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《CMOS集成电路基础》课件
当输入为0时，截止；当输入为1时，导通。
NMOS
当输入为0时，导通；当输入为1时，截止。
输出
输出反相的输入信号。
CMOS电路组成：CMOS传输门
1 输入端
接收多个输入信号。
3 PMOS
通过开关和截止的方式传递输入信号。
2 NMOS
通过开关和导通的方式传递输入信号。
4 输出端
输出根据输入信号进行逻辑运算的结果。
晶圆切割
将完成的硅片切割成晶圆，以便后续封 装和测试。
CMOS电路组成：MOS管
N沟道MOS管（NMOS）
由N型沟道和P型沟道构成，可以实现电流的传输和 放大。
P沟道MOS管（PMOS）
由P型沟道和N型沟道构成，用于控制电流的开关。
CMOS电路组成：CMOS反相器
输入
接收输入信号（0或1）。
PMOS
CMOS电路组成：CMOS与门
1
输入A
接收输入信号A。
输入B
2
接收输入信号B。
3
NMOS
当输入A为1且输入B为1时，导通。
PMOS
4
Байду номын сангаас
当输入A为0且输入B为0时，导通。
CMOS电路组成：CMOS或门
1
输入A
接收输入信号A。
输入B
2
接收输入信号B。
3
NMOS
当输入A为1且输入B为1时，截止。
PMOS
CMOS的基本工艺流程
1
清洗和蚀刻
2
对硅片进行清洗和蚀刻，去除杂质和氧
化物，并形成特定的表面。
3
沉积
4
在硅片上沉积各种材料，如金属、氧化
物和多晶硅等，用于构建电路的不同部
NMOS
当输入为0时，导通；当输入为1时，截止。
输出
输出反相的输入信号。
CMOS电路组成：CMOS传输门
1 输入端
接收多个输入信号。
3 PMOS
通过开关和截止的方式传递输入信号。
2 NMOS
通过开关和导通的方式传递输入信号。
4 输出端
输出根据输入信号进行逻辑运算的结果。
晶圆切割
将完成的硅片切割成晶圆，以便后续封 装和测试。
CMOS电路组成：MOS管
N沟道MOS管（NMOS）
由N型沟道和P型沟道构成，可以实现电流的传输和 放大。
P沟道MOS管（PMOS）
由P型沟道和N型沟道构成，用于控制电流的开关。
CMOS电路组成：CMOS反相器
输入
接收输入信号（0或1）。
PMOS
CMOS电路组成：CMOS与门
1
输入A
接收输入信号A。
输入B
2
接收输入信号B。
3
NMOS
当输入A为1且输入B为1时，导通。
PMOS
4
Байду номын сангаас
当输入A为0且输入B为0时，导通。
CMOS电路组成：CMOS或门
1
输入A
接收输入信号A。
输入B
2
接收输入信号B。
3
NMOS
当输入A为1且输入B为1时，截止。
PMOS
CMOS的基本工艺流程
1
清洗和蚀刻
2
对硅片进行清洗和蚀刻，去除杂质和氧
化物，并形成特定的表面。
3
沉积
4
在硅片上沉积各种材料，如金属、氧化
物和多晶硅等，用于构建电路的不同部
CMOS 模拟集成电路课件完整
反偏电压将使耗尽区变宽，从而降低了有效沟道深度。因此，需 要施加更大的栅极电压以弥补沟道深度的降低，VSB偏压会影响 MOSFET的有效阈值电压VTH。随着VSB反偏电压的增加导致VTH的增 加，这种效应称为“体效应”。这种效应也称为“衬底偏置效应” 或“背栅效应”。
VTHN VTHN0
2qsi Na Cox
VGS 1 0 1.0 VDS 2 0 5
.op .dc vds 0 5 .2 Vgs 1 3 0.5 .plot dc -I(vds) .probe
*model .MODEL MNMOS NMOS VTO=0.7 KP=110U +LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7
.end
Systems
Ch13 开关电容电路
Ch14 DAC/ADC
complex Ch10 运算放大器 Ch7 频率响应
Ch11 稳定性和频 率补偿
Ch8 噪声
Ch12 比较器 Ch9 反馈
Ch3 电流源电流镜 simple Ch4 基准源 Circuits
Devices
Ch5 单级放大器 ch2 MOS器件
*Output Characteristics for NMOS M1 2 1 0 0 MNMOS w=5u l=1.0u
VGS 1 0 1.0 VDS 2 0 5
设计
属性/规范
系统/电路1
系统/电路2 系统/电路3
……
一般产品描述、想法 系统规范要求的定义
系统设计 电路模块规范定义
电路实现 电路仿真
否
是否满足系统规范
是 物理（版图）设计
物理（版图）验证
寄生参数提取及后仿真
否
是否满足系统规范
VTHN VTHN0
2qsi Na Cox
VGS 1 0 1.0 VDS 2 0 5
.op .dc vds 0 5 .2 Vgs 1 3 0.5 .plot dc -I(vds) .probe
*model .MODEL MNMOS NMOS VTO=0.7 KP=110U +LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7
.end
Systems
Ch13 开关电容电路
Ch14 DAC/ADC
complex Ch10 运算放大器 Ch7 频率响应
Ch11 稳定性和频 率补偿
Ch8 噪声
Ch12 比较器 Ch9 反馈
Ch3 电流源电流镜 simple Ch4 基准源 Circuits
Devices
Ch5 单级放大器 ch2 MOS器件
*Output Characteristics for NMOS M1 2 1 0 0 MNMOS w=5u l=1.0u
VGS 1 0 1.0 VDS 2 0 5
设计
属性/规范
系统/电路1
系统/电路2 系统/电路3
……
一般产品描述、想法 系统规范要求的定义
系统设计 电路模块规范定义
电路实现 电路仿真
否
是否满足系统规范
是 物理（版图）设计
物理（版图）验证
寄生参数提取及后仿真
否
是否满足系统规范
模拟集成电路课件 第2章CMOS技术
重要指标
无源元件的温度特性通常用温度比例系数 TCF来表示
X是无源元件的电阻或电容 通常温度比例系数乘106，用每度百万分之几（即ppm/℃）为单 位 MOS器件的特性与温度之间的关系由公式可以看出，
vGS vT 0 0 vDS vGS VT 0 vGS VT vDS
Bi-CMOS工艺
Bi-CMOS同时包括双极和MOS晶体管的集成电路，它结 合了双极器件的高跨导、强驱动能力和CMOS器件的高 集成度、低功耗的优点，使它们互相取长补短、发挥 各自优点，制造高速、高集成度、性能好的 VLSI。
第2章CMOS技术
1.CMOS制造工艺 2.MOS器件的工作原理 3.MOS无源元件 4.CMOS技术的其他考虑
特点:寄生参量小，精度高。
金属-氧化物-多晶硅
第2章CMOS技术
1.CMOS制造工艺 2.MOS器件的工作原理 3.MOS无源元件 4.CMOS技术的其他考虑
4.CMOS技术的其他考虑
CMOS电路的闩锁（Latch-up）效应 MOS器件的温度特性 噪声
背栅效应 沟道长度调制效应 亚阈值特性 短沟效应
MOS管的阈值电压
VT是MOS晶体管的一个极其重要的参数
VT可在制造过程中加以控制
阈值电压大小取决于： 栅极材料 栅极绝缘材料 栅极绝缘层厚度
沟道掺杂浓度 源极与衬底之间电压 环境温度：随温度升高而降低 调节阈值电压大小方法： 用离子注入法改变沟道掺杂浓度 采用不同栅极绝缘材料
源/漏离子注入电阻
薄层电阻Rs在500—2000Ω／口 绝对误差精度土15％ 相对误差2％（5μm）0.15％（ 50 μm ） 温度系数400ppm/℃ 电压系数800ppm/V
无源元件的温度特性通常用温度比例系数 TCF来表示
X是无源元件的电阻或电容 通常温度比例系数乘106，用每度百万分之几（即ppm/℃）为单 位 MOS器件的特性与温度之间的关系由公式可以看出，
vGS vT 0 0 vDS vGS VT 0 vGS VT vDS
Bi-CMOS工艺
Bi-CMOS同时包括双极和MOS晶体管的集成电路，它结 合了双极器件的高跨导、强驱动能力和CMOS器件的高 集成度、低功耗的优点，使它们互相取长补短、发挥 各自优点，制造高速、高集成度、性能好的 VLSI。
第2章CMOS技术
1.CMOS制造工艺 2.MOS器件的工作原理 3.MOS无源元件 4.CMOS技术的其他考虑
特点:寄生参量小，精度高。
金属-氧化物-多晶硅
第2章CMOS技术
1.CMOS制造工艺 2.MOS器件的工作原理 3.MOS无源元件 4.CMOS技术的其他考虑
4.CMOS技术的其他考虑
CMOS电路的闩锁（Latch-up）效应 MOS器件的温度特性 噪声
背栅效应 沟道长度调制效应 亚阈值特性 短沟效应
MOS管的阈值电压
VT是MOS晶体管的一个极其重要的参数
VT可在制造过程中加以控制
阈值电压大小取决于： 栅极材料 栅极绝缘材料 栅极绝缘层厚度
沟道掺杂浓度 源极与衬底之间电压 环境温度：随温度升高而降低 调节阈值电压大小方法： 用离子注入法改变沟道掺杂浓度 采用不同栅极绝缘材料
源/漏离子注入电阻
薄层电阻Rs在500—2000Ω／口 绝对误差精度土15％ 相对误差2％（5μm）0.15％（ 50 μm ） 温度系数400ppm/℃ 电压系数800ppm/V
CMOS模拟集成电路分析与设计 ppt课件
如果栅电压为负，则耗尽层变薄，栅 与衬底间电容增大。
对于大的负偏置，则电容接近于CGC。
PPT课件
24
1.2 MOS管的极间电容(1)
G
S
C1
C2 C4
C3
Cbs
反型层 耗尽层
d
L
d
p型衬底
D
Cbd
PPT课件
25
1.2 MOS管的极间电容(2)
栅与沟道之间的栅氧电容：
C2=WLCox，其中Cox为单位面积栅氧电容εox/tox；
CMOS模拟集成电路分析与设计
主讲教师：吴建辉 Tel：83795677
E-mail：wjh@
PPT课件
1
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：
Razavi B: Design of analog CMOS integrated circuits
11
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
PPT课件
12
1.1 MOS管几何结构与工作原理(1)
B p+
G
tox
S
D
G D
n+
n+
p+
n阱 p型衬底
(a)
S
B
p+
n+
W
多晶
d p+接触孔
PPT课件
3
模拟电路与模拟集成电路
分立元件音频放大电路
晶体管数 匹配性 电阻值 电容值 寄生效应影响
《CMOS集成电路基础》课件
智能传感器和可 穿戴设备的普及
随着智能传感器和可穿戴设 备的普及，CMOS集成电路 将在这些领域发挥重要作用 ，实现更高效、更低功耗的 数据采集和处理。
神经网络和类脑 计算的发展
CMOS集成电路将在神经网 络和类脑计算领域发挥重要 作用，推动人工智能技术的 进一步发展。
系统级芯片的广 泛应用
随着系统级芯片的广泛应用 ，CMOS集成电路将与不同 芯片和模块进行集成，实现 更高效、更低功耗的系
晶圆制备
将高纯度硅材料加工成晶圆， 作为集成电路的基底。
薄膜沉积
在晶圆表面沉积所需厚度的薄 膜，形成各种有源和无源器件
。
光刻与刻蚀
通过光刻技术将设计好的电路 版图转移到晶圆表面，然后进
行刻蚀，形成电路图形。
掺杂与退火
通过掺杂工艺在晶圆中引入不 同元素，形成PN结和导电通
道，并进行退火处理。
03
每个逻辑门电路由NMOS和PMOS晶体管组成，形成反相器或与门、或门等基 本逻辑门。
工作原理
01
CMOS集成电路的工作原理基于 NMOS和PMOS晶体管的开关特 性。当输入信号发生变化时， NMOS和PMOS晶体管会交替导
02 通和截止，从而实现逻辑功能。
CMOS电路的电压摆幅较小，因 此功耗较低。此外，CMOS电路 还具有噪声容限高、抗干扰能力 强等优点。
我们应该如何学习和掌握CMOS集成电路技术
理论与实践结合
在学习过程中，应注重理论与实践相结合 ，通过实验和项目实践加深对理论知识的
理解。
持续学习与更新知识
随着技术的不断进步，应保持持续学习的 态度，关注新技术、新工艺的发展，不断 更新自己的知识储备。
培养问题解决能力
CMOS-模拟集成电路课件-电流源与电流镜
+ VTHN+2VOD
W/(4L)
VB
-
M4
VDD
W/L
M0
W/L
M1
IREF
Z +
VOUT IOUT=IREF
W/L +
VOD -
M3
VOD -
+
W/L
+
VOD -
M2
VOD -
例4：自偏置 增加R使得 IREFR = VOD，
VGS1 = VTHN + VOD 这样,
VB= VTHN + 2VOD
IOUT
(W (W
/ L)2 / L)1
I REF
IOUT与IREF的比值由器件尺寸的比率决定，不受工艺 和温度的影响。设计者可以通过器件的尺寸比来调整 输出电流的大小。
在λ=0的情况下 ！
2024/10/19
8
• 例子:
– 在电流镜电路的实际设计中，通常采 用叉指MOS管，每个“叉指”的沟道 长度相等，复制倍数由叉指数决定， 减小由于漏源区边缘扩散所产生的误 差，以减小器件的失配造成的电流失 配。.
2024/10/19
VDD IREF
+ VOD R
-
VB = 2VOD +VTHN VOUT
IOUT=IREF
+
M0 X
VOD
M3
Y+
VGS = +
VOD
M1 VOD +VTHN M2
-
16
-
小结
• 工作在饱和区的MOS晶体管可以充当电流源 • 基本电流镜—基于电流复制 • 共源共栅电流镜—提高复制精度 • 大输出摆幅共源共栅电流源—使得输出的下限等
集成电路原理课件-cmos
集成电路原理与设计
1
微电子学
• 微电子技术是电子计算机和通信的核心技术 • 微电子技术的核心是集成电路（Integrated Circuit, IC） 技术 • 微电子学是电子学的一门分支，主要研究电子或离 子在固体材料中的运动规律及其应用 • 微电子学是以实现电路和系统的集成为目的，研究 如何利用半导体的微观特性以及一些特殊工艺，在 一块半导体芯片上制作大量的器件，从而在一个微 小面积中制造出复杂的电子系统。
I
D
dx
V 0
WC
ox
n [VGS V ( x) VTH ]dV
I/V特性的推导（3）
W 1 2 I D = nCox [(VGS - VTH )VDS - VDS ] （2.8） L 2 W VGS - VTH 称为过驱动电压； 称为宽长比 L 三极管区(线性区)
每条曲线在VDS＝VGS－VTH时取最 大值，且大小为：
CGD CGS
WLCOX WCOv 2
CGB可以忽略不计
CSB = CDB =
WE源极Cj (1 VSB /B ) WE漏极Cj (1 VDB /B )
mj mj
源极周长 C jsw (1 VSB /B )
m jsw
漏极周长 C jsw (1 VDB/B )
MOS器件电容
栅源、栅漏、栅衬电容与VGS关系
1) VGS < VTH截止区
CGD CGS WCOv
CGB W 2 L2 COX q si N sub / 4 F WLCOX Cd = 其中Cd＝WL q si N sub / 4 F WLCOX Cd WLCOX WL q si N sub / 4 F
1
微电子学
• 微电子技术是电子计算机和通信的核心技术 • 微电子技术的核心是集成电路（Integrated Circuit, IC） 技术 • 微电子学是电子学的一门分支，主要研究电子或离 子在固体材料中的运动规律及其应用 • 微电子学是以实现电路和系统的集成为目的，研究 如何利用半导体的微观特性以及一些特殊工艺，在 一块半导体芯片上制作大量的器件，从而在一个微 小面积中制造出复杂的电子系统。
I
D
dx
V 0
WC
ox
n [VGS V ( x) VTH ]dV
I/V特性的推导（3）
W 1 2 I D = nCox [(VGS - VTH )VDS - VDS ] （2.8） L 2 W VGS - VTH 称为过驱动电压； 称为宽长比 L 三极管区(线性区)
每条曲线在VDS＝VGS－VTH时取最 大值，且大小为：
CGD CGS
WLCOX WCOv 2
CGB可以忽略不计
CSB = CDB =
WE源极Cj (1 VSB /B ) WE漏极Cj (1 VDB /B )
mj mj
源极周长 C jsw (1 VSB /B )
m jsw
漏极周长 C jsw (1 VDB/B )
MOS器件电容
栅源、栅漏、栅衬电容与VGS关系
1) VGS < VTH截止区
CGD CGS WCOv
CGB W 2 L2 COX q si N sub / 4 F WLCOX Cd = 其中Cd＝WL q si N sub / 4 F WLCOX Cd WLCOX WL q si N sub / 4 F
《CMOS集成电路》PPT课件 (2)
采用电流源负载的共源级
ID 1
0 . 5 μnCO X
W L
( 1
Vi n
VTH1)2( 1λ
Vo u t)
I1
Ij
Cj
由上式可知:若I1为理想恒流,Vin↑,则 Vout↓
也可以这样理解: 静态时, I1=ID1,V0为一确定的 静态电压,Ij= 0。Vin↑,ID1↑,Ij=I1ID1<0,Cj(可以理解成是负载电容,也可以理解成 是寄生电容)放电,V0↓,反之, Vin↓,ID1↓, I =I - j 1 单级放大器 ID1>0,Cj充电,V0 ↑
≈
RD
+1
、
IX 1+(gm + gmb)r0 (gm + gmb)r0 gm + gmb
单级放大器 Ch. 3 # 12
MOS二极管连接负载的共源极
Rin=[1/(gm2+gmb2)]//r0
2
NMOS负载时
Rin=(1/gm2)//r
02
PMOS负载时
单级放大器 Ch. 3 # 13
MOS二极管连接负载的共源极（ λ＝0 ）
易见，M1的输入电压范围也很窄!
单级放大器 Ch. 3 # 18
具有阶跃偏置电流的二极管连接器件
在数字电路中,NMOS、PMOS 的栅极在开关导通时分别接“1”、 “0”电平,截止时刚好相反,两种开 关并联即构成CMOS传输门。
• 若 I1 越来越小, VGS 越来越接近 VTH • I1越来越接近 0时, 忽略漏电流的影响, 我们有：
g m ro 1
2 μnCo xID
W L
1
1
λ1ID
W •L ID
CMOS集成电路设计基础实用PPT课件
即 UGDP=|Ui-Uo|<|UTHP|
第31页/共76页
3. CD段 当Ui进一步增大， 且满足 Uo+|UTHP|≤Ui≤Uo+UTHN N管和P管的电流相等， 根据电流方程：
I DN
nCox
2
W L
N
(UGSN
UTHN )2
I DP
pCox
2
W L
N
(U
GSP
UTHP )2
第21页/共76页
CMOS传输门的直流传输特性
CMOS传输门的直流传输特性如图 所示， 它不存在阈值损失问题： (1) 当UGN=“0”， UGP=“1”时， N管、 P管均截止， Uo=0。
(2) 当UGN=“1”, UGP=“0”时， Ui由“0”升高到“1”的过程分为以下三个阶段(分析中， 设“1”为UDD=5Ｖ， “0”为接地(0 V）， UTHN=|UTHP|=0.9 V):
PD1
1 Tc
T1 0
(iDP
UDSP )dt
T2 0
(iDN
U DSN
)dt
iDP iDN
CL
dUo dt
式中Tc为输入信号周期
UDSP UDD Uo
功率延时积
功率延时积（PDP） =E=每操作消耗的能量=Pav×tp
能量延时积
能量延时积（EDP） =门的品质（度量）因子= E×tp
第10页/共76页
功（热）耗对设计的要求： 功耗影响设计：封装、冷却、电源线尺寸、电源容量、集 成度 功耗影响电路的可行性、成本、可靠性。 峰值功耗（确定电源线尺寸）、平均功耗（确定冷却、对 电池要求） 动态功耗（翻转功耗）、静态功耗（漏电功耗） 传播延时与功耗的关系：功耗延时积、能量延时积
第31页/共76页
3. CD段 当Ui进一步增大， 且满足 Uo+|UTHP|≤Ui≤Uo+UTHN N管和P管的电流相等， 根据电流方程：
I DN
nCox
2
W L
N
(UGSN
UTHN )2
I DP
pCox
2
W L
N
(U
GSP
UTHP )2
第21页/共76页
CMOS传输门的直流传输特性
CMOS传输门的直流传输特性如图 所示， 它不存在阈值损失问题： (1) 当UGN=“0”， UGP=“1”时， N管、 P管均截止， Uo=0。
(2) 当UGN=“1”, UGP=“0”时， Ui由“0”升高到“1”的过程分为以下三个阶段(分析中， 设“1”为UDD=5Ｖ， “0”为接地(0 V）， UTHN=|UTHP|=0.9 V):
PD1
1 Tc
T1 0
(iDP
UDSP )dt
T2 0
(iDN
U DSN
)dt
iDP iDN
CL
dUo dt
式中Tc为输入信号周期
UDSP UDD Uo
功率延时积
功率延时积（PDP） =E=每操作消耗的能量=Pav×tp
能量延时积
能量延时积（EDP） =门的品质（度量）因子= E×tp
第10页/共76页
功（热）耗对设计的要求： 功耗影响设计：封装、冷却、电源线尺寸、电源容量、集 成度 功耗影响电路的可行性、成本、可靠性。 峰值功耗（确定电源线尺寸）、平均功耗（确定冷却、对 电池要求） 动态功耗（翻转功耗）、静态功耗（漏电功耗） 传播延时与功耗的关系：功耗延时积、能量延时积
1_第一章_CMOS集成电路制造工艺基础精品课件
（1）离子注入 随着VLSI超细加工技术的发展，离子注入工艺已经成为半导
体掺杂和隔离注入的主流工艺技术。 离子注入首先将杂质元素的原子离子化，使其成为带电的杂质
离子，然后用电场加速使其有很高的能量，并用这些杂质离子直接 轰击半导体基片，从而达到掺杂的目的。优点有： ☆ 掺杂可精确控制，横向扩散小，重复性好，可以制作精确的电 阻，调节MOS管阈值电压。 ☆ 离子注入为室温工艺，只在修复硅晶格缺陷的“退火”过程才 要求高温。 ☆ 可以通过SiO2薄层注入，因此在注入时和注入后，被掺杂的材 料都不会暴露在污染物中而免受污染。而扩散工艺则必须将表面的 二氧化硅或氮化硅薄层去掉。
（2）化学气相淀积：
将一种或几种化学气体，以某种方式激活后在衬底表面发生化 学反应，从而在衬底表面生成SiO2，主要有用“硅烷”和“氧”反 应。
3. 掺杂工艺
掺杂工艺就是半导体基底的一定区域掺入一定浓度
的杂质，形成不同类型的半导体层，来制作各种元器件。 掺杂工艺是集成电路制造中最主要的基础工艺之一。掺 杂工艺主要有“扩散工艺”和“离子注入工艺”两种。
（3）作为器件与器件，层与层之间的隔离材料，成为“场氧”，“场 氧”的厚度要远远大于“栅氧”的厚度，一般超过10 000A。
（4）作为器件表面的保护膜，成为“钝化”。在硅的表面覆盖一层 SiO2薄膜，可以使硅表面免受后续工艺可能带来的污染及划伤，也 消除了环境对硅表面的直接影响，起到钝化表面，提高集成电路可 靠性、稳定性和减小噪声的作用。
（1）扩散工艺
利用物质微粒总是从浓度高处向浓度低处作扩散 运动的特性，实现掺杂目的的工艺为扩散工艺。在 800~1200℃的高温扩散炉中，杂质原子从硅材料表面向 材料内部扩散，一般施主杂质元素有磷P、砷As等，受 主杂质元素有硼B、铟C等。为减小少数载流子的寿命， 也可掺入少量的金。
体掺杂和隔离注入的主流工艺技术。 离子注入首先将杂质元素的原子离子化，使其成为带电的杂质
离子，然后用电场加速使其有很高的能量，并用这些杂质离子直接 轰击半导体基片，从而达到掺杂的目的。优点有： ☆ 掺杂可精确控制，横向扩散小，重复性好，可以制作精确的电 阻，调节MOS管阈值电压。 ☆ 离子注入为室温工艺，只在修复硅晶格缺陷的“退火”过程才 要求高温。 ☆ 可以通过SiO2薄层注入，因此在注入时和注入后，被掺杂的材 料都不会暴露在污染物中而免受污染。而扩散工艺则必须将表面的 二氧化硅或氮化硅薄层去掉。
（2）化学气相淀积：
将一种或几种化学气体，以某种方式激活后在衬底表面发生化 学反应，从而在衬底表面生成SiO2，主要有用“硅烷”和“氧”反 应。
3. 掺杂工艺
掺杂工艺就是半导体基底的一定区域掺入一定浓度
的杂质，形成不同类型的半导体层，来制作各种元器件。 掺杂工艺是集成电路制造中最主要的基础工艺之一。掺 杂工艺主要有“扩散工艺”和“离子注入工艺”两种。
（3）作为器件与器件，层与层之间的隔离材料，成为“场氧”，“场 氧”的厚度要远远大于“栅氧”的厚度，一般超过10 000A。
（4）作为器件表面的保护膜，成为“钝化”。在硅的表面覆盖一层 SiO2薄膜，可以使硅表面免受后续工艺可能带来的污染及划伤，也 消除了环境对硅表面的直接影响，起到钝化表面，提高集成电路可 靠性、稳定性和减小噪声的作用。
（1）扩散工艺
利用物质微粒总是从浓度高处向浓度低处作扩散 运动的特性，实现掺杂目的的工艺为扩散工艺。在 800~1200℃的高温扩散炉中，杂质原子从硅材料表面向 材料内部扩散，一般施主杂质元素有磷P、砷As等，受 主杂质元素有硼B、铟C等。为减小少数载流子的寿命， 也可掺入少量的金。
《CMOS集成电路》课件
模拟转换芯片
解释模拟转换芯片的用途和原理，以及它们在音 频和视频设备中的应用。
双稳态器芯片
介绍双稳态器芯片的电路结构和功能，以及它们 在计算机和通信系统中的应用。
传感器芯片
探讨各种类型的传感器芯片，如压力传感器、加 速度传感器和温度传感器，以及它们的应用领域。
CMOS逻辑门电路的分类
1
MOSFET逻辑门电路
讲解超高速电路、生物传感器、 物联网、大数据和深度学习芯 片等最新应用领域。
3 功率、面积与成本的平衡
介绍集成电路设计中如何平衡功率、面积和成本的因素。
CMOS集成电路未来的发展趋势
更高的集成度
探讨降低功耗、提高性能和增 加功能方面集成度亟待改进的 原因和措施。
更绿色的设计理念
探讨智能节能技术和低功耗微 控制器的应用，以及如何保证 集成电路的长期可持续发展。
更广泛的应用领域
CMOS集成电路
介绍CMOS集成电路的基本概念和主要内容。
CMOS工艺的基本原理
晶体管的结构及工作原理
讲解晶体管的基本概念以及如何 控制电流和电压。
掺杂技术
探讨如何通过硅等半导体元素的 掺杂实现集成电路的制造。
电路板的制作
解释电路板和晶体管制作的关系， 介绍如何利用电路板制造电路。
CMOS逻辑门电路
睡眠模式技术
讲解低功耗芯片通过控制睡眠模 式来降低功耗的原理和方法。
功率管理技术
介绍低功耗设备的功率管理技术， 包括智能功率管理芯片和供电管 理器。
CMOS集成电路中的功耗与热效应问题
1 功耗的来源
讲解集成电路的功耗来源，包括开关电容、导通电阻和截止电流。
2 热效应的影响
探讨温度对集成电路性能的影响，以及如何通过降低功耗或者散热来解决热效应问题。
解释模拟转换芯片的用途和原理，以及它们在音 频和视频设备中的应用。
双稳态器芯片
介绍双稳态器芯片的电路结构和功能，以及它们 在计算机和通信系统中的应用。
传感器芯片
探讨各种类型的传感器芯片，如压力传感器、加 速度传感器和温度传感器，以及它们的应用领域。
CMOS逻辑门电路的分类
1
MOSFET逻辑门电路
讲解超高速电路、生物传感器、 物联网、大数据和深度学习芯 片等最新应用领域。
3 功率、面积与成本的平衡
介绍集成电路设计中如何平衡功率、面积和成本的因素。
CMOS集成电路未来的发展趋势
更高的集成度
探讨降低功耗、提高性能和增 加功能方面集成度亟待改进的 原因和措施。
更绿色的设计理念
探讨智能节能技术和低功耗微 控制器的应用，以及如何保证 集成电路的长期可持续发展。
更广泛的应用领域
CMOS集成电路
介绍CMOS集成电路的基本概念和主要内容。
CMOS工艺的基本原理
晶体管的结构及工作原理
讲解晶体管的基本概念以及如何 控制电流和电压。
掺杂技术
探讨如何通过硅等半导体元素的 掺杂实现集成电路的制造。
电路板的制作
解释电路板和晶体管制作的关系， 介绍如何利用电路板制造电路。
CMOS逻辑门电路
睡眠模式技术
讲解低功耗芯片通过控制睡眠模 式来降低功耗的原理和方法。
功率管理技术
介绍低功耗设备的功率管理技术， 包括智能功率管理芯片和供电管 理器。
CMOS集成电路中的功耗与热效应问题
1 功耗的来源
讲解集成电路的功耗来源，包括开关电容、导通电阻和截止电流。
2 热效应的影响
探讨温度对集成电路性能的影响，以及如何通过降低功耗或者散热来解决热效应问题。
CMOS模拟集成电路—振荡器(课堂PPT)
A1反馈固定VDS，M3和M4跟随M5的
30.05.2020导通电阻。
13
• 4.1 环形振荡器调节（续）
▪正反馈引起的延时变化 半边电路等效： I1↑→|-1/gm3,4|↓ →（ -1/gm3,4）||R1,2=R/(1-gm3,4R)↑ →fosc ↓
缺点：R1R2上的电流在控制过程中会发 生变化，输出摆幅在调节范围内变化
谐振时， Avgm1RP
接成反馈形式，谐振时，总相移等于180， 所以不能振荡
30.05.2020
10
• 3.3 交叉耦合振荡器
起振条件： 谐振时，总相移为0
gm 1RP1gm 2RP21
30.05.2020
11
• 定义
4、压控振荡器
▪中心频率 ▪调节范围ω2－ ω1
▪调节线性度
▪输出摆幅
▪功耗 ▪电源与共模抑制
15
• 4.1 环形振荡器调节（续）
▪正反馈引起的延时变化（续）
为了避免消耗了额外的电压余度， 采用电流折叠结构
30.05.2020
16
• 4.1 环形振荡器调节（续）
▪插值法改变延迟
快路径导通，慢路径关断，产生最大振荡频率； 快路径关断，慢路径导通，产生最小振荡频率； Vcont落在两极中间时，产生中间振荡频率。
LC
实际（有损）并联LC回路含电阻成份
品质因数
Q L1 RS
阻抗
30.05.2020
8
• 3.1 LC振荡回路（续）
串联→并联 在较窄的频率范围内ZS＝ZP
得到
LP
L11L1R2S22
L1
RP
L122
RS
Q2RS
谐振频率
CMOS集成电路工艺流程PPT(共54页)
•
23、恨别人，痛苦的却是自己。
•
24、每天醒来，敲醒自己的不是钟声， 而是梦 想。
•
25、你不能拼爹的时候，你就只能去拼 命！
•
26、如果人生的旅程上没有障碍，人还 有什么 可做的 呢。
•
27、我们无法选择自己的出身，可是我 们的未 来是自 己去改 变的。 励志名 言：比 别人多 一点执 着，你 就会创 造奇迹
21
典型CMOS工艺流程图
22
典型CMOS工艺流程图
23
典型CMOS工艺流程图
24
典型CMOS工艺流程图
25
典型CMOS工艺流程图
26
典型CMOS工艺流程图
27
典型CMOS工艺流程图
28
典型CMOS工艺流程图
29
典型CMOS工艺流程图
30
典型CMOS工艺流程图
31
典型CMOS工艺流程图
•
5、人生每天都要笑，生活的下一秒发生 什么， 我们谁 也不知 道。所 以，放 下心里 的纠结 ，放下 脑中的 烦恼， 放下生 活的不 愉快， 活在当 下。人 生喜怒 哀乐， 百般形 态，不 如在心 里全部 淡然处 之，轻 轻一笑 ，让心 更自在 ，生命 更恒久 。积极 者相信 只有推 动自己 才能推 动世界 ，只 要推动 自己就 能推动 世界。
•
3、起点低怕什么，大不了加倍努力。人 生就像 一场马 拉松比 赛，拼 的不是 起点， 而是坚 持的耐 力和成 长的速 度。只 要努力 不止， 进步也 会不止 。
•
4、如果你不相信努力和时光，那么时光 第一个 就会辜 负你。 不要去 否定你 的过去 ，也不 要用你 的过去 牵扯你 的未来 。不是 因为有 希望才 去努力 ，而是 努力了 ，才能 看到希 望。
CMOS集成电路工艺与图实用PPT课件
2、器件尺寸设计
MOS管中电流由源极流向漏极。 沟道中电流流过 的距离为沟道长度； 截面尺寸为沟道 宽度。
沟道宽度 W
沟道长度 L
电流方向
第6页/共61页
• 设计中，常以宽度和长度值的比例式即宽长比（W/L）表示器件尺寸。 • 例：假设一MOS管，尺寸参数为20/5。则在版图上应如何标注其尺寸。
三个或三个以上MOS管并联。 类似大尺寸MOS管的拆分连接
源和漏的并联都用金属连接（叉指型）
第50页/共61页
（3）MOS管的复联 复联是同时存在MOS管串联和并联的情况。
第51页/共61页
二、集成电路版图设计方法
• 棒状图设计 ： • 为了方便地从电路中得到最有效的源漏共用版图，可以使用“棒状图设计”，在
第10页/共61页
注意：
• 不同软件对图层名称定义不同； • 严格区分图层作用。
版图图层名称 cc（或cont）
Via
含义
引线孔（连接金属与多晶硅 或有源区）
通孔（连接第一和第二层金 属）
第11页/共61页
• N阱—M —NOWSE器LL 件版图图层 • P型注入掩模——PSEL— ECT—PMOS
电路图
N1和N0串联版图 N1、 N0版图
第46页/共61页
任意个MOS管串联。 例如3个MOS管串联的版图。
电路图
版图
第47页/共61页
（2）MOS管并联(并联是指它们的源和源连 接，漏和漏连接，各自的栅还是独立的。)
栅极水平放置
电路图
版图
第48页/共61页
栅极竖直方向排列 电路图
版图
第49页/共61页
第27页/共61页
6、大尺寸器件的设计
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数, 因此对前级的摆幅要求大大
降低。
例: 若两级运放AI=100, AII=400(即AV=92dB), 假定输出 V0=±10V, 则第二级的输入电压范围(也即第一级的输出 电压摆幅)仅需为: ±10V/400= ±25mV。第一级的小信号 输入范围仅为: ±25mV/100 =250μV。
差动放大器4 # 10
=
gmRD 2
Vin1
(VX-VY ) |Vin1=∆Vin=-gmRD
∆Vin (VX-VY ) |Vin2=-∆Vin=-gmRD ∆Vin
因电路对称,故除了极性相反外,Vin2在X和Y点产生的作用和 VViinn11和效V果in一2共样同: 作用时, (VX-VY )的增益为:
(VX - V )| Y Vin1=ΔVin +(VX - V )| Y Vin2=-ΔVin Vin1 - Vin2
差动消工除作了还!有什么优点?
差动放大器4 # 3
小结：差分放大器的优点
VX电源噪声对单端电路产生的干扰 VY
差动信号的优点： 1. 能有效抑制共模噪声。
差动输出时电 源噪声产生的 干扰消除了
2. 增大了输出电压摆幅(是单端输出的两倍)。
3. 偏置电路更简单(差分对可以直接耦和)、输出线性度更高。
RD
Δ VY Δ Vi n ,C M
1
gm 2 gm
R
S
S
(
RD
Δ RD )
因电阻失配，共模电压的变 化在输出端产生了一个差动 成分，我们说电路表现出共 模到差模的变换。此时若输 入既有差模信号又有共模噪 声，则输入共模的变化就会 损害放大的差模信号。
基本差分对的定量分析(1)
在左图的电阻负载基本差动对中, 记:
△Vin=Vin1-Vin2, 且 1= 2=
=μnCOX(W/L) ,假定M1和M2均工作在
饱和区,ISS为理想恒流源,则由平方律关
系有:
Q ID =β2(VGS - VTN )2 VGS =
2ID β
+ VTN
ΔVin = VGS1 - VGS2 =
上式表明，由差动信号驱动的差动电路不会产生偶次谐波 ，因此差分电路比单端电路表现出了更小的非线性。
5. 因：ΔID =β2ΔVin
4ISS β
-ΔVin2
静态时△Vin ＝0， Gm为
：
Gm = βISS =
2β(ISS ) 2
又V01-V02＝RD △ID ＝ RD Gm
M1、M2的等效跨导Gm为
：
Gm
=
ΔID ΔVin
=
2ISS -βΔVin2
4ISS β
-ΔVin2
AV = βISS R D =
△Vin
2β(
ISS 2
)R
D
，故平衡态下的小信号差动电压增益AV
差动放大器4 # 14
为：
最大输入差模电压△VID与过驱动电压Von的关系
(W/L) ,△VI D AV 电 路线性
ISS ,△VID
QΔID2 =(ID1 - ID2 )2 =(ID1 + ID2 )2 - 4ID1ID2 = ISS2 -(ISS -β2ΔVin2)2
2
4
ΔVin
4
βISSΔVin2
2ΔVin2
4
( 4ISS β
ΔVin2 )
ΔID =β2ΔVin
4ISS β
-ΔVin2
这是个重要公式, 可 由此得出以下结论:
由此可见，差分对是以更大的功耗来获取抗干扰能力、更好 的线性。然而，若不使用差分对，即使将CS放大器功耗增 加一倍，也不可能获得与差分对相同的特性。
差动放大器4 # 20
差动对的“虚地”概念
在上图所示的对称电路中，其中D1和D2表示任何三端有源 器件，假定Vin1从V0变化到V0+△Vin，假定Vin2从V0变 化到 V0-△Vin，如果电路仍保持线性，则VP值不变。
求：最大差模输入电压是多少？
差动放大器4 # 12
基本差分对的定量分析(3)
求最大差模输入电压.假定△Vinmax时，M1上通过的电流恰好 为ISS，M2刚好截至，即VGS2=VTN，此时有：
VGS1 =
2ISS β
+
VTN
ΔVinmax = VGS1 - VGS2 =
2ISS β
同理，M1恰好截至，M2上通过的电流恰好为ISS时，此时有
Av
Vo u t Vi n ,C M
RD/2 1/( 2gm ) RSS
差动放大器4 # 25
例4.6 共模输入电压变化带来的影响
左图中用一个电阻来提供1mA的尾电流,已
知(W/L)=25/0.5,
nCOX=50 A/V2,VT=0.6V, = =0, V如D果DR=S3SV上。的求压：降保持在0.5V,则输入共模
不好时, 随着共模电平VinCM的变 化, M1 和M2的偏置电流会变化, 从 而导致跨导和输出共模电平变化,
跨导的变化会改变小信号增益, 输
出共模电平相对于理想值的偏离会
降低最大允许输出摆幅, 严重时会
导致输出端出现严重失真, 因此, 重
要的是应使M1 和M2的偏置电流受
输入共模电平对输出的影响 输入共模电平的影响尽可能小。
压范围 。
差动放大器4 # 15
差分放大器的增益
Gm
=
ΔID ΔVin
=
2ISS -βΔVin2
4ISS β
-ΔVin2
AV
=
V01 - V02 Vin1 - Vin2
=
βISS RD =
2β(ISS 2
)R
D
同单级CS放大器的增益
G m = βISS =
2β(ISS ) 2
漏极电流和Gm随输入电压变化曲线
， AV 电
∵ ΔVID =
2ISS β
路线性
Von1,2 = VGS - VTN =
ISS = ΔVID β2
右式表明若增加△VID来 使电路具有更好的线性不 可避免会使M1和M2的过
电压Von ，对于给定的ISS，这只驱能动靠减小(W/L) (也即减小
跨导，从而减小放大器增益)来实现。Von 会使输入共模电
=
gm1R L1R D1 1 + gm1RL1
Vin
=
Vin
器 利用CG放大器已有公式:
A VX
=
g m2R D 1+ gm2RT
=
gmRD 2
VY
=
A VX VT
=
gmRD 2
Vin
差动放大器4 # 18
差分对的小信号特性(3)
VX
=
A VX Vin1
=
-
gmRD 2
Vin1
VY
=
A VX VT
如何减小输入共模电平变化的影响呢?
差动放大器4 # 5
基本差动对
Vin1Vin2足够 负, M1截 止, M2导 通
Vin1Vin2相 差不大 时, M1 和M2均 导通
Vin1Vin2足够 正, M1导 通, M2截 止
△Vin
ΔVin =
2ISS
μnCOX
W L
Vin1=Vin2 时,小信号增益(即斜率)最
差动放大器4 # 6
基本差动对的重要特性
差动对的两个重要特性:
1. 输出端的最大和最小电平是确 定的(分别为VDD和VDD RDISS) 。它们与共模输人电平 2. 无小关信。号增益当Vin1= Vin2时达到 最大,且随着| Vin1- Vin2 | 的增加而 逐渐减小到零。也就是说, 随着输 入电压摆幅的增大,电路变得更加非 线性。当Vin1= Vin2时, 我们说电路 处于平衡状态, 即静态。
第四章 差动放大器
差动放大器4 # 1
4.1单端与差动的工作方式
共模电平
单端信号的参考电位为某一固定电位(通常为地电位), 差动信 号定义为两个结点电位之差, 且这两个结点的电位相对于某一 固定电位大小相等,极性相反。在差动信号中, 中心电位称为“ 共模”(CM)电平。
差动工作比单端工作有什么优点?
差动放大器4 # 17
差分对的小信号特性(2)
利用叠加定 理,先考虑
RT
=
1 g m1
=
1 gm
Vin1的作用 ,再 利求用小VY信号等
VT=Vi n
效电路,可求得: RL1 求开路电压VT
这是CG放大
VR L1
=
gm1R L1R D1 1 + gm1R L1
Vin
VT
=
lim V RL1 →∞ RL1
差动放大器4 # 7
基本差分对的共模特性
当VP≤Vb-VTN时, M3工作在线性区,等 效于一个小电阻
VinCMmin 为保证M1和M2饱和, VinCMmin=?, VinCMmax
差动放大器4 # 8
差动对小信号差动增益与共模输入电平的关系
VinCMmin
VinCMmax
产生ISS的MOS管线性
差动放大器4 # 16
差分对的小信号特性(1)
RD1＝RD2=RD gm1＝gm2=gm
利用叠加定 理,先考虑 Vin1的作用 ,先求VX
这是带负反馈 电阻RS的CS 放大器
RS
=
1 g m2
=
1 gm
A VX
=
- gmRD 1+ gmRS
=
-
gmRD 2
VX
=
A VX Vin1
=
-
gmRD 2
Vin1
差动放大器4 # 2