模拟cmos集成电路设计(拉扎维)第2章MOS器件物理基础PPT课件

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

体设V效计TH应复，杂而化体，M效 器S 应件是工2我艺们学F 所家不通Q C希过O deX望权p 的衡，N因suVb为T和H 阈CV值OTXH电0来压使的( 变取2化得F经一常V个SB使合模理拟的2电值F路。)
其中， 2qsi Nsub / COX ，称为体效应系数
沟道长度调制效应
描述： 当栅漏之间的电压差增大时，实际的反型沟道长度逐渐减小。
由式
ID
1 2
nCOX
W L
(VGS
VTHΒιβλιοθήκη )2可知，L是
VDS
的函数
,即上述的沟道长度调制效应
若定义 L L L（L 较小）且L / L 和VDS 之间的关系是线性的,则
ID
1 2
nCOX
W L
(VGS
VTH
)2 (1 VDS )
是沟道长度调制系数，表示给定的 VDS 增量所引起的沟道长度的相对变化量
COX W (VGS VTH )
(b) VDS 0
时,源漏存在电压差，因此，
沿沟道x点处的电荷密度为
Qd (x) COX W (VGS VTH V (x))
I D WC OX [VGS VTH V (x)]
ID
WCOX [VGS
VTH
V (x)]n
dV (x) dx
对应的边界条件为 V (0) 0,V (L) VDS ,两边积分得
• 模拟电路对噪声、串扰和其他干扰比数字电路要敏感的多。
• 器件的二级效应对模拟电路的影响比数字电路要严重的多。
• 高性能模拟电路的设计很少能自动完成，而许多数字电路都 是自动综合和布局的。
• 模拟电路的许多效应的建模和仿真仍然存在问题，模拟设计 需要设计者利用经验和直觉来分析仿真结果。

模拟集成电路设计绪论 Ch. 1 # 26
重邮光电工程学院
考虑沟道调制效应后的跨导gm
λ ∝1/L ∂ID/∂VDS∝ λ /L∝1/L2
W gm nCox (VGS VTH )(1 VDS) L gm 2nCox W L I D
(1 VDS)
2 ID , (unchanged) gm VGS VTH
重邮光电工程学院
模拟CMOS集成电路设计
[美] 理查德· 拉扎维 著
西安交通大学出版社
©2003
重邮光电工程学院
第一章
模拟集成电路设计绪论
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 2
重邮光电工程学院
自然界信号的处理
高速、高精度、低功耗ADC的设 计是模拟电路设计中的难题之一
高性能放大器和滤波器 设计也是热点研究课题
沟道未夹断条件
边界条件:V(x)|x=0=0, V(x)|x=L=VDS
模拟集成电路设计绪论 Ch. 1 # 9
重邮光电工程学院
NMOS沟道电势示意图（2）
dq(x) CoxWdx[vGS v (x) VTH ]
边界条件:V(x)|x=0=0, V(x)|x=L=VDS
模拟集成电路设计绪论 Ch. 1 # 10
传送端 接收端
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 5
重邮光电工程学院
磁盘驱动电子学
存储数据
恢复数据
硬盘存储和读出后的数据
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 6
重邮光电工程学院
无线接受机
无线接收天线接收到的信号(幅度只有几微伏)和噪声频谱 接收机放大低电平信号时必须具有极小噪 声、工作在高频并能抑制大的有害成分
模拟设计困难的原因是什么（1）？

工作状态，MOS管所有pn 结必须反偏（或零偏）: *N-SUB必须接最高电位VDD！ *P-SUB必须接最低电位VSS！ *阱中MOSFET衬底常接源极S
Ch. 2 # 7
Design of Analog CMOS Integrated Circuits
例：判断制造下列电路的衬底类型
Ch. 2 # 8
2.2.1 NMOS器件的阈值电压VTH
(a)栅压控制的MOSFET，栅 和衬底形成一个电容器
(b) VG 增大，P衬底中的空穴被赶离 栅区而留下负离子，形成耗尽区
当VG大到一定程 度时，电子被吸引到 界面处，形成导电沟 道（反型层） (c)反型的开始 (d)反型层的形成 VTH定义为表面电子浓度等于衬底多子浓度时的VG Ch. 2 # 11
Ch. 2 # 12
Design of Analog CMOS Integrated Circuits
阈值电压VTH的调整
MOS管导通，VGS>VTH，若 VTH=0，则MOS不关断
在器件制造过程中，通过向沟 道区注入杂质来调整阈值电压 VTH0 ，即改变氧化层界面附近 衬底的掺杂浓度。 但工艺确定后，VTH0确定，设 计者无法改变
Design of Analog CMOS Integrated Circuits
2.1.3 MOS符号
四端器件，模拟设计中 常用，需明确B端连接
当B、S短接时，省掉B端
数字电路用，只需 区别MOS管类型
NMOS器件B接地，PMOS器件B接VDD MOS器件具有高输入阻抗 一般源漏对称，怎样区分？
推导时沟道未夹断：
VGD =VGS -VDS≥VTH ⇒ VDS≤VGS -VTH
Ch. 2 # 23