模拟cmos集成电路设计(拉扎维)第2章MOS器件物理基础PPT课件
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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
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
5
本讲
基本概念
10
MOS管的符号
？ 电流方向
四端器件
省掉B端
数字电路用
AIC设计中一般 应采用该符号？
在Cadence
analogLib库
中，当B、S端短接时
需明确体端连接
只需区别 开MOS管 类型即可
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11
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
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
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
7
MOS管简化模型
简化模型——开关 由VG控制的一个开关
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
8
MOS管的结构
Bulk（body）
源漏在物理结构上是完全对称的，靠什么区分开？
I D n C o W L ( x V G V T S ) V D H , V D S 2 S ( V G V T S )
等效为一个线性电阻
RONnCoxW L(V 1GSVTH)
在AIC设计中会用到
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
深三极管区
19
I/V特性—当VDS>VGS-VTH时？
ID n C oW x L[V (G SV T)H V D S1 2V D2]S
是否仍按抛物线 变化？
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
沟道区两端的电压 差不再等于VDS， 保持为VGS-VTH
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ID W o[V x C G S V (x ) V T]H n dx
L
VDS
ID d x WoC xn[V G SV (x)V T]H dV
x0
V0
ID n C oW L x[V ( G S V T)V H D S 1 2 V D 2 ]S
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17
I/V特性—线性区
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
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4
掌握器件物理知识的必要性
模拟集成电路设计
第2章 MOS器件物理基础
董刚
微电子学院
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
1
授课内容
绪论 器件物理基础 单级放大器
差动放大器 无源/有源电流镜 放大器的频率特性
噪声 反馈 运算放大器 稳定性和频率补偿 带隙基准源
重要性、一般概念
MOSFET结构、IV特性、二级效应、器件模型
共源、共漏、共栅、共源共栅
提供载流子的端口为源，收集载流子的端口为漏
最重要的工作区域？ 受VG控制的沟道区
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9
MOS管的结构
独享一个阱的 MOS管在AIC设 计中有特殊应用
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）
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COX
OX
TOX
常通过沟道注入把VTH0调节到合适值
工艺确定后，VTH0就固定了，设计者无法改变
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
14
I/V特性－沟道随VDS的变化
西电微Baidu Nhomakorabea子学院－董刚－模拟集成电路设计
15
I/V特性—推导I(VDS,VGS)
IQd v
Q d W o(V x C G S V T)H
定性分析、定量分析、共模响应、吉尔伯特单元
基本/共源共栅/有源电流镜 弥勒效应、极点与节点关系、各类单级放大 器频率特性分析 统计特性、类型、电路表示、各类单级放 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
多极点系统、相位裕度、频率补偿
与电源无关、与温度无关、PTAT电流、 恒Gm、速度与噪声
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2
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CMOS AIC的重要性 电路设计一般概念
❖抽象级别 ❖健壮性设计 ❖符号
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3
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
Q d ( x ) W o ( V x G C V S ( x ) V T )H
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16
I/V特性—推导I(VDS,VGS)
I D W o [ V G x C V S ( x ) V T ] v H
Givv E ea nn E (x d ) d(x V ) dx d(x V )
❖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
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6
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
ID n C oW x L[V (G SV T)H V D S1 2V D2]S 过驱动电压
(VGSVTH)
三极管区 欧姆区 线性区
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18
I/V特性—当VDS<<2(VGS-VTH)时？
ID n C oW L x[V ( G S V T)V H D S 1 2 V D 2 ]S
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
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12
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
VG
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13
阈值电压
0 栅与衬底功函数差
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
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
5
本讲
基本概念
10
MOS管的符号
？ 电流方向
四端器件
省掉B端
数字电路用
AIC设计中一般 应采用该符号？
在Cadence
analogLib库
中，当B、S端短接时
需明确体端连接
只需区别 开MOS管 类型即可
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11
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
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
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7
MOS管简化模型
简化模型——开关 由VG控制的一个开关
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8
MOS管的结构
Bulk（body）
源漏在物理结构上是完全对称的，靠什么区分开？
I D n C o W L ( x V G V T S ) V D H , V D S 2 S ( V G V T S )
等效为一个线性电阻
RONnCoxW L(V 1GSVTH)
在AIC设计中会用到
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深三极管区
19
I/V特性—当VDS>VGS-VTH时？
ID n C oW x L[V (G SV T)H V D S1 2V D2]S
是否仍按抛物线 变化？
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
沟道区两端的电压 差不再等于VDS， 保持为VGS-VTH
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
ID W o[V x C G S V (x ) V T]H n dx
L
VDS
ID d x WoC xn[V G SV (x)V T]H dV
x0
V0
ID n C oW L x[V ( G S V T)V H D S 1 2 V D 2 ]S
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17
I/V特性—线性区
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
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4
掌握器件物理知识的必要性
模拟集成电路设计
第2章 MOS器件物理基础
董刚
微电子学院
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1
授课内容
绪论 器件物理基础 单级放大器
差动放大器 无源/有源电流镜 放大器的频率特性
噪声 反馈 运算放大器 稳定性和频率补偿 带隙基准源
重要性、一般概念
MOSFET结构、IV特性、二级效应、器件模型
共源、共漏、共栅、共源共栅
提供载流子的端口为源，收集载流子的端口为漏
最重要的工作区域？ 受VG控制的沟道区
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
9
MOS管的结构
独享一个阱的 MOS管在AIC设 计中有特殊应用
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）
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
COX
OX
TOX
常通过沟道注入把VTH0调节到合适值
工艺确定后，VTH0就固定了，设计者无法改变
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14
I/V特性－沟道随VDS的变化
西电微Baidu Nhomakorabea子学院－董刚－模拟集成电路设计
15
I/V特性—推导I(VDS,VGS)
IQd v
Q d W o(V x C G S V T)H
定性分析、定量分析、共模响应、吉尔伯特单元
基本/共源共栅/有源电流镜 弥勒效应、极点与节点关系、各类单级放大 器频率特性分析 统计特性、类型、电路表示、各类单级放 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
多极点系统、相位裕度、频率补偿
与电源无关、与温度无关、PTAT电流、 恒Gm、速度与噪声
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2
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CMOS AIC的重要性 电路设计一般概念
❖抽象级别 ❖健壮性设计 ❖符号
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
3
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
Q d ( x ) W o ( V x G C V S ( x ) V T )H
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16
I/V特性—推导I(VDS,VGS)
I D W o [ V G x C V S ( x ) V T ] v H
Givv E ea nn E (x d ) d(x V ) dx d(x V )
❖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
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6
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
ID n C oW x L[V (G SV T)H V D S1 2V D2]S 过驱动电压
(VGSVTH)
三极管区 欧姆区 线性区
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18
I/V特性—当VDS<<2(VGS-VTH)时？
ID n C oW L x[V ( G S V T)V H D S 1 2 V D 2 ]S
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
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
12
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
VG
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13
阈值电压
0 栅与衬底功函数差