作原理如下：电流镜：PMOS电流镜将参考电流IREF镜像到放大管的漏极，形成稳定的静态工作点信号放大：输入信号Vin调制NMOS管的栅极电压，改变其漏极电流ID，由于PMOS电流镜的等效输出阻抗很高，电流变化会转化为较大的输出电压变化Vout，实现电压放大高增益：PMOS电流镜的高输出阻抗rDS2和NMOS管的高输出阻抗rDS1并联，总阻抗较高，增益-gm（rDS1||rDS2）显著提升，在0.18μmCMOS工艺下，单级增益通常在20-40dB（10-100倍）v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景16共漏放大器（源极跟随器）三、场效应管放大器右图共包括放大管（NMOS）和有源负载（NMOS电流镜）有源负载：由两个NMOS管Q2和Q3构成，提供恒定的偏置电流，使Q1工作在饱和区放大管：输入信号Vin加在栅极，输出为输入电压和栅源电压之差，Vout=Vin-Vgs1源极跟随器小信号模型如右图，其中对Vout写节点方程，由于Vgs1=Vin-Vout，可得

其中，GS1=1/RS1因此可以计算出增益

该值约等于0.8~0.95源极跟随器与小信号模型v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景17共栅放大器三、场效应管放大器共栅放大器采用有源负载时，其结构如下：放大管（NMOS）：源极输入Vin，栅极接固定电压Vbias，漏极输出Vout有源负载（PMOS电流镜）：由两个PMOS管构成，提供稳定的偏置电流作为高阻负载共栅放大器与小信号模型小信号模型如右图所示，输入阻抗低频下为ro1||1/gm1≈1/gm1在Vout处节点可得重新排列可计算增益为：

近似等于v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景18三种放大电路对比三、场效应管放大器参数共源放大器CS共漏放大器CD共栅放大器CG输入信号位置栅极栅极源极输出信号位置漏极源极漏极栅极交流状态输入输入接地电压增益-gm（rDS1||rDS2）≈1gm（rDS1||rDS2）典型增益范围30~60dB0.85~0.9520~50dB输入阻抗极高（栅极绝缘）极高（栅极绝缘）1/gm1输出阻抗高（rDS1||rDS2）低（1/gm||r0）高（rDS1||rDS2）主要应用场景高增益放大缓冲、电平位移射频、电流模式关键优缺点高增益、低带宽低输出阻抗、增益≈1宽带宽、输入阻抗低需要高增益，选择共源放大器（注意带宽限制）需要阻抗匹配/缓冲，选择共漏放大器（如驱动低阻负载）需要宽带宽/低输入阻抗，选择共栅放大器（如射频前端）目录123章节介绍放大器基础场效应管放大器4双极晶体管放大器v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景20晶体管电流关系四、双极晶体管放大器共射极直流放大倍数共基极直流放大倍数电流之间关系如下：晶体管放大条件：内部条件：发射区掺杂浓度远大于基区掺杂浓度，且基区很薄外部条件：发射结正偏，集电结反偏iC=f(vCE)

iB=const截止区：发射结和集电结均反偏，iC接近0饱和区：iC受vCE控制，一般vCE<0.7VVBEVBC0放大模式：发射结正偏集电结反偏饱和模式：发射结正偏集电结正偏截止模式：发射结反偏集电结反偏反向放大模式：发射结反偏集电结正偏v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景21特性曲线与静态工作点四、双极晶体管放大器晶体管电流方程当uBE大于导通电压uBEon时，晶体管导通，即处于放大或者饱和状态，这两种状态下，uBE≈uBEon，转移特性曲线类似于PN结二极管输入特性曲线为iB和uBE关系，由于iB=iC/β，所以输入特性曲线和转移特性曲线类似右图为共射极放大电路及直流通路，基极输入vS，集电极输出vCEv西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景22图解法四、双极晶体管放大器将

曲线和输出曲线iC-vCE相交可以得到Q点，分别为ICQ、VCEQ、IBQ根据输入信号vS的波形，可以画出vBE和iB的波形v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景23图解法四、双极晶体管放大器同理，根据iB变化，可以画出vBE和iC波形同理，静态工作点太高会出现饱和失真，太低会出现截止失真饱和失真截止失真v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景24小信号模型四、双极晶体管放大器输入信号源ube的变化，引起ib的变化，体现为输入电阻：由于

因此，由于

，因此可以计算re为输出端，表现为受ib控制的电流源iC和输出电阻rce并联，其中UA：厄利电压v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景25小信号模型分析四、双极晶体管放大器放大器分析遵循线性叠加原则，分别分析直流和交流通路：分析直流通路：直流工作点Q主要参数IBQ、ICQ、UCEQ分析交流通路：计算交流指标Au、Ri、Ro分析直流通路时，交流信号短路，电容断路，RE用于负反馈抑制温漂温度升高，IC升高，IE增大，发射极电位增加，UBE减小，IB减小，IC减小戴维南等效：电压源短路v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景26交流特性分析四、双极晶体管放大器交流小信号时，直流电源接地，电容短路，BJT变成be端电阻rbe，ce端受控电流源βIb和rce串联电压放大倍数：输入电阻：输出电阻：v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景27共集电极放大电路四、双极晶体管放大器共集电极放大器（射级跟随器），遵循线性叠加原则，分别分析直流和交流通路：直流通路：交流信号源短路，电容断开直流通路交流通路交流通路：直流源接地，电容短路，BJT变成be端电阻rbe，ce端受控电流源βib，rce电阻过大被忽略掉v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景28动态分析四、双极晶体管放大器电压增益如下，由于βRL’远大于rbe，因此增益≈1输入电阻计算如下：计算可得输入电阻为，由于β>>1，所以rbe可忽略输出电阻计算如下（戴维南等效）：计算可得输出电阻v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景29共基极放大电路四、双极晶体管放大器放大器分析遵循线性叠加原则，分别分析直流和交流通路：直流通路，电容断开，交流信号短路直流通路交流通路交流通路，直流源接地，电容短路，BJT的be端接rbe电阻，ce端接βib受控电流源电压增益计算如下:v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景30三种放大器对比四、双极晶体管放大器输入电阻：根据戴维南等效，从Re右侧等效输出电阻：考虑戴维南等效后，受控电流源为0，输出电阻等于RC参数共射级电路共集电极电路共基极电路电压增益高（反相放大）≈1高（同相放大）电流增益高≈β高≈β≈1频率响应差好最好输入电阻中等（几百~几千Ω）高（几十千Ω~几百千Ω）低（几十Ω）输出电阻高（几十千Ω）低（几十Ω）很高（几百千Ω~几兆Ω）应用领域通用放大器，电压/功率放大阻抗变换，缓冲级高频放大v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景31名词解释：电流镜、源极跟随器、射级跟随器简答题1：如何区别共源、共栅、共漏极放大器简答题2：共基、共集、共射放大器的电压增益有什么区别简答题3：如何通过图解法求Q值六、作业微电子学院School

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Microelectronics智能芯片与先进微纳器件研究团队李伟

weili2019@微电子概论与前沿技术新型材料与器件篇目录123章节介绍后摩尔器件二维材料与器件4柔性电子器件v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景34章节解析一、章节介绍半导体物理基本概念半导体物理及器件半导体器件基础后摩尔器件摩尔定律及低功耗的概念二维材料概念二维材料制备二维材料器件柔性电子技术概念柔性电子制备技术柔性电子器件及应用二维材料与器件柔性电子器件掌握知识：摩尔定律的概念、后摩尔器件基本结构及工作原理。掌握知识：二维材料概念、二维材料常见的制备方法及相关器件。掌握知识：柔性电子技术概念、柔性电子应用领域。SOI器件FinFETTFETNCFET目录123章节介绍后摩尔器件二维材料与器件4柔性电子器件v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景36基本概念二、后摩尔器件摩尔定律：自20世纪60年代起，集成电路发展遵循摩尔定律，即集成电路上晶体管数量每18-24个月翻一番，晶体管特征尺寸缩小约一半，微处理器性能翻倍且价格减半。纳米级器件的短沟道效应：随着晶体管沟道长度缩小到纳米级，产生栅氧击穿、沟道电流泄漏、亚阈值电流增大、速度饱和效应等短沟道效应，严重影响器件正常工作。功耗问题与亚阈值摆幅：器件尺寸缩小至纳米级后，功耗成为主要问题。传统MOS管亚阈值摆幅极限值为60mV/dec，工作电压不能持续减小，导致较高的静态功耗。v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景37小尺寸MOSFET面临的功耗问题二、后摩尔器件工艺节点/nm500350250180130906545322216电源电压/V5.003.302.501.801.301.201.101.000.870.780.74k1.431.401.391.381.441.381.441.411.451.38—深亚微米工艺形成后，后摩尔器件主要面临的问题就是关态泄漏电流增大导致的静态功耗增加，因此需要通过先进的工艺技术、新型半导体材料、新结构或新原理器件等解决这一问题。v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景SOI器件的基本结构二、后摩尔器件-SOI器件绝缘体上硅(SOI)：SOI全称为Silicon-On-Insulator，即绝缘衬底上的硅，该技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层。FDSOI：本体厚约5nm~20nm,消除沟道中耗尽层底部的中性层，让沟道中的耗尽层能够填满整个沟道区。PDSOI：本体厚度为50nm~90nm。38v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景SOI器件的制备方法二、后摩尔器件-SOI器件SIMOX(SeparationbyImplantedOxygen)：注氧隔离技术，核心步骤为离子注入和退火。39v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景SOI器件的制备方法二、后摩尔器件-SOI器件硅片键合技术(BondedandEtch-backSOI)：热氧化的两片硅片作亲水处理，然后重叠在一起。①离子注入。向硅片A注入H+或者He+形成微空腔，注入深度决定了顶层硅膜厚度。②键合。将硅片A和另一片SiO2晶片B键合。③热处理。第一步热处理后，微空腔压强增加，硅片A脱落形成SOI衬底，脱落的硅片还可继续用作晶片B。第二步热处理增强键合。40v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景SOI器件的制备方法二、后摩尔器件-SOI器件SIMOX和Smart-Cut的优缺点SIMOX工艺:(1)具有比较好的均匀性，可以通过注入能量可以控制顶层硅的厚度；(2)BOX和顶层硅之间的界面非常平整；(3)BOX和顶层硅的厚度只能在有限范围内调整，BOX<240nm，顶层硅<300nm；(4)离子注入会造成表面薄膜的损伤，长时间高温退火，成本高；(5)BOX氧化层不如热生长的SiO2。Smart-Cut工艺:(1)顶层硅薄膜为体硅，BOX为热氧化薄膜；(2)BOX和顶层硅厚度可以在很大范围内调整；(3)H离子注入能力可以控制顶层硅薄膜；(4)节约成本。41v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景FDSOI-PDSOI对比二、后摩尔器件-SOI器件42v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景43FinFET基本结构二、后摩尔器件-FinFET鳍式场效应晶体管(FinFET)：新型的互补MOS器件栅极长度缩小到20纳米以下的时候，源极和漏极的距离就极近，容易产生源漏泄漏电流；栅极对沟道的控制能力降低，如何才能保持栅极对沟道的控制呢？实现了两点突破，一是把晶体做薄后解决了漏电问题，二是向上发展，器件内构从水平变成垂直即二维变成三维。FinFET

和FD-SOI工艺的发明得以使10nm/14nm/16nm摩尔定律在今天延续传奇。v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景44FinFET的前身：双栅MOSFET二、后摩尔器件-FinFETv西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景45FinFET的前身：双栅MOSFET二、后摩尔器件-FinFET胡正明第一个FinFET：DELTAMOSFETv西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景46自对准双栅FinFET二、后摩尔器件-FinFETv西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景47FinFET制备工艺二、后摩尔器件-FinFET自对准双成型工艺(SelfAlignedDoubelPatterning,SADP)1.硅衬底制备；2.淀积SiO2和Si3N4作为硬掩膜版；3.淀积多晶硅辅助层；4.通过光刻和刻蚀形成硬掩膜版辅助层；5.淀积SiO2；通过控制淀积时间来控制SiO2的厚度，从而控制Fin的宽度Wfin6.刻蚀SiO2形成侧墙，Si3N4作为停止层；7.刻蚀多晶硅辅助层；8.以SiO2侧墙作为掩膜层，刻蚀硅衬底形成Fin结构。v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景48TFET基本结构及工作原理二、后摩尔器件-TFETTFET（TunnelingFieldEffectTransistor，TFET）基于带带隧穿机制的器件，这种器件被称为隧穿场效应晶体管。TFET是基于隧道二极管的概念提出来的，普通的TFET是一个栅控的隧道二极管。TFET与MOS管在结构方面的主要区别是源区和漏区掺杂类型相反。以N型TFET为例，其源区和漏区分别是P型重掺杂和N型重掺杂。优点：工作电压低、关态泄漏电流小、亚阈值摆幅低；缺点：开态电流低。v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景49线隧穿与点隧穿二、后摩尔器件-TFET点隧穿：栅极仅仅对沟道表面进行有效控制，因此隧穿仅在源区和沟道表面呈点状分布，隧穿面积极小，这种隧穿被称为点隧穿，。线隧穿：将栅极与源区交叠，使源区表面的能带在栅压较大时弯曲，此时价带和导带会对准，源区价带之下的电子也会隧穿到导带上形成隧穿电流，这种隧穿通常发生在重掺杂源区与栅氧化层的表面，且隧穿呈线状分布，故称其为线隧穿。v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景50LTFET与UTFET二、后摩尔器件-TFET凹型结构的TFET，栅极可以通过凹型结构完全和源区对准，源区靠近栅氧化层表面处的线隧穿面积与凹槽栅极的深度有关，这样就不需要增大器件面积，只需要通过刻蚀工艺增加凹槽栅极的深度就可以有效增大线隧穿面积，从而增大TFET的开态电流。v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景51负电容概念二、后摩尔器件-NCFET电容：单位电压变化所引起的电荷变化量铁电薄膜材料因为其特有的“自发极化”现象，在其能量-电荷和电荷-电压关系曲线中，均表现出典型的负电容效应.2008年研究人员才提出负电容效应及NCFET的概念，发明者S.Salahuddin和S.Dutta认为，其主要原因是铁电薄膜中的负电容效应并不稳定。v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景52NCFET工作原理二、后摩尔器件-NCFET60mV/dec,沟道电流与沟道电位的变化氧化层电容Cins<0，且|Cins|>Cs，SS<60mV/decVg<φs：电压放大作用v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景53NCFET的栅介质：铁电材料二、后摩尔器件-NCFET自由能与极化的偶阶多项式：α，β，γ是各项异性常数，β和γ与温度无关，γ>0；α=α0(T-TC)，TC：居里温度普通铁电材料：P≈QQ=0时：T<TC：铁电

T>TC：顺电当温度小于居里温度时：铁电材料电容呈现出负电容现象。目录123章节介绍后摩尔器件二维材料与器件4柔性电子器件v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景55二维材料基本概念三、二维材料与器件二维材料，是指电子仅可在两个维度的纳米尺度上自由运动(平面运动)的材料，如纳米薄膜、超晶格、量子阱。二维材料是伴随着2004年曼切斯特大学Geim小组成功分离出单原子层的石墨材料——石墨烯(graphene)而提出的。

石墨烯(Graphene)的首次发现开创了二维材料科学的新纪元。二维材料在TFET、发光二极管和光电探测器等低功耗器件领域具有广阔的应用前景。v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景56二维材料分类三、二维材料与器件电导率迁移率104~105S/cm102~104S/cmN/A电子空穴104~105cm2/V

s104~105cm2/V

s102~103cm2/V

s102~103cm2/V

sN/AN/A能带电磁谱ultravioletultravioletvisiblenear-infraredinfraredmicowaveRF频率1017绝缘体半导体半金属宽带(>2eV)中等带隙(1-2eV)窄带(<0.5eV)h-BN,CIPS(铁电)SnS2,CdSMoS2,MoSe2,WSe2BPGr,NeSe2,

WTe2101610141015101310121011109108107(PHZ)(THZ)(GHZ)v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景57二维材料的制备三、二维材料与器件机械剥离和转移机械剥离法和转移法是目前二维材料及异质结制备中成本最低、速度最快的方法，较容易制备出单晶二维材料，但是这两种方法最大的缺点是很难制备出大面积二维材料，因此在商业化应用中具有一定的局限性。基于PDMS膜的干法转移PLLA辅助的湿法转移示意图v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景58二维材料的制备三、二维材料与器件CVD方法CVD法是指使固体前驱体经过高温汽化后，在载气的带动下将不同的气态反应物带到衬底表面，使其发生化学反应，冷凝后在衬底表面生成薄膜。相比于机械剥离法，应用CVD法可以制备出大面积单层二维材料。目前，应用最新的CVD法可以很容易制备出厘米级的单层二维材料。制备大面积器件阵列时，研究者一般会首选CVD法。v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景59二维材料器件三、二维材料与器件

59国内二维材料晶体管主要研究机构：复旦大学采用埋栅工艺的具有对称结构的

MoS2双栅晶体管基于对称MoS2双栅晶体管的高性能反相器和存储器v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景60二维材料器件三、二维材料与器件

60MoS2柔性器件

60自主设计多源化学气相沉积设备兼容的微加工工艺逐层制作器件；独特的物理吸附与化学反应相结合的原子层沉积方法；采用金/钛/金多层结构作为接触电极。目录123章节介绍后摩尔器件二维材料与器件4柔性电子器件v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景62柔性电子技术概念三、柔性电子器件柔性电子技术：柔性电子技术是在柔性/可延性衬底上制备元器件和集成电路的技术。相比于传统的刚性电子技术，应用柔性电子技术制备的产品具有质量轻、形态可变、功能多样等特点。由于柔性电子产品特有的可弯曲、可拉伸特点，因此其能够满足设备的形变要求，适应更多的工作环境。由于将元器件、集成电路等制备在柔性衬底上，因此制备的元器件、集成电路本身及其性能应该能够承受形变带来的影响，这对制备柔性电子产品的材料、工艺、结构等提出了更高的要求。结构柔性：应用柔性电子技术制备的器件、电路、系统在形态上具有可弯曲、可折叠、可拉伸等特点，而且经受多次的形变应力后性能不会退化。功能柔性：柔性电子产品在经受不同的形变、结构重组后实现不同的性能或功能。v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景63柔性电子制备技术-图案化制备技术三、柔性电子器件图案化制备技术是指应用特殊工艺将材料或衬底制备成所需的结构，包括光刻、软光刻、喷墨打印等工艺。光刻工艺流程v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景64柔性电子制备技术-图案化制备技术三、柔性电子器件微接触印刷工艺：首先在PDMS掩膜版上旋涂一层含有硫醇的自组装单分子层（SAM）试剂，然后将涂有SAM试剂的PDMS掩膜版压到镀金衬底上，衬底可以为玻璃、硅、聚合物等。SAM试剂中的硫醇与金发生反应，撕掉PDMS掩膜版后将形成的SAM作为抗蚀剂掩蔽层，进一步通过刻蚀工艺实现抗蚀剂的图案化。纳米压印刻蚀工艺：首先在待加工的材料表面涂光刻胶，并将PDMS掩膜版压在其表面上，采用加压的方式使图案转移到光刻胶上；然后用紫外线照射光刻胶，使其固化，并移除掩膜版，将所需图案转移到光刻胶上；最后刻蚀光刻胶，沉积所需材料并剥离剩余光刻胶，在衬底表面得到所需材料的图案。v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景65柔性电子制备技术-转印技术三、柔性电子器件柔性电子制备技术中的转印技术通常指将刚性衬底上的功能单元（器件或电路）转移到柔性衬底上的技术，主要包括剥离与印制两个过程。剥离：使用PDMS印章将刚性衬底上的功能单元撕下来。印制：将从PDMS掩膜版上撕下来的功能单元精准地转移到柔性衬底上。为了使转印技术能够成功应用于柔性电子器件或电路的制备中，研究者探索出了不同的改进方法，主要有控制剥离速度法、微结构图章法、表面改性法、外部作用辅助法、胶带转印法及牺牲层法。v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景66柔性电子制备技术-封装技术三、柔性电子器件柔性衬底一般具有较差的致密性，在柔性衬底表面制备功能结构后，功能结构容易暴露在空气中并在接触氧气、湿气、水等后被氧化，导致器件失效。这严重影响了器件的柔性和可延展性。因此，人们探索了一些适用于柔性器件且不影响柔性器件可延展性的封装方法，主要有液体封装、防水透气封装、散热封装。液体封装：液体与被封装的功能结构接触时不会影响器件的柔性和可延展性。液体的流动缓冲能力不仅能隔离功能结构，避免其与空气接触而被氧化，而且能将功能结构制备成浮岛结构，使其悬浮在液体中，这样器件在弯曲时，液体能隔离应力、应变，不会受到器件变形时应力带来的影响。防水透气封装：一般选择半透膜或多孔薄膜材料作为衬底和封装材料。这种材料中有大量的微孔结构，微孔的尺寸一般大于气体分子和水蒸气分子的尺寸，且小于液体水滴和细菌的尺寸，主要应用于生物医疗传感领域。散热封装：一般将热导率高的聚合物作为衬底和封装材料，或者将衬底改性，提高衬底的热导率。v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景67柔性电子器件及应用三、柔性电子器件柔性显示器柔性显示器件是在柔性衬底上制备的可弯曲、可拉伸、可折叠的发光显示器件，通常将单个发光器件作为像素点，在柔性衬底上制备发光器件阵列，从而实现曲面显示功能。目前，技术比较成熟的柔性显示器件主要有无机发光器件（Micro-LED）和有机发光器件（OLED）。OLED结构示意图OLED优点：功耗低、响应时间短、视角范围大、分辨率高、宽温度性、较好的柔性、质量轻v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景68柔性电子器件及应用三、柔性电子器件柔性传感器件柔性传感器件是指制备在柔性衬底上的传感装置。传感器按基本感知功能的不同可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等。近年来，柔性传感器件在生物、医疗、健康、人工智能等领域被广泛应用。柔性集成电路及系统柔性集成电路及系统是传统刚性集成电路的“柔性化演进形态”，它以可弯曲、可折叠、可拉伸甚至可穿戴为核心特征，通过重构电路的基底材料、制造工艺和封装方式，打破了传统硅基芯片“硬、脆、不可变形”的物理限制，实现了电子系统与复杂曲面（如人体皮肤、衣物、异形设备表面）的紧密贴合，是支撑“电子设备形态自由”的关键技术。v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景69名词解释：摩尔定律、负电容、带带隧穿、二维材料、柔性电子简答题1：后摩尔器件主要有哪些？简答题2：SOIFET、FinFET、TFET及NCFET的工作原理？简答题3：二维材料的制备方法有哪些？简答题4：柔性电子会对未来的信息产业带来什么好处？四、作业微电子学院School

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Microelectronics智能芯片与先进微纳器件研究团队汪钰成

微电子概论与新进展微电子与光电信息篇目录123章节介绍太阳能电池光电探测器4发光二极管4光通信v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景72章节解析一、章节介绍MOSFET放大器放大器基础BJT放大器放大器基础基本概念四种放大器类型MOSFET基础放大分析方法三种基础放大器BJT基础放大分析方法三种基础放大器MOSFET放大器BJT放大器掌握知识：放大器的概念、原理和重要参数掌握知识：MOSFET大信号和小信号特性，共源/共栅/共漏放大器分析掌握知识：BJT大信号和小信号特性，共射/共集/共基放大器分析目录123章节介绍太阳能电池光电探测器4发光二极管4光通信v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景74太阳能二、太阳能电池能量资源不可再生可再生化石燃料核能太阳能风能水能生物质能地热能海洋能人类主要利用的能量资源为化石燃料，但储量会在未来几十年内耗尽，且化石燃料燃烧时会产生大量CO2，导致温室效应，海平面上升，淹没海边城市太阳能：来自太阳的能量，主要以光和热的形式到达地球，是地球上几乎所有能量的最终来源（其三天产生的辐射能量相当于地球上已探明矿物燃料总和）太阳辐射方式直接辐射间接辐射太阳辐射穿透地面的方式可以分为两种：直接辐射：太阳直射到地面间接辐射：太阳能被大气吸收、散射或被地面反射而改变了方向直接辐射和间接辐射总和称为太阳总辐射太阳能行业通行测试条件：（1）大气质量为AM1.5；（2）太阳辐照度Ps=1000W/m2；（3）环境温度T=25℃±1℃v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景75太阳能电池二、太阳能电池光电利用光热利用光化利用利用形式光生物作用太阳能的利用包括如下形式：光电利用：一种是通过太阳辐射产生的太阳能发电，另一种是利用半导体材料的光电效应将太阳能转换为电能，典型的光电效应案例就是太阳能电池光热利用：将太阳能收集起来，使其和物质相互作用，将其转换为热能加以利用，如平板集热器等光化利用：利用太阳辐射分解水制氢光生物作用：通过植物的光合作用，将太阳能转换为生物能量，如海藻等硅太阳能电池复合太阳能电池太阳能电池种类新概念太阳能电池利用“光生伏特效应”将太阳光能直接转换为电能的半导体器件，可以分为以下几类：硅太阳能电池：基于硅基于PN结和光生伏特效应的太阳能电池，包括单晶硅、多晶硅和非晶硅电池，目前是光伏市场的绝对主导者（90%市场份额）复合太阳能电池：由化合物半导体材料构成的太阳能电池，如砷化镓电池、铜铟镓硒电池等新概念太阳能电池：包括钙钛矿太阳能电池、染料敏化太阳能电池、量子点太阳能电池等v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景76太阳能电池基本原理二、太阳能电池太阳能电池的基本结构太阳能电池的基本原理来自于光生伏特效应光生伏特效应：指半导体材料在受到光照射时，其内部吸收光能，从而产生电压和电流的现象（1839年亚历山大发现）以右图PN结单晶硅太阳能电池为例，当P型和N型半导体相接触时，由于两侧载流子浓度差异，N区多子（电子）会扩散进入P区，P区多子（空穴）会扩散进入N区，双方多子进入对方区域后，会同对方多子复合，形成空间电荷区太阳能电池工作原理概括：太阳能电池吸收一定能量的光太阳能电池产生光生电子-空穴对光生电子-空穴对在内建电场作用下分离光生电子-光生空穴被输运至外电路若忽略太阳能自身电阻，将太阳能电池作为电源给负载供电，那么外部输出电流密度为短路电流与暗电流之差如果太阳能电池开路，则由暗电流方程可计算开路电压v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景77染料敏化太阳能电池二、太阳能电池染料敏化太阳能电池基本结构染料敏化太阳能电池DSSC：以低成本光敏染料为主要材料的新型太阳能电池，其工作原始是通过模拟自然界光合作用，将太阳能转换为电能特点：成本低、环保、功率转换效率高、透明度高，具体结构如下：导电基底：具备良好的导电性和透光性的导电玻璃，如掺氟氧化锡FTO和氧化铟锡ITO光阳极：负责传输锚定在其上的染料敏化剂所产生的载流子，当前用的最多的是TiO2纳米粒子染料敏化剂：在光照下会激发电子，并将电子注入TiO2的导带中，可分为有机敏化剂和无机敏化剂电解质：将电子传导给染料敏化剂并使其被还原成基态而实现再生，分为液态、准固态和全固态三种对电极：将三碘化物还原成碘离子，并从外部电路中将电子回收到电解质中，从而实现染料敏化剂的循环利用，传统的对电极材料选用Pt，但是价格昂贵且易被电解质腐蚀，可选导电聚合物或过渡金属化合物代替v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景78钙钛矿太阳能电池二、太阳能电池钙钛矿的晶体结构钙钛矿太阳能电池：使用具有与天然矿物“钙钛矿”（CaTiO3）

相同晶体结构的材料作为光吸收层的新一代太阳能电池技术。截止2022年初，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经达到了25.7%，这个数据基本接近单晶硅太阳能电池的光电转换效率，但钙钛矿材料的制备成本和制备工艺的复杂度远远低于单晶硅常见的钙钛矿晶体结构如下：A位通常为有机阳离子，如甲胺离子CH3NH3+、甲眯离子HC(NH2)2+或无机铯离子Cs+B位通常为二价金属阳离子，如铅Pb2+或锡Sn2+X位通常位卤素阴离子，如碘I-、溴Br-、氯Cl-在ABX3中，每个B离子和周围6个X离子构成正八面体,BX6之间通过共用X离子构成钙钛矿三维骨架，A离子通常嵌入八面体间隙中将ABX组合即可构成钙钛矿电池材料，最常见配方为CH3NH3PbI3v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景79钙钛矿太阳能电池器件结构二、太阳能电池介孔型规则平面型器件结构倒置平面型按照结构的不同，钙钛矿太阳能电池可以分为介孔型、规则平面型和倒置平面型介孔型：在致密的电子传输层之上，拥有一层由纳米颗粒（如TiO2）形成的多孔支架层（介孔层）。介孔层具有比表面积大、孔道结构丰富等优良特性，是良好的催化剂载体规则平面型：去掉了介孔层，简化了器件结构。直接在致密的电子传输层上沉积一层平整的钙钛矿多晶薄膜，形成平面异质结，极大地提高了太阳能电池制备的灵活度，但是相对而言电池的光电转换效率有所降低倒置平面型：将器件的顺序完全颠倒，制备工艺更简单，可用于制备叠层器件，但是仍旧存在电池的光电转换效率低的不足电子传输层电子传输层空穴传输层空穴传输层目录123章节介绍太阳能电池光电探测器4发光二极管4光通信v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景81光电探测器三、光电探测器光电探测器分类光电探测器：一种能够将光信号转换成电信号的半导体器件光电探测器根据器件光响应机制不同，可以分为光子探测器和光热探测器：光热探测器：将光敏材料的光辐射能量转换为晶格的热运动能量，从而引起光敏材料温度的上升，包括热敏电阻和热释电探测器等光子探测器：利用光电效应直接将入射光子转换成电子或电子-空穴对，从而产生可测量电信号。其中，光电效应包括外光电效应和内光电效应外光电效应：在光电管的阳极和阴极两端施加电压，当光照射到阴极表面时，阴极产生的电子会在电场作用下形成光电流，从而实现对光的探测半导体材料吸收光子而逸出电子的现象，典型器件如光电管和光电倍增管内光电效应：在光量子的作用下，半导体材料自身产生电子-空穴对，如光电导探测器，光生伏特探测器，可以分为光电导效应和光生伏特效应光电导效应：在光激励下，价带中的电子被激发到导带而产生电子-空穴对，使半导体材料的光生载流子浓度增大，进而提高电导值v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景82光电探测器分类三、光电探测器截止波长：探测器能够响应的最大波长，光子能量E=hc/λ必须大于半导体材料的禁带宽度Eg才能产生光电效应，按照波长可以进行如下分类：紫外光电探测器：用于探测紫外线波段光子的探测器，响应波长范围10-380nm，常见材料AlN、GaN、SiC等，典型应用有紫外线指数监测、火焰探测等可见光电探测器：响应于人眼可见光谱的探测器，响应波长范围380-780nm，常见材料Si，典型应用包括成像、照相、光强度测量、条码扫描等近红外光电探测器：响应于近红外波段的光探测器，响应波长范围780-3000nm，常见材料Si，Ge，典型应用包括光纤通信、光谱分析等紫外光电探测器可见光电探测器光波长范围近红外光电探测器中远红外光电探测器中远红外光电探测器：中红外3-8μm，远红外8-15μm，常见材料InSb，典型应用包括热成像、红外制导等v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景83光电探测器性能参数三、光电探测器光电探测器v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景84光电探测器三、光电探测器v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景85光电探测器三、光电探测器v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景86光电探测器三、光电探测器v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景87光电探测器三、光电探测器v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景88光电探测器三、光电探测器v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景89太阳能二、太阳能电池v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景90大信号输出特性三、场效应管放大器N沟道增强型MOSFET与输出特性MOSFET工作在三个区：截止区、可变电阻区、饱和区截止区：vGS<VTN，导电沟道未形成，iD=0可变电阻区：vDS<(vGS-VTN)，此时由于此时VDS较小，因此此时rds为栅控可变电阻饱和区（恒流区、放大区）：vDS≥(vGS-VTN)，此时有

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Microelectronics一、技术背景91基本共源放大电路三、场效应管放大器vi为栅极输入信号，v0（vDS）为漏极输出信号，因此放大电路共源，各部分元件作用如下：信号源VGG：提供栅压，使vGS>VTN信号源VDD和电阻Rd：提供合适源漏电压，使vDS≥(vGS-VTN)信号传递过程如下，在饱和区有vi

vGS

iD

vDS(=vo)因此

增益为静态工作状态（直流工作状态）：输入信号为0时，放大电路的工作状态，此时N沟道增强MOSFET的三个直流量ID，VGS和VDS能够在输出特性曲线上表示为一个确定的点，称为静态工作点Q，常写成IDQ，VGSQ和VDSQ动态工作状态（交流工作状态）：输入信号不为0时，放大电路的工作状态转移曲线与基本共源放大电路v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景92直流/交流工作状态三、场效应管放大器直流工作状态：VGSQ=VGG，

，VDSQ=VDD-IDQRd

，计算Q点参数后，必须检验是否满足饱和区工作条件基本共源放大电路直流工作状态交流工作状态在静态基础上加小信号vi，此时总电压和电流为，可见交流小信号是在Q点附近波动vGS=

VGSQ+

viiD

=

IDQ+

idvDS=

vDSQ+

vdsv西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景93图解法三、场效应管放大器共源放大电路静态工作点（图解法）由于vDS=VDD-iDRd，可以将vds和id置0分别求出与输出曲线iD-vDS的截距，在两者相交处，找到vGS=VGG点，即可确定Q值vds和vi的相位相反可以确定最大不失真输出幅度（右下角为截止失真，左上角为饱和失真）v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景94小信号模型三、场效应管放大器小信号模型：在特定条件下将非线性器件做线性化近似处理，从而简化由其构成的放大电路的分析和设计考虑到vgs<<2(VGSQ-VT)，忽略最后一项，因此iD=IDQ+gmvgs=IDQ+id，考虑小信号时，id=gmvgs根据诺顿等效，输出端存在电阻rds，N沟道增强型MOSFET交流小信号模型gmvgs是电压vgs控制电流源电流方向与电压极性关联gm低频互导的物理意义是转移曲线上Q点的切线斜率rds输出电阻的物理意义是Q点切线斜率的倒数v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景95电流镜三、场效应管放大器电流镜：一种模拟电路，用于复制或“镜像”输入电流，并在输出端产生一个与输入电流成固定比例的电流右图所示，两个MOS管栅极相连，接在Q1的漏极，Q1漏极接参考电流源IREF，Q2漏极输出IoutQ1和Q2工作在饱和区，有理想情况，假设两个MOS管具有相同的μn和Cox，则上式两边相比可得

，这就是电流的复制（镜像）简单的CMOS电流镜实际上需要考虑MOS管的有限输出阻抗rout，将一个信号源Vx放置于输出节点，那么左图为单个MOS管Q1的小信号模型，其中考虑到输出阻抗中，rDS1>>1/gm1,所以输出阻抗可以近似为1/gm1，这种单一的等效小信号模型如右图所示IREFv西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景96电流镜与放大器三、场效应管放大器使用简化模型后，整个电流镜的小信号模型如下图所示，VGS2通过一个电阻值为1/gm1的电阻接地考虑Q1电阻没有电流流过，VGS2=0，此外考虑低频状态，gm2VGS2为0，电路被简化为右图小信号模型，模型输出阻抗等于rDS2MOS放大电路共源放大器共漏放大器共栅放大器共源放大器：一种以MOSFET的源极（Source）作为交流信号公共端的单级放大器，有源负载通常由CMOS电流镜代替传统电阻负载共漏放大器：又称源极跟随器，漏极直接或者间接通过电流源接电源共栅放大器：栅极接固定偏置电压v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景97共源放大器三、场效应管放大器右图共源放大器由两部分构成：放大管（NMOS）和有源负载（PMOS电流镜）放大管：采用NMOS晶体管作为共源放大器的核心，输入信号加在栅极，输出从漏极取出有源负载：用PMOS晶体管构成的电流镜代替传统的电阻负载，为放大管提供静态工作电流并实现高增益共源放大器与小信号模型该共源放大器工作原理如下：电流镜：PMOS电流镜将参考电流IREF镜像到放大管的漏极，形成稳定的静态工作点信号放大：输入信号Vin调制NMOS管的栅极电压，改变其漏极电流ID，由于PMOS电流镜的等效输出阻抗很高，电流变化会转化为较大的输出电压变化Vout，实现电压放大高增益：PMOS电流镜的高输出阻抗rDS2和NMOS管的高输出阻抗rDS1并联，总阻抗较高，增益-gm（rDS1||rDS2）显著提升，在0.18μmCMOS工艺下，单级增益通常在20-40dB（10-100倍）v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景98共漏放大器（源极跟随器）三、场效应管放大器右图共包括放大管（NMOS）和有源负载（NMOS电流镜）有源负载：由两个NMOS管Q2和Q3构成，提供恒定的偏置电流，使Q1工作在饱和区放大管：输入信号Vin加在栅极，输出为输入电压和栅源电压之差，Vout=Vin-Vgs1源极跟随器小信号模型如右图，其中对Vout写节点方程，由于Vgs1=Vin-Vout，可得

其中，GS1=1/RS1因此可以计算出增益

该值约等于0.8~0.95源极跟随器与小信号模型v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景99共栅放大器三、场效应管放大器共栅放大器采用有源负载时，其结构如下：放大管（NMOS）：源极输入Vin，栅极接固定电压Vbias，漏极输出Vout有源负载（PMOS电流镜）：由两个PMOS管构成，提供稳定的偏置电流作为高阻负载共栅放大器与小信号模型小信号模型如右图所示，输入阻抗低频下为ro1||1/gm1≈1/gm1在Vout处节点可得重新排列可计算增益为：

近似等于v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景100三种放大电路对比三、场效应管放大器参数共源放大器CS共漏放大器CD共栅放大器CG输入信号位置栅极栅极源极输出信号位置漏极源极漏极栅极交流状态输入输入接地电压增益-gm（rDS1||rDS2）≈1gm（rDS1||rDS2）典型增益范围30~60dB0.85~0.9520~50dB输入阻抗极高（栅极绝缘）极高（栅极绝缘）1/gm1输出阻抗高（rDS1||rDS2）低（1/gm||r0）高（rDS1||rDS2）主要应用场景高增益放大缓冲、电平位移射频、电流模式关键优缺点高增益、低带宽低输出阻抗、增益≈1宽带宽、输入阻抗低需要高增益，选择共源放大器（注意带宽限制）需要阻抗匹配/缓冲，选择共漏放大器（如驱动低阻负载）需要宽带宽/低输入阻抗，选择共栅放大器（如射频前端）目录123章节介绍放大器基础场效应管放大器4双极晶体管放大器v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景102晶体管电流关系四、双极晶体管放大器共射极直流放大倍数共基极直流放大倍数电流之间关系如下：晶体管放大条件：内部条件：发射区掺杂浓度远大于基区掺杂浓度，且基区很薄外部条件：发射结正偏，集电结反偏iC=f(vCE)

iB=const截止区：发射结和集电结均反偏，iC接近0饱和区：iC受vCE控制，一般vCE<0.7VVBEVBC0放大模式：发射结正偏集电结反偏饱和模式：发射结正偏集电结正偏截止模式：发射结反偏集电结反偏反向放大模式：发射结反偏集电结正偏v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景103特性曲线与静态工作点四、双极晶体管放大器晶体管电流方程当uBE大于导通电压uBEon时，晶体管导通，即处于放大或者饱和状态，这两种状态下，uBE≈uBEon，转移特性曲线类似于PN结二极管输入特性曲线为iB和uBE关系，由于iB=iC/β，所以输入特性曲线和转移特性曲线类似右图为共射极放大电路及直流通路，基极输入vS，集电极输出vCEv西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景104图解法四、双极晶体管放大器将

曲线和输出曲线iC-vCE相交可以得到Q点，分别为ICQ、VCEQ、IBQ根据输入信号vS的波形，可以画出vBE和iB的波形v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景105图解法四、双极晶体管放大器同理，根据iB变化，可以画出vBE和iC波形同理，静态工作点太高会出现饱和失真，太低会出现截止失真饱和失真截止失真v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景106小信号模型四、双极晶体管放大器输入信号源ube的变化，引起ib的变化，体现为输入电阻：由于

因此，由于

，因此可以计算re为输出端，表现为受ib控制的电流源iC和输出电阻rce并联，其中UA：厄利电压v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景107小信号模型分析四、双极晶体管放大器放大器分析遵循线性叠加原则，分别分析直流和交流通路：分析直流通路：直流工作点Q主要参数IBQ、ICQ、UCEQ分析交流通路：计算交流指标Au、Ri、Ro分析直流通路时，交流信号短路，电容断路，RE用于负反馈抑制温漂温度升高，IC升高，IE增大，发射极电位增加，UBE减小，IB减小，IC减小戴维南等效：电压源短路v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景108交流特性分析四、双极晶体管放大器交流小信号时，直流电源接地，电容短路，BJT变成be端电阻rbe，ce端受控电流源βIb和rce串联电压放大倍数：输入电阻：输出电阻：v西工大微电子学院