mos器件物理、绪论

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1、CMOS模拟集成电路分析与设计Teacher：何红松Tel：15575323365E-mail：945971178@qq.com教材及参考书教材：吴建辉编著：“CMOS模拟集成电路分析与设计”(第二版)，电子工业出版社。参考书：RazaviB:DesignofanalogCMOSintegratedcircuitsAllenPE:CMOSAnalogCircuitDesignR.JacobBaker:CMOSMixed-SignalCircuitDesign引言模拟电路与模拟集成电路CMOS工艺？先进工艺下模拟集成电路的挑战？课程主题与学习目标模拟电路与模拟集成电路模拟电路模拟集成

2、电路晶体管数追求最少“不限”匹配性一般不要求需很好匹配电阻值任意值10Ω-100KΩ电容值可以很大较小〈50pf寄生效应影响较小较大分立元件音频放大电路集成音频放大电路半导体材料(衬底)有源器件特性IIIIVVBCNAlSiPGaGeAsInSnSbTlPbBiHBT：HeterojunctionBipolarTransistor异质结双极型晶体管DoubleSchottky现代主要集成电路工艺性能CMOSSiBJTSiGeBJT器件速度高高高噪声差好好跨导小大大本征增益小较大大采用CMOS工艺的原因：低功耗，高容量的数字集成电路驱动易于与高密度的数字集成电路集成（BiCMOS太贵

3、）先进工艺下模拟集成电路的挑战CMOS工艺的发展以特征尺寸的缩小为显著特征。低功耗高性能的数字电路需求是促进CMOS工艺发展的主要动力先进工艺对模拟电路存在着明显的优势与劣势：主要优势：低功耗、高频率主要劣势：低摆幅、低本征增益、工艺偏差对电路的显著影响、相互干扰等对策：数字辅助等课程主题MOS器件物理单级放大器电流镜差分对放大器的频率特性运算放大器与跨导放大器反馈、稳定性及补偿电子噪声等学习目标较深入理解与模拟设计相关的MOS器件特性建立模拟电路设计中限制与折中的概念学会构架一座复杂器件模型/行为与基本的手算之间的桥梁掌握一种系统的而不是盲目（spice-monkey)的设计方式

4、通过一系列手算设计工程巩固以上知识：典型如：运算放大器设计与优化第一讲基本MOS器件物理本章主要内容本章是CMOS模拟集成电路设计的基础，主要内容为：有源器件无源器件等比例缩小理论短沟道效应及狭沟道效应MOS器件模型1、有源器件主要内容：1.1几何结构与工作原理1.2极间电容1.3电学特性与主要的二次效应1.4低频及高频小信号等效模型1.5有源电阻1.1MOS管几何结构与工作原理(1)MOS管是一个四端口器件栅极(G)：栅氧下的衬底区域为有效工作区（即MOS管的沟道）。源极(S)与漏极(D)：在制作时是几何对称的。一般根据电荷的输入与输出来定义源区与漏区：源端被定义为输出电荷（若为

5、NMOS器件则为电子）的端口；漏端则为收集电荷的端口。当该器件三端的电压发生改变时，源区与漏区就可能改变作用而相互交换定义。衬底(B)：在模拟IC中还要考虑衬底（B）的影响，衬底电位一般是通过一欧姆p＋区（NMOS的衬底）以及n＋区(PMOS衬底)实现连接的。1.1MOS管几何结构与工作原理(2)MOS管的主要几何尺寸沟道长度L：CMOS工艺的自对准特点，其沟道长度定义为漏源之间栅的尺寸，一般其最小尺寸即为制造工艺中所给的特征尺寸；由于在制造漏/源结时会发生边缘扩散，所以源漏之间的实际距离（称之为有效长度L’）略小于长度L，则有L’＝L－2d，其中L是漏源之间的总长度，d是边缘扩散

6、的长度。沟道宽度W：垂直于沟道长度方向的栅的尺寸。栅氧厚度tox：则为栅极与衬底之间的二氧化硅的厚度。1.1MOS管几何结构与工作原理(3)MOS管可分为增强型与耗尽型两类：增强型是指栅源电压VGS为0时没有导电沟道，必须依靠栅源电压的作用，才能形成感生沟道。耗尽型是指即使在栅源电压VGS为0时也存在导电沟道。这两类MOS管的基本工作原理一致，都是利用栅源电压的大小来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。1.1MOS管几何结构与工作原理(4)以增强型NMOS管为例：截止区：VGS=0源区、衬底和漏区形成两个背靠背的PN结，不管VDS的极性如何，其中总有一个PN结是反

7、偏的，此时漏源之间的电阻很大。没有形成导电沟道，漏电流ID为0。亚阈值区：Vth＞VGS＞01.1MOS管几何结构与工作原理(5)耗尽层线性区：VGS≥Vth且VDS