《CMOS模擬集成電路的設(shè)計(jì)ch2器件物理ppt課件》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《CMOS模擬集成電路的設(shè)計(jì)ch2器件物理ppt課件（41頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì),第 2 章 MOS器件物理基礎(chǔ),1,2.1 基本概念,漏（D: drain）、 柵（G: gate）、 源（S: source）、襯底（B: bulk）,MOSFET：一個(gè)低功耗、高效率的開(kāi)關(guān),2,MOS符號(hào),模擬電路中常用符號(hào),數(shù)字電路中常用,MOSFET是一個(gè)四端器件,3,2.2 MOS的I/V特性,溝道的形成,4,閾值電壓VTH NMOS管的閾值電壓通常定義為界面的電子濃度等于P型襯底的多子濃度時(shí)的柵極電壓。,在基礎(chǔ)分析中，假定VGS大于VTH時(shí)，器件會(huì)突然導(dǎo)通。,通常通過(guò)溝道注入法來(lái)改變閾值電壓的大小。,5,MOS器件的3個(gè)工作區(qū),1. 截止區(qū) cutoff,VGSVTH,6,2. 線性區(qū) triode or linear region,MOSFET 處于線性區(qū),7,Derivation of I/V Characteristics,8,I/V Characteristics (cont.),9,I/V Characteristics (cont.),10,深三極管區(qū),線性區(qū)的MOSFET等效為一個(gè)線性電阻（導(dǎo)通電阻Ron）,11,3. 飽和區(qū) active or saturation region,過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓 Vov 有效電壓Veff 過(guò)飽和電壓 Vsat,一個(gè)重要的概念（VGS-VTH ）,12,飽和區(qū)內(nèi)，電流近似只與 W/L 和過(guò)飽和電壓VGS-VTH 有關(guān)，不隨源漏電壓VDS變化,因此在VGS不變的條件下MOSFET可以等效為恒流源,13,跨導(dǎo)是小信號(hào)(AC)參數(shù)，用來(lái)表 征MOSFET將電壓變化轉(zhuǎn)換為電流 變化的能力。反映了器件的靈敏度 ——VGS對(duì)ID的控制能力。,引入重要的概念 跨導(dǎo) gm,transconductance,利用這個(gè)特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大,如果在柵極上加上信號(hào)，則 飽和區(qū)的MOSFET可以看作是 受VGS控制的電流源,14,15,到此為止，我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了MOSFET的三種用途：,開(kāi)關(guān)管,恒流源,放大管,分別處在什么工作區(qū)？,,16,怎么判斷MOSFET處在什么工作區(qū)？,方法二： （源極電壓不方便算出時(shí)） 比較柵極Vg和漏端Vd的電壓高低,方法一： 比較源漏電壓Vds和過(guò)飽和電壓Vsat的高低,17,圖中MOS管的作用是什么？應(yīng)該工作在什么工作區(qū)？,思考題,18,即NMOS開(kāi)關(guān)不能傳遞最高電位，僅對(duì)低電位是比較理想的開(kāi)關(guān),相對(duì)的，PMOS開(kāi)關(guān)不能傳遞最低電位，僅對(duì)高電位是比較理想的開(kāi)關(guān),19,20,2.3 二級(jí)效應(yīng),體效應(yīng) 在前面的分析中，我們未加說(shuō)明地假定襯底和源都是接地的（for NMOS）。實(shí)際上當(dāng)VBVS時(shí)，器件仍能正常工作，但是隨著VSB的增加，閾值電壓VTH會(huì)隨之增加，這種體電位（相對(duì)于源）的變化影響閾值電壓的效應(yīng)稱為體效應(yīng)，也稱為“背柵效應(yīng)”。,其中，γ為體效應(yīng)系數(shù)，典型值0.3-0.4V1/2,,21,溝道層通過(guò)Cox耦合到柵極，通過(guò)CD 耦合到體區(qū)。,所以體區(qū)電壓同樣可以（通過(guò)CD的耦合作用）影響溝道中載流子的濃度，影響導(dǎo)電性，或者說(shuō)閾值電壓的大小。,22,體效應(yīng)對(duì)電路性能的影響,體效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)參量復(fù)雜化， AIC設(shè)計(jì)通常不希望有體效應(yīng),23,溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng) 當(dāng)溝道發(fā)生夾斷后，如果VDS繼續(xù)增大，有效溝道長(zhǎng)度L’會(huì)隨之減小，導(dǎo)致漏源電流 ID 的大小略有上升，飽和區(qū)的電流方程需要做如下修正：,L越大，溝調(diào)效應(yīng)越??！,其中λ為溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù),24,溝調(diào)效應(yīng)使飽和區(qū)的MOSFET不能再看成理想的電流源， 而具有有限大小的輸出電阻ro,25,亞閾值導(dǎo)電性（弱反型） 在初步分析MOSFET的時(shí)候，我們假設(shè)當(dāng)VGS VTH時(shí)，器件會(huì)突然關(guān)斷，即ID會(huì)立即減小到零；但實(shí)際上當(dāng)VGS略小于VTH 時(shí)，有一個(gè)“弱”的反型層存在，ID大小隨VGS下降存在一個(gè)“過(guò)程”，與VGS呈指數(shù)關(guān)系：,,26,柵和溝道之間的氧化層電容C1 襯底和溝道之間的耗盡層電容C2 多晶硅柵與源和漏交疊而產(chǎn)生的電容C3、C4，每單位寬度交疊電容用Cov表示 源/漏與襯底之間的結(jié)電容C5、C6,2.4 MOS器件電容,分析高頻交流特性時(shí) 必須考慮寄生電容的影響,根據(jù)物理結(jié)構(gòu)，可以把 MOSFET的寄生電容分為：,27,器件關(guān)斷時(shí)，CGD=CGS=CovW， CGB由氧化層電容和耗盡區(qū)電容串連得到 深三極管區(qū)時(shí)，VD?VS， 飽和區(qū)時(shí)，,在三極管區(qū)和飽和區(qū)，CGB通常可以被忽略。,在電路分析中我們關(guān)心器件各個(gè)端口的等效電容：,28,大信號(hào)和小信號(hào)模型,大信號(hào)模型 用于描述器件整體的電壓-電流關(guān)系，通常為非線性 小信號(hào)模型 如果在靜態(tài)工作點(diǎn)（偏置）上疊加變化的信號(hào)（交流信號(hào)），其幅度“足夠小”，則可以用線性化的模型去近似描述器件，這種線性化模型就是小信號(hào)模型。,29,2.5 MOS小信號(hào)模型,30,小信號(hào)參數(shù)：,31,MOS管的完整小信號(hào)模型,對(duì)于手算，模型不是越復(fù)雜越好。 能提供合適的精度即可,32,MOS SPICE模型,模型精度決定電路仿真精度 最簡(jiǎn)單的模型——Level 1，0.5?m 適于手算,33,NMOS VS PMOS,在大多數(shù)工藝中，NMOS管性能比PMOS管好 遷移率4：1，高電流驅(qū)動(dòng)能力，高跨導(dǎo) 相同尺寸和偏置電流時(shí)，NMOS管rO大，更接近理想電流源，能提供更高的電壓增益 對(duì)Nwell 工藝，用PMOS管可消除體效應(yīng) 獨(dú)占一個(gè)阱，可以有不同的體電位,34,NMOS管與PMOS管工藝參數(shù)的比較,35,長(zhǎng)溝道器件和短溝道器件,前面的分析是針對(duì)長(zhǎng)溝道器件（4?m以上）而言 對(duì)短溝道器件而言，關(guān)系式必須修正 用簡(jiǎn)單模型手算，建立直覺(jué)；用復(fù)雜模型仿真，得到精確結(jié)果。,36,MOS管用作電容器時(shí),37,并聯(lián),串聯(lián),思考：,38,注意不要混淆管子的寬W和長(zhǎng)L,以及串并聯(lián)關(guān)系！,倒比管,39,解釋什么是小信號(hào)跨導(dǎo)，給出飽和區(qū)MOSFET小信號(hào)跨導(dǎo)的三種表達(dá)形式,復(fù)習(xí)題：,,2. 右圖中MOSFET的過(guò)飽和電壓是多少？管子處于什么工作區(qū)？,40,,3. 如圖所示，Vin隨時(shí)間線性增加。在不考慮溝調(diào)效應(yīng)，需考慮體效應(yīng)的前提下，畫(huà)出Vout隨時(shí)間的曲線。,4. 下圖是MOS管的電壓電流曲線，圖中L1和L2的大小關(guān)系是？,41,