北大集成电路原理与设计之二：模拟集成电路原理与设计课件02 MOS器件物理基础

1北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理上一讲研究模拟电路的重要性模拟电路设计的难点研究AIC的重要性研究CMOSAIC的重要性电路设计一般概念抽象级别健壮性设计符号2北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理上一讲数字电路无法完全取代模拟电路，模拟电路是现代电路系统中必不可少的一部分模拟电路设计的难点比数字电路不同关注点、噪声和干扰、器件二阶效应、设计自动化程度、建模和仿真、工艺、数模混合AIC具有高速度、高精度、低功耗、大批量时成本等优点用CMOS工艺设计、加工AIC具有加工成本低、易实现数模混合等优点，被广泛采用，是实现SOC的首选工艺3模拟集成电路原理第2章MOS器件物理基础陈中建[e-mail]62759051，理科2号楼2619微电子学系4北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理授课内容绪论，2学时重要性、一般概念单级放大器，5学时无源/有源电流镜，2学时差动放大器，3学时放大器的频率特性，4学时噪声，4学时运算放大器，6学时反馈，6学时稳定性和频率补偿，6学时版图，3学时共源、共漏、共栅、共源共栅定性分析、定量分析、共模响应、吉尔伯特单元弥勒效应、极点与节点关系、单级放大器频率特性分析统计特性、类型、电路表示、单级放大器噪声分析、噪声带宽特性、四种反馈结构、负载影响、对噪声的影响性能参数、一级运放、两级运放、各指标分析叉指、对称、ESD等多极点系统、相位裕度、频率补偿器件物理基础，2学时MOSFET结构、IV特性、二级效应、器件模型基本/共源共栅/有源电流镜EDA系统使用常识和设计实习实例演示，2学时做设计实习所需软硬件系统的使用期中考试2学时，评卷1学时。习题课若干学时5北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理掌握器件物理知识的必要性数字电路设计师一般不需要进入器件内部，只把它当开关用即可AIC设计师必须进入器件内部，具备器件物理知识MOS管是AIC的基本元件MOS管的电特性与器件内部的物理机制密切相关，设计时需将两者结合起来考虑器件级与电路级联系的桥梁？器件的电路模型6北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理本讲基本概念简化模型－开关结构符号I/V特性阈值电压I-V关系式跨导二级效应体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性器件模型版图、电容、小信号模型等7北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理本讲的目的从AIC设计者角度，看器件物理；本讲只讲授MOS器件物理基础知识理解MOS管工作原理基于原理，掌握电路级的器件模型直流关系式－I/V特性交流关系式－小信号电路中的参数8北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理MOS管简化模型简化模型——开关由VG控制的一个开关9北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理MOS管的结构提供载流子的端口为源，收集载流子的端口为漏源漏在物理结构上是完全对称的，靠什么区分开？Bulk（body）最重要的工作区域？受VG控制的沟道区DdrawneffLLL210北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理MOS管的结构衬底电压要保证源漏PN结反偏，对阈值电压有影响同一衬底上的NMOS和PMOS管（体端不同）独享一个阱的MOS管在AIC设计中有特殊应用11北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理MOS管的符号四端器件省掉B端在CadenceanalogLib库中，当B、S端短接时AIC设计中一般应采用该符号？需明确体端连接？电流方向数字电路用只需区别开MOS管类型即可12北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理本讲基本概念简化模型－开关结构符号I/V特性阈值电压I-V关系式跨导二级效应体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性器件模型版图、电容、小信号模型等13北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理沟道电荷的产生当VG大到一定程度时，表面势使电子从源流向沟道区VTH定义为表面电子浓度等于衬底多子浓度时的VG14北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理阈值电压栅与衬底功函数差工艺确定后，VTH0就固定了，设计者无法改变常通过沟道注入把VTH0调节到合适值0OXOXOXTC强反型时表面势15北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理I/V特性－沟道随VDS的变化16北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理I/V特性—推导I(VDS,VGS)QdWCox(VGSVTH)Qd(x)WCox(VGSV(x)VTH)IQdv17北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理I/V特性—推导I(VDS,VGS)IDWCox[VGSV(x)VTH]vIDdxx0LWCoxn[VGSV(x)VTH]dVV0VDSGivenvEandE(x)dV(x)dxIDWCox[VGSV(x)VTH]ndV(x)dxIDnCoxWL[(VGSVTH)VDS12VDS2]18北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理I/V特性—线性区]21)[(2DSDSTHGSLWoxnDVVVVCI)(THGSVV过驱动电压三极管区欧姆区线性区19北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理I/V特性—当VDS2(VGS-VTH)时？IDnCoxWL[(VGSVTH)VDS12VDS2]IDnCoxWL(VGSVTH)VDS,VDS2(VGSVTH))(1THGSLWoxnONVVCR等效为一个线性电阻深三极管区在AIC设计中会用到20北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理I/V特性—当VDSVGS-VTH时？]21)[(2DSDSTHGSLWoxnDVVVVCI是否仍按抛物线变化？沟道区两端的电压差不再等于VDS，保持为VGS-VTH公式不再适用推导时是针对反型沟道区上的长度和电压差进行积分L也会有变化21北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理I/V特性—当VDSVGS-VTH时IDnCoxWL[(VGSVTH)VDS12VDS2]2')(2THGSoxnDVVLWCIV'DSVGSVTH(Pinchoff)L`随VDS变化很小时，电流近似恒定，饱和区22北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理I/V特性—当VDSVGS-VTH时2')(2THGSoxnDVVLWCIPinch-off区Active区Saturation区电流近似只与W/L和VGS有关，不随VDS变化23北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理I/V特性—当VDSVGS-VTH时用作电流源或电流沉（currentsink）24北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理I/V特性—PMOS管定义从D流向S为正0.8mnwell：p=250cm2/V-s,n=550cm2/V-s0.4mnwell：p=150cm2/V-s,n=450cm2/V-s0.5mnwell：p=100cm2/V-s,n=350cm2/V-sPMOS管电流驱动能力比NMOS管差25北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理跨导gmtconsVDSGSDmVIgtan饱和区时),(THGSLWoxnVVCgm2nCoxWLID2IDVGSVTHVGS对IDS的控制能力IDS对VGS变化的灵敏度单位：S西[门子]26北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理跨导gm)(THGSLWoxnmVVCg由于饱和区gm大，一般用饱和区工作的MOS管做信号放大线性区时？27北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理MOS管工作在哪个区？ActiveActive28北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理本讲基本概念简化模型－开关结构符号I/V特性阈值电压I-V关系式跨导二级效应体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性器件模型版图、电容、小信号模型等29北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理二级效应前面VTH、I/V、gm等推导都是基于最简单假设忽略了VDS对L的影响等二级效应二级效应是AIC设计必须要考虑的因素会对电路一些性能指标带来不可忽视的影响如输出电阻RO、体效应引起的体跨导gmb包括体效应、沟长调制效应、亚阈值导电性、热载流子效应、速度饱和、垂直电场引起的迁移率退化、温度特性等30北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理阈值电压和体效应VTHMS2FQdepCox,whereMSgatesiliconFkTqlnNsubniQdep4qsiFNsub31北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理阈值电压和体效应VTHVTH02FVSB2F,2qsiNsubCox体效应系数，典型值0.3-0.4V1/232北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理体效应对电路性能影响体效应会导致设计参量复杂化，AIC设计通常不希望有体效应。但也有利用体效应工作的电路33北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理利用体效应工作的电路实例VsnVgpVinMp1Mp2MnVrefIoIoutUSPatent：5998777V-I转换电路34北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理沟道长度调制效应)1(1)1(111'1LLLLLLLLLLLLLLLLVVLLDSDS/),1(1'/1)1()(22DSTHGSoxnDVVVLWCILL’假设：是线性关系与DSV/LL短沟道MOS管时该近似会明显影响精度35北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理沟道长度调制效应)1()(22DSTHGSoxnDVVVLWCILL’L越大，沟道长度调制系数越小)(11,0DSdeffADDSDdVdXLVIVIDSddVdX由工艺决定0.4m工艺时NMOS管为0.02，PMOS管为0.04m/V，Leff=0.4-2LD=0.4-0.18=0.22m，VA,NMOS=11V，VA,PMOS=5.5V36北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理沟长调制效应gmnCoxWL(VGSVTH)(1VDS))1(2DSDoxnmVILWCgTHGSDmVVIg2AIC设计中通常不希望ID随VDS变化。会降低放大器的输出电阻，会导致偏置电流改变，等。37北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理亚阈值导电性IDI0expVGSkTq截止——弱反型——中反型——强反型渐进的连续变化过程，VGSVTH时仍有IDS存在1,系数，[zi:tə]当VDS大于200mV时带来功耗；被存储的信息的丢失38北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理亚阈值导电性[Gray]Vt为阈值电压VT为热电压n：由工艺决定It：VGS=Vt、W/L=1、VDS»VT时的漏电流39北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理用亚阈值特性确定阈值电压如何测量确定阈值电压？)(1THGSLWoxnDSDSONVVCVIR测深线性区的MOS管的导通电阻RON随VGS的变化VGIDSVDVSVGSIDS/VDS40北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理用亚阈值特性确定阈值电压粗略估算方法ID/W=1A/m所对应的VGS为VTH，此时MOS管工作在亚阈区附近。为什么？2)(2THGSoxnDVVLCWI2)(2THGSoxnDVVLWCI在ID一定时，W逐渐增大会导致VGS逐渐接近VTH；再增大时会进入亚阈值区41北大微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理亚阈值区时的跨导IDI0expVGSkTq强反型时的跨导:2/)(THGSDmVVIg在ID一定时，亚阈值区的跨导比强反型区时大，有利于实现较大放大倍数，且功耗极低但单位沟道宽度的源漏电流ID/W小，只能用于极低速电路双极晶体管：42北大微电子学系－陈中建－模