东南射频集成电路讲义.pdf

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1、《射频集成电路设计基础》讲义有源器件和模拟电路基础－Iß引言ß附录®半导体中的一维电场和电位ß数、模电路的不同工艺要求®接触电压(ContactPotential)ß半导体理论基本概念®外延和非外延工艺ßMOS场效应管初步ß参考文献东南大学射频与光电集成电路研究所陈志恒,Oct-24,2002<<>><>↵1of39引言•无线接收/发射系统由一些工作在不同频率、不同信号电平，具有不同功能的电路模块组成，由于存在这种种不同，这些模块也常常采用不同类型的工艺和器件•每种工艺都有自身的优缺点，具体工艺的选择取决于多方

2、面的因素，技术上的优势固然重要，经济因素(成本、上市时间等)往往起到决定性的作用•再先进的工艺也会被淘汰，电路设计的目的在于充分发挥现有工艺的优势，以最小的代价实现符合指标要求的电路功能，因此必须深入地学习有关工艺的知识，但更要熟练掌握电路设计基本原理和技术，不受制于某一种具体工艺•我们将主要讨论CMOS工艺，请注意区分电路设计所涉及的共性部分和CMOS电路所特有的内容射频集成电路设计基础>有源器件和模拟电路基础－I>引言<<>><>↵2of39数、模电路的不同工艺要求•数字电路–CMOS=LowPower?[

3、1]–功耗Power∝CV2f(1)Ldd»降低Vdd(须降低Vth以保持速度)»控制信号变化频度(Coding,GatedClock,etc.)»减小有效的负载电容(Scaling)–速度CVLddDelay∝---------------(2)I–功耗延时积(假设I正比于V2)：PT×∝C2VdddLdd–噪声容限、集成度、成品率...射频集成电路设计基础>有源器件和模拟电路基础－I>数、模电路的不同工艺要求<<>><>↵3of39•模拟电路–更多维的设计空间，更复杂的利弊权衡(trade-off)»Spe

4、ed-Accuracy-Power»CMOS=LowPower?噪声»LowVoltage=LowPower?线性»选择什么工艺(BJT、CMOS还是GaAs)功耗»特征尺寸(FeatureSize)的不断减小带来了什么增益–偏置的重要性带宽»为什么我的放大器不放大–模型的重要性»你的噪声真的那么低吗–设计成本、制造成本、性能指标......射频集成电路设计基础>有源器件和模拟电路基础－I>数、模电路的不同工艺要求<<>><>↵4of39半导体理论基本概念•掺杂和载流子浓度–本征半导体(intrinsicsem

5、iconductor)未经掺杂的半导体材料原子的外层电子受原子间共价键束缚，由热运动产生了自由电子和空穴，平衡时它们具有相同的浓度npp===n(3)ii–在硅本征半导体中掺进磷(或砷、锑)后，原来的晶体结构发生改变，所掺入材料(杂质)原子的5个外层电子中只能有4个与硅原子的外层电子形成共价键，因而另一个电子很容易摆脱束缚成为自由电子，留下一个带正电的固定的离子；由于给出了电子，这种物质被称为Donor，其浓度用ND表示–可以认为杂质在常温下完全电离，而通常N»n，此时的自由电子浓度DinN≈；自由电子与空穴的

6、复合(Recombination)的机会随电子浓度的增加而D增加，因此空穴浓度大为降低，但自由电子与空穴浓度乘积保持不变，即np==npn2，或者表示为iii射频集成电路设计基础>有源器件和模拟电路基础－I>半导体理论基本概念<<>><>↵5of39n2ip≈-------(4)ND–如果硅本征半导体中掺入的杂质是硼或镓、铟，杂质原子会从硅原子获取一个电子从而产生一个空穴和一个负离子，这种物质被称为Acceptor，其浓度用NA表示，同样地，空穴浓度p≈NA，而电子浓度n2in≈------(5)NA–总的来说

7、，掺杂半导体和本征半导体中自由电子与空穴的浓度积相等，即np=n2(6)i总电荷密度ρ=qpn()–+N–N(7)DA整块半导体材料中的总电荷量为0，外加电场或掺杂浓度不均匀将导致半导体中不同区域内的电荷密度发生变化射频集成电路设计基础>有源器件和模拟电路基础－I>半导体理论基本概念<<>><>↵6of39•载流子的运动–漂移（Drift）载流子在外加电场作用下被加速而产生定向运动，但在加速过程中又与晶格和杂质离子相互作用发生“散射”，最后的结果是：一方面，载流子将达到一个平均速度，即漂移速度vd，宏观上可以观

8、察到平均电流I；另一方面，瞬时电流值在平均值附近发生无规律的起伏变化»迁移率(mobility)1在电场强度E较低时，vd与E成正比，即v=µE(8)d这里的µ称为载流子的迁移率

9、vd

10、»速度饱和(velocitysaturation)随着E的增加，载流子在漂移速度提高的同时受到的散射影响也更加剧烈，因此速度的增加放缓，出

11、E

12、现饱和现象1.对于硅来说，可以认为场强小于0.3V/µm和