1、CMOS模拟集成电路设计,绪论、MOS器件物理基础,提纲,2019/6/13,2,提纲,1、绪论 2、MOS器件物理基础,绪论,2019/6/13,3,1、绪论,先修课程：模拟电路基础、器件模型、集成电路原理 教材：模拟CMOS集成电路设计，美毕查德.拉扎维 著，陈贵灿 程军 张瑞智 等译，西安交通大学出版社。 参考教材：CMOS模拟电路设计（第二版）（英文版），美 Phillip E. Allen, Douglas R. Holberg 著，电子工业出版社。,模拟集成电路的分析与设计，Paul R. Gray， Paul J. Hurst，Stephen H. Lewis，Robert G.
2、 Meyer著，高等教育出版社。,绪论,2019/6/13,4,研究模拟集成电路的重要性,研究CMOS模拟集成电路的重要性,Eggshell Analogy of Analog IC Design (Paul Gray),绪论,2019/6/13,5,chapter1绪论,chapter3单级放大器,chapter4差动放大器,chapter5电流源,chapter6频率特性,chapter7噪声,chapter8反馈,chapter9运算放大器,chapter10稳定性及频率补偿,chapter11带隙基准,chapter12开关电容电路,chapter2 MOS器件物理,chapter14
3、振荡器,PLL,AD/DA,Chapter13非线性与不匹配,simple,complex,MOS器件物理基础,2019/6/13,6,2、MOS器件物理基础,2.1 基本概念 2.1.1 MOSFET的结构栅（G: gate）、源（S: source）、漏（D: drain）、衬底（B: bulk）,（以n型为例）,MOS器件物理基础,2019/6/13,7,MOSFET是一个四端器件,N阱,CMOS技术,MOS器件物理基础,2019/6/13,8,2.1.2 MOS符号,MOS器件物理基础,2019/6/13,9,2.2 MOS的I/V特性 2.2.1 阈值电压（以N型FET为例）耗尽（b
4、）；反型开始（c）；反型（d）,MOS器件物理基础,2019/6/13,10,MS是多晶硅栅和硅衬底的功函数之差；q是电子电荷，Nsub是衬底掺杂浓度，Qdep是耗尽区电荷，Cox是单位面积的栅氧化层电容；si表示硅介电常数。,阈值电压（VTH）定义NFET的VTH通常定义为界面的电子浓度等于P型衬底的多子浓度时的栅压。,MOS器件物理基础,2019/6/13,11,“本征”阈值电压 通过以上公式求得的阈值电压，通常成为“本征(native)”阈值电压，典型值为-0.1V. 在器件制造工艺中，通常通过向沟道区注入杂质来调整VTH 对于NMOS，通常调整到0.7V（依工艺不同而不同）,MOS器件
5、物理基础,2019/6/13,12,2.2.2 MOS器件的I/V特性 NMOS,截止区(VGSVTH),三极管区（线性区）（VDSVGS-VTH）,饱和区（VDSVGS-VTH）,MOS器件物理基础,2019/6/13,13,PMOS截止区 三极管区（线性区）饱和区,ID参考电流方向,MOS器件物理基础,2019/6/13,14,2.3 二级效应 2.3.1体效应 对于NMOS，当VBVS时，随VB下降，在没反型前，耗尽区的电荷Qd增加，造成VTH增加，也称为“背栅效应”,其中，为体效应系数,MOS器件物理基础,2019/6/13,15,2.3.2 沟道长度调制效应 当沟道夹断后，当VDS增
6、大时，沟道长度逐渐减小，即有效沟道长度L是VDS的函数。 定义L=L-L， L/L=VDS为沟道长度调制系数。,MOS器件物理基础,2019/6/13,16,2.3.3亚阈值导电性 当VGSVTH时和略小于VTH ，“弱”反型层依然存在，与VGS呈现指数关系。当VDS大于200mV时，,这里1，VTkT/q,MOS器件物理基础,2019/6/13,17,2.3.4 电压限制 栅氧击穿过高的GS电压。“穿通”效应过高的DS电压，漏极周围的耗尽层变宽，会到达源区周围，产生很大的漏电流。,MOS器件物理基础,2019/6/13,18,2.4 MOS器件模型 2.4.1 MOS器件电容栅和沟道之间的氧
7、化层电容 衬底和沟道之间的耗尽层电容 多晶硅栅与源和漏交叠而产生的电容C3，C4，每单位宽度交叠电容用Cov表示 源/漏与衬底之间的结电容C5，C6，结电容,Cj0是在反向电压VR为0时的电容，B是结的内建电势，m=0.30.4,MOS器件物理基础,2019/6/13,19,器件关断时，CGD=CGS=CovW， CGB由氧化层电容和耗尽区电容串连得到深三极管区时，VDVS，饱和区时，,在三极管区和饱和区，CGB通常可以被忽略。,等效电容：,MOS器件物理基础,2019/6/13,20,2.4.2 MOS小信号模型,MOS SPICE模型,2019/6/13,21,MOS SPICE模型 在电
8、路模拟（simulation）中，SPICE要求每个器件都有一个精确的模型。 种类 1st 代：MOS1，MOS2，MOS3； 2nd代：BSIM，HSPICE level28，BSIM2 3rd代：BSIM3，MOS model9，EKV(Enz-Krummenacher-Vittoz) 目前工艺厂家最常提供的MOS SPICE模型为BSIM3v3 （UC Berkeley） BSIM web site: http:/www-device.eecs.berkeley.edu/bsim3仿真器： HSPICE；SPECTRE；PSPICE；ELDO WinSPICE；Spice OPUS,Fr
9、ee!,MOS SPICE模型,2019/6/13,22,基本的SPICE仿真,MOS SPICE模型,2019/6/13,23,例：采样spice模拟MOS管的输出特性,*Output Characteristics for NMOS M1 2 1 0 0 MNMOS w=5u l=1.0uVGS 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,M
10、OS SPICE模型,2019/6/13,24,例：采样spice进行DC分析,* DC analysis for AMP M1 2 1 0 0 MOSN w=5u l=1.0u M2 2 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0u M3 3 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0u R1 3 0 100KVdd 4 0 DC 5.0 Vin 1 0 DC 5.0.op .dc vin 0 5 0.1 .plot dc V(2) .probe*model .MODEL MOSN NMOS VTO=0.7 KP=110U +LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7.MOD
11、EL MOSP PMOS VTO=-0.7 KP=50U +LAMBDA=0.05 GAMMA=0.57 PHI=0.8 .end,MOS SPICE模型,2019/6/13,25,例：采样spice进行AC分析,* AC analysis for AMP M1 2 1 0 0 MOSN w=5u l=1.0u M2 2 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0u M3 3 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0u R1 3 0 100K CL 2 0 5pVdd 4 0 DC 5.0 Vin 1 0 DC 1.07 AC 1.0.op .ac DEC 20 100 100MEG .pl
12、ot ac VDB(2) VP(2) .probe*model .MODEL MOSN NMOS VTO=0.7 KP=110U +LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7.MODEL MOSP PMOS VTO=-0.7 KP=50U +LAMBDA=0.05 GAMMA=0.57 PHI=0.8 .end,MOS SPICE模型,2019/6/13,26,例：采样spice进行TRAN分析,* TRAN analysis for AMP M1 2 1 0 0 MOSN w=5u l=1.0u M2 2 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0u M3 3 3 4 4 M
13、OSP w=5u l=1.0u R1 3 0 100K *CL 2 0 5pVdd 4 0 DC 5.0 Vin 1 0 DC 1.07 sine(2v 2v 100KHz).op .tran .1u 10u .plot tran V(2) V(1) .probe*model .MODEL MOSN NMOS VTO=0.7 KP=110U +LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7.MODEL MOSP PMOS VTO=-0.7 KP=50U +LAMBDA=0.05 GAMMA=0.57 PHI=0.8 .end,2019/6/13,27,小结,用简单的模型设计（design），用复杂的模型验证（verification）； 模型用于： 大信号静态 (dc variables) 小信号静态 (gains, resistances) 小信号动态 (frequency response, noise) 大信号动态 (slew rate) 计算机模型（spice model）用于计算机验证，而非用于设计,
