西电模拟CMOS拉扎维 第2章MOS器件物理基础

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1、模拟集成电路原理第2章MOS器件物理基础lxm@mail.xidian.edu.cn微电子学院1授课内容绪论重要性、一般概念器件物理基础MOSFET结构、IV特性、二级效应、器件模型单级放大器共源、共漏、共栅、共源共栅差动放大器定性分析、定量分析、共模响应、吉尔伯特单元无源/有源电流镜基本/共源共栅/有源电流镜弥勒效应、极点与节点关系、各类单级放大放大器的频率特性器频率特性分析统计特性、类型、电路表示、各类单级放噪声大器噪声分析、噪声带宽反馈特性、四种反馈结构、负载影响、对噪声的影响运算放大器性能参数、一级运放、两级运放、各指标分析稳定性和频率补偿多极点系统、相位裕度、频率补偿带隙基准源与电源

2、无关、与温度无关、PTAT电流、恒Gm、速度与噪声版图和封装叉指、对称、ESD等微电子学院—模拟集成电路2上一讲ß研究模拟电路的重要性ß模拟电路设计的难点ß研究AIC的重要性ß研究CMOSAIC的重要性ß电路设计一般概念∑抽象级别∑健壮性设计∑符号微电子学院—模拟集成电路3上一讲ß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ß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ßAIC具有高速度、高精度、低功耗、大批量时成本等优点ß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，被广泛采用微

3、电子学院—模拟集成电路4掌握器件物理知识的必要性ß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ßAIC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ß器件级与电路级联系的桥梁？∑器件的电路模型微电子学院—模拟集成电路5本讲ß基本概念∑简化模型－开关∑结构∑符号ßI/V特性∑阈值电压∑I-V关系式∑跨导ß二级效应∑体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性ß器件模型∑版图、电容、小信号模型等微电子学院—模拟集成电路6本讲的目的ß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ß

4、理解MOS管工作原理ß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微电子学院—模拟集成电路7MOS管简化模型简化模型——开关由V控制的一个开关G微电子学院—模拟集成电路8MOS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？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V控制的沟道区G微电子学院—模拟集成电路9MOS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）微电子学院—模拟集成电路10MOS管的符号？电流方向四端器

5、件省掉B端数字电路用AIC设计中一般应采用该符号？在CadenceanalogLib库只需区别中，当B、S端短接时开MOS管类型即可需明确体端连接微电子学院—模拟集成电路11本讲ß基本概念∑简化模型－开关∑结构∑符号ßI/V特性∑阈值电压∑I-V关系式∑跨导ß二级效应∑体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性ß器件模型∑版图、电容、小信号模型等微电子学院—模拟集成电路12沟道电荷的产生AMOSFETdrivenbyagatevoltage当V大到一定G当V升高时，形成耗尽层，不导电G程度时，表面势使电子从源流向沟道区V定义为表面TH电子浓度等于衬底多子浓度时的VG微电子学院—模拟集成电路13阈值

6、电压εOXC=0OXTOX栅与衬底功函数差常通过沟道注入把V调节到合适值TH0工艺确定后，V就固定了，设计者无法改变TH0微电子学院—模拟集成电路14I/V特性－沟道随V的变化DS微电子学院—模拟集成电路15I/V特性—推导I(V,V)DSGSI=Qd⋅vQd=WCox(VGS−VTH)QxWCVdo()=x()GST−−Vx()VH微电子学院—模拟集成电路16I/V特性—推导I(V,V)DSGSID=−WCox[VGS−V(x)−VTH]vdV(x)Givenv=μEandE(x)=−dxdV(x)ID=WCox[VGS−V(x)−VTH]μndxLVDS∫IDdx=∫WCoxμn[VGS−

7、V(x)−VTH]dVx=0V=0W12ID=μnCox[(VVVGS−−TH)DSVDS]L2有效沟道长度微电子学院—模拟集成电路17I/V特性—线性区W12ICD=−μnox[]()VVGS−THVDSVDS过驱动电压L2(VGS−VTH)三极管区欧姆区线性区微电子学院—模拟集成电路18I/V特性—当V<<2(V-V)时？DSGSTH1W2ICVVD=−μnox[(GSTH)VDS−VDS]L