CMOS模拟集成电路设计ch2器件物理ppt课件

模拟模拟CMOS集成电路设计集成电路设计第第 2 章章 MOS器件物理基础器件物理基础模拟CMOS集成电路设计第 2 章 MOS器件物理基础12.1 基本概念基本概念2 2漏漏漏漏（D:drainD:drain）、栅栅栅栅（G:gateG:gate）、源源源源（S:sourceS:source）、衬底、衬底、衬底、衬底（B:bulkB:bulk）GGS SD DMOSFETMOSFET：一个低功耗、高效率的开关一个低功耗、高效率的开关一个低功耗、高效率的开关一个低功耗、高效率的开关2.1 基本概念2漏（D:drain）、栅（G:ga2 MOS符号符号3 3模拟电路中常用符号模拟电路中常用符号模拟电路中常用符号模拟电路中常用符号数字电路中常用数字电路中常用数字电路中常用数字电路中常用MOSFET是一个是一个四端四端器件器件 MOS符号3模拟电路中常用符号数字电路中常用MOSFET是32.2 MOS的的I/V特性特性n n沟道的形成沟道的形成沟道的形成沟道的形成4 42.2 MOS的I/V特性沟道的形成445 5n n阈值电压阈值电压阈值电压阈值电压V VTHTHn nNMOSNMOS管的阈值电压通常定义为界面的电子浓度等于管的阈值电压通常定义为界面的电子浓度等于管的阈值电压通常定义为界面的电子浓度等于管的阈值电压通常定义为界面的电子浓度等于P P型衬底的多子浓度时的栅极电压。型衬底的多子浓度时的栅极电压。型衬底的多子浓度时的栅极电压。型衬底的多子浓度时的栅极电压。在基础分析中，假定在基础分析中，假定在基础分析中，假定在基础分析中，假定V VGSGS大于大于大于大于V VTHTH时，器件会突然导通。时，器件会突然导通。时，器件会突然导通。时，器件会突然导通。通常通过沟道注入法来改变阈值电压的大小。通常通过沟道注入法来改变阈值电压的大小。通常通过沟道注入法来改变阈值电压的大小。通常通过沟道注入法来改变阈值电压的大小。5阈值电压VTH在基础分析中，假定VGS大于VTH时，器件会56 6n nMOSMOS器件的器件的器件的器件的3 3个工作区个工作区个工作区个工作区1.1.1.1.截止区截止区截止区截止区 cutoffcutoffcutoffcutoffV VGSGSVVTHTH6MOS器件的3个工作区1.截止区 cutoffVGSV67 72.2.2.2.线性区线性区线性区线性区 triode or linear region triode or linear region triode or linear region triode or linear region MOSFET MOSFET 处于线性区处于线性区处于线性区处于线性区72.线性区 triode or linear regio7Derivation of I/V Characteristics8 8Derivation of I/V Characterist8I/V Characteristics(cont.)9 9I/V Characteristics(cont.)99I/V Characteristics(cont.)1010I/V Characteristics(cont.)10101111深三极管区深三极管区深三极管区深三极管区线性区的线性区的线性区的线性区的MOSFETMOSFET等效为一个线性电阻（导通电阻等效为一个线性电阻（导通电阻等效为一个线性电阻（导通电阻等效为一个线性电阻（导通电阻RonRon）11深三极管区线性区的MOSFET等效为一个线性电阻（导通电1112123.3.3.3.饱和区饱和区饱和区饱和区 active or saturation regionactive or saturation regionactive or saturation regionactive or saturation region 过驱动电压过驱动电压过驱动电压过驱动电压 Vov Vov 有效电压有效电压有效电压有效电压Veff Veff 过饱和电压过饱和电压过饱和电压过饱和电压 VsatVsat一个重要的概念一个重要的概念一个重要的概念一个重要的概念（V VGSGS-V-VTH TH ）123.饱和区 active or saturation 121313饱和区内，电流近似只与饱和区内，电流近似只与 W/L 和过饱和电压和过饱和电压VGS-VTH 有关，不随源漏电压有关，不随源漏电压VDS变化变化因此在因此在VGS不变的条件下不变的条件下MOSFET可以等效为可以等效为恒流源恒流源13饱和区内，电流近似只与 W/L 和过饱和电压VGS-VT13跨导是小信号跨导是小信号跨导是小信号跨导是小信号(AC)(AC)参数，用来表参数，用来表参数，用来表参数，用来表征征征征MOSFETMOSFET将电压变化转换为电流将电压变化转换为电流将电压变化转换为电流将电压变化转换为电流变化的能力。反映了器件的灵敏度变化的能力。反映了器件的灵敏度变化的能力。反映了器件的灵敏度变化的能力。反映了器件的灵敏度 V VGSGS对对对对I ID D的控制能力。的控制能力。的控制能力。的控制能力。1414引入重要的概念引入重要的概念 跨导跨导跨导跨导 g gmmtransconductanctransconductance e利用这个特点可以实现利用这个特点可以实现利用这个特点可以实现利用这个特点可以实现信号的放大信号的放大信号的放大信号的放大如果在栅极上加上信号，则如果在栅极上加上信号，则如果在栅极上加上信号，则如果在栅极上加上信号，则 饱和区的饱和区的饱和区的饱和区的MOSFETMOSFET可以看作是可以看作是可以看作是可以看作是受受受受V VGSGS控制的电流源控制的电流源控制的电流源控制的电流源跨导是小信号(AC)参数，用来表14引入重要的概念 跨导 g14151515151616到此为止，我们已经学习了到此为止，我们已经学习了到此为止，我们已经学习了到此为止，我们已经学习了MOSFETMOSFET的三种用途：的三种用途：的三种用途：的三种用途：开关管开关管开关管开关管恒流源恒流源恒流源恒流源放大管放大管放大管放大管分别处在什么工作区？分别处在什么工作区？分别处在什么工作区？分别处在什么工作区？16到此为止，我们已经学习了MOSFET的三种用途：开关管恒161717怎么判断怎么判断怎么判断怎么判断MOSFETMOSFET处在什么工作区？处在什么工作区？处在什么工作区？处在什么工作区？方法二：方法二：方法二：方法二：（源极电压不（源极电压不（源极电压不（源极电压不方便算出时）方便算出时）方便算出时）方便算出时）比较比较比较比较栅极栅极栅极栅极VgVg和和和和漏端漏端漏端漏端VdVd的电压的电压的电压的电压高低高低高低高低方法一：方法一：方法一：方法一：比较比较比较比较源漏电压源漏电压源漏电压源漏电压VdsVds和过饱和电和过饱和电和过饱和电和过饱和电压压压压VsatVsat的高低的高低的高低的高低17怎么判断MOSFET处在什么工作区？方法二：方法一：17图中图中图中图中MOSMOS管的作用是什么？应该工作在什么工作区？管的作用是什么？应该工作在什么工作区？管的作用是什么？应该工作在什么工作区？管的作用是什么？应该工作在什么工作区？1818思考题思考题思考题思考题图中MOS管的作用是什么？应该工作在什么工作区？18思考题18即即即即NMOSNMOS开关不能传递最高电位，仅开关不能传递最高电位，仅开关不能传递最高电位，仅开关不能传递最高电位，仅对低电位对低电位对低电位对低电位是比较是比较是比较是比较理想的开关理想的开关理想的开关理想的开关相对的，相对的，相对的，相对的，PMOSPMOS开关不能传递最低电位，仅开关不能传递最低电位，仅开关不能传递最低电位，仅开关不能传递最低电位，仅对高电位对高电位对高电位对高电位是比较是比较是比较是比较理想的开关理想的开关理想的开关理想的开关1919即NMOS开关不能传递最高电位，仅对低电位是比较理想的开关相19202020202.3 二级效应二级效应n n体效应体效应体效应体效应 在前面的分析中在前面的分析中在前面的分析中在前面的分析中，我们未加说明地假定衬底和源都是接我们未加说明地假定衬底和源都是接我们未加说明地假定衬底和源都是接我们未加说明地假定衬底和源都是接地的（地的（地的（地的（for NMOSfor NMOS）。实际上）。实际上）。实际上）。实际上当当当当V VB BVVS S时，器件仍能正常时，器件仍能正常时，器件仍能正常时，器件仍能正常工作，但是随着工作，但是随着工作，但是随着工作，但是随着V VSBSB的的的的增加增加增加增加，阈值电压，阈值电压，阈值电压，阈值电压V VTHTH会随之增加，会随之增加，会随之增加，会随之增加，这这这这种体电位（相对于源）的变化影响阈值电压的效应称为种体电位（相对于源）的变化影响阈值电压的效应称为种体电位（相对于源）的变化影响阈值电压的效应称为种体电位（相对于源）的变化影响阈值电压的效应称为体体体体效应，效应，效应，效应，也称为也称为也称为也称为“背栅效应背栅效应背栅效应背栅效应”。2121其中，其中，其中，其中，为体效应系数，为体效应系数，为体效应系数，为体效应系数，典型值典型值典型值典型值0.3-0.4V0.3-0.4V1/21/22.3 二级效应体效应21其中，为体效应系数，典型值0.212222沟道层通过沟道层通过沟道层通过沟道层通过CoxCox耦耦耦耦合到栅极，通过合到栅极，通过合到栅极，通过合到栅极，通过C CD D 耦合到体区。耦合到体区。耦合到体区。耦合到体区。所以体区电压同样可以（通过所以体区电压同样可以（通过所以体区电压同样可以（通过所以体区电压同样可以（通过C CD D的耦合作用）影响沟道中的耦合作用）影响沟道中的耦合作用）影响沟道中的耦合作用）影响沟道中载流子的浓度，影响导电性，或者说阈值电压的大小。载流子的浓度，影响导电性，或者说阈值电压的大小。载流子的浓度，影响导电性，或者说阈值电压的大小。载流子的浓度，影响导电性，或者说阈值电压的大小。22沟道层通过Cox耦合到栅极，通过CD 耦合到体区。所以体222323体效应对电路性能的影响体效应对电路性能的影响体效应会导致设计参量复杂化，体效应会导致设计参量复杂化，体效应会导致设计参量复杂化，体效应会导致设计参量复杂化，AICAIC设计通常不希望有体效应设计通常不希望有体效应设计通常不希望有体效应设计通常不希望有体效应23体效应对电路性能的影响体效应会导致设计参量复杂化，AI232424n n沟道长度调制效应沟道长度调制效应沟道长度调制效应沟道长度调制效应当沟道发生夹断后，如果当沟道发生夹断后，如果当沟道发生夹断后，如果当沟道发生夹断后，如果V VDSDS继续增大，有效沟道长度继续增大，有效沟道长度继续增大，有效沟道长度继续增大，有效沟道长度L L 会随之减小，导致漏源电流会随之减小，导致漏源电流会随之减小，导致漏源电流会随之减小，导致漏源电流 I ID D 的大小略有上升，饱的大小略有上升，饱的大小略有上升，饱的大小略有上升，饱和区的电流方程需要做如下修正：和区的电流方程需要做如下修正：和区的电流方程需要做如下修正：和区的电流方程需要做如下修正：L L越大，沟调效应越小！越大，沟调效应越小！越大，沟调效应越小！越大，沟调效应越小！其中其中其中其中 为沟道长度调制系数为沟道长度调制系数为沟道长度调制系数为沟道长度调制系数24沟道长度调制效应L越大，沟调效应越小！其中为沟道长度调24沟调效应使饱和区的沟调效应使饱和区的沟调效应使饱和区的沟调效应使饱和区的MOSFETMOSFET不能再看成理想的电流源，不能再看成理想的电流源，不能再看成理想的电流源，不能再看成理想的电流源，而具有有限大小的输出电阻而具有有限大小的输出电阻而具有有限大小的输出电阻而具有有限大小的输出电阻ro o2525沟调效应使饱和区的MOSFET不能再看成理想的电流源，25252626n n亚阈值导电性（弱反型）亚阈值导电性（弱反型）亚阈值导电性（弱反型）亚阈值导电性（弱反型）在初步分析在初步分析在初步分析在初步分析MOSFETMOSFET的时候，我们假设当的时候，我们假设当的时候，我们假设当的时候，我们假设当V VGS GS V VTHTH时，时，时，时，器件会突然关断，即器件会突然关断，即器件会突然关断，即器件会突然关断，即I ID D会立即减小到零；但实际上会立即减小到零；但实际上会立即减小到零；但实际上会立即减小到零；但实际上当当当当V VGSGS略小于略小于略小于略小于V VTHTH 时，有一个时，有一个时，有一个时，有一个“弱弱弱弱”的的的的反型层存在，反型层存在，反型层存在，反型层存在，I ID D大小随大小随大小随大小随V VGSGS下降存在一个下降存在一个下降存在一个下降存在一个“过程过程过程过程”，与，与，与，与V VGSGS呈呈呈呈指数指数指数指数关系：关系：关系：关系：26亚阈值导电性（弱反型）26n n栅和沟道之间的栅和沟道之间的栅和沟道之间的栅和沟道之间的氧化层电容氧化层电容氧化层电容氧化层电容C C1 1n n衬底和沟道之间的衬底和沟道之间的衬底和沟道之间的衬底和沟道之间的耗尽层电容耗尽层电容耗尽层电容耗尽层电容C C2 2n n多晶硅栅与源和漏交叠而产生的电容多晶硅栅与源和漏交叠而产生的电容多晶硅栅与源和漏交叠而产生的电容多晶硅栅与源和漏交叠而产生的电容C C3 3、C C4 4，每单位宽度每单位宽度每单位宽度每单位宽度交叠电容交叠电容交叠电容交叠电容用用用用C Covov表示表示表示表示n n源源源源/漏与衬底之间的漏与衬底之间的漏与衬底之间的漏与衬底之间的结电容结电容结电容结电容C C5 5、C C6 62.4 MOS器件电容器件电容2727分析高频交流特性时分析高频交流特性时必须考虑寄生电容的影响必须考虑寄生电容的影响根据物理结构根据物理结构根据物理结构根据物理结构，可以把，可以把，可以把，可以把MOSFETMOSFET的寄生电容分为：的寄生电容分为：的寄生电容分为：的寄生电容分为：栅和沟道之间的氧化层电容C12.4 MOS器件电容27分析272828n n器件器件器件器件关断时关断时关断时关断时，C CGDGD=C=CGSGS=C=CovovWW，C CGBGB由氧化层电容和耗尽区电容串连得到由氧化层电容和耗尽区电容串连得到由氧化层电容和耗尽区电容串连得到由氧化层电容和耗尽区电容串连得到n n深三极管区时深三极管区时深三极管区时深三极管区时，V VD D V VS S，n n饱和区时饱和区时饱和区时饱和区时，在三极管区和饱和区，在三极管区和饱和区，在三极管区和饱和区，在三极管区和饱和区，C CGBGB通常可以被忽略。通常可以被忽略。通常可以被忽略。通常可以被忽略。在电路分析中我们关心器件在电路分析中我们关心器件在电路分析中我们关心器件在电路分析中我们关心器件各个端口的等效电容各个端口的等效电容各个端口的等效电容各个端口的等效电容：28器件关断时，CGD=CGS=CovW，在三极管区和饱和区28大信号和小信号模型大信号和小信号模型n n大信号模型大信号模型大信号模型大信号模型n n用于描述器件用于描述器件用于描述器件用于描述器件整体整体整体整体的电压的电压的电压的电压-电流关系，通常为电流关系，通常为电流关系，通常为电流关系，通常为非线性非线性非线性非线性n n小信号模型小信号模型小信号模型小信号模型n n如果在静态工作点（偏置）上叠加变化的信号（交流信如果在静态工作点（偏置）上叠加变化的信号（交流信如果在静态工作点（偏置）上叠加变化的信号（交流信如果在静态工作点（偏置）上叠加变化的信号（交流信号），其幅度号），其幅度号），其幅度号），其幅度“足够小足够小足够小足够小”，则可以用，则可以用，则可以用，则可以用线性化线性化线性化线性化的模型去近的模型去近的模型去近的模型去近似描述器件，这种线性化模型就是小信号模型。似描述器件，这种线性化模型就是小信号模型。似描述器件，这种线性化模型就是小信号模型。似描述器件，这种线性化模型就是小信号模型。2929大信号和小信号模型大信号模型29292.5 MOS小信号模型小信号模型30302.5 MOS小信号模型30303131小信号参数：小信号参数：小信号参数：小信号参数：31小信号参数：313232MOS管的完整小信号模型管的完整小信号模型对于手算，模型不是越复杂越好。对于手算，模型不是越复杂越好。对于手算，模型不是越复杂越好。对于手算，模型不是越复杂越好。能提供合适的精度即可能提供合适的精度即可能提供合适的精度即可能提供合适的精度即可32MOS管的完整小信号模型对于手算，模型不是越复杂越好。323333MOS SPICE模型模型模型精度决定电路仿真精度模型精度决定电路仿真精度模型精度决定电路仿真精度模型精度决定电路仿真精度最简单的模型最简单的模型最简单的模型最简单的模型Level 1Level 1，0.50.5 mm适于手算适于手算适于手算适于手算33MOS SPICE模型模型精度决定电路仿真精度33NMOS VS PMOSn n在大多数工艺中，在大多数工艺中，在大多数工艺中，在大多数工艺中，NMOSNMOS管性能比管性能比管性能比管性能比PMOSPMOS管好管好管好管好n n迁移率迁移率迁移率迁移率4 4：1 1，高电流驱动能力，高跨导，高电流驱动能力，高跨导，高电流驱动能力，高跨导，高电流驱动能力，高跨导n n相同尺寸和偏置电流时，相同尺寸和偏置电流时，相同尺寸和偏置电流时，相同尺寸和偏置电流时，NMOSNMOS管管管管r rOO大，更接近理想电大，更接近理想电大，更接近理想电大，更接近理想电流源，能提供更高的电压增益流源，能提供更高的电压增益流源，能提供更高的电压增益流源，能提供更高的电压增益n n对对对对Nwell Nwell 工艺，用工艺，用工艺，用工艺，用PMOSPMOS管可消除体效应管可消除体效应管可消除体效应管可消除体效应n n独占一个阱，可以有不同的体电位独占一个阱，可以有不同的体电位独占一个阱，可以有不同的体电位独占一个阱，可以有不同的体电位3434NMOS VS PMOS在大多数工艺中，NMOS管性能比34NMOS管与管与PMOS管工艺参数的比较管工艺参数的比较3535NMOS管与PMOS管工艺参数的比较3535长沟道器件和短沟道器件长沟道器件和短沟道器件前面的分析是针对长沟道器件（前面的分析是针对长沟道器件（前面的分析是针对长沟道器件（前面的分析是针对长沟道器件（4 4 mm以上）而言以上）而言以上）而言以上）而言对短沟道器件而言，关系式必须修正对短沟道器件而言，关系式必须修正对短沟道器件而言，关系式必须修正对短沟道器件而言，关系式必须修正用简单模型手算，建立直觉；用复杂模型仿真，用简单模型手算，建立直觉；用复杂模型仿真，用简单模型手算，建立直觉；用复杂模型仿真，用简单模型手算，建立直觉；用复杂模型仿真，得到精确结果。得到精确结果。得到精确结果。得到精确结果。3636长沟道器件和短沟道器件前面的分析是针对长沟道器件（4m以上36MOS管用作电容器时管用作电容器时3737MOS管用作电容器时3737并联并联并联并联串联串联串联串联3838思考：思考：思考：思考：并联串联38思考：38注意不要混淆管子的宽注意不要混淆管子的宽注意不要混淆管子的宽注意不要混淆管子的宽WW和长和长和长和长L L以及串并联关系！以及串并联关系！WWL L3939倒比管倒比管倒比管倒比管注意不要混淆管子的宽W和长L以及串并联关系！WL39倒比管3940401.解释什么是小信号跨导，给出饱和区解释什么是小信号跨导，给出饱和区MOSFET小信号跨小信号跨导的三种表达形式导的三种表达形式 复习题：复习题：复习题：复习题：2.右图中右图中MOSFET的过饱和电压是多少？管子处于什么工的过饱和电压是多少？管子处于什么工作区？作区？40解释什么是小信号跨导，给出饱和区MOSFET小信号跨导的4041413.如图所示，如图所示，Vin随时间线性增加。在不考虑沟调效应，需考随时间线性增加。在不考虑沟调效应，需考虑体效应的前提下，画出虑体效应的前提下，画出Vout随时间的曲线。随时间的曲线。4.下图是下图是MOS管的电压电流曲线，图中管的电压电流曲线，图中L1和和L2的大小关系是？的大小关系是？413.如图所示，Vin随时间线性增加。在不考虑沟调效应，41