提綱1、緒論2、MOS器件物理基礎(chǔ)1/15/20231提綱1、緒論先修課程：模擬電路基礎(chǔ)、器件模型、集成電路原理教材：模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)，[美]畢查德.拉扎維

著，陳貴燦

程軍

張瑞智

等譯，西安交通大學(xué)出版社。參考教材：

CMOS模擬電路設(shè)計(jì)（第二版）（英文版），[美]PhillipE.Allen,DouglasR.Holberg著，電子工業(yè)出版社。模擬集成電路的分析與設(shè)計(jì)，PaulR.Gray，

PaulJ.Hurst，StephenH.Lewis，RobertG.Meyer著，高等教育出版社。1/15/20232緒論研究模擬集成電路的重要性研究CMOS模擬集成電路的重要性EggshellAnalogyofAnalogICDesign(PaulGray)1/15/20233緒論SystemsCircuitsDevices

chapter1緒論chapter3單級(jí)放大器chapter4差動(dòng)放大器chapter5電流源chapter6頻率特性chapter7噪聲chapter8反饋chapter9運(yùn)算放大器chapter10穩(wěn)定性及頻率補(bǔ)償chapter11帶隙基準(zhǔn)chapter12開關(guān)電容電路chapter2MOS器件物理chapter14振蕩器PLLAD/DAChapter13非線性與不匹配simplecomplex1/15/20234緒論2、MOS器件物理基礎(chǔ)2.1基本概念2.1.1MOSFET的結(jié)構(gòu)柵（G:gate）、源（S:source）、漏（D:drain）、襯底（B:bulk）（以n型為例）1/15/20235MOS器件物理基礎(chǔ)MOSFET是一個(gè)四端器件N阱CMOS技術(shù)1/15/20236MOS器件物理基礎(chǔ)2.1.2MOS符號(hào)1/15/20237MOS器件物理基礎(chǔ)2.2MOS的I/V特性2.2.1閾值電壓（以N型FET為例） 耗盡（b）；反型開始（c）；反型（d）1/15/20238MOS器件物理基礎(chǔ)

ΦMS是多晶硅柵和硅襯底的功函數(shù)之差；

q是電子電荷，Nsub是襯底摻雜濃度，Qdep是耗盡區(qū)電荷，Cox是單位面積的柵氧化層電容；

εsi表示硅介電常數(shù)。閾值電壓（VTH）定義

NFET的VTH通常定義為界面的電子濃度等于P型襯底的多子濃度時(shí)的柵壓。

1/15/20239MOS器件物理基礎(chǔ)“本征”閾值電壓通過(guò)以上公式求得的閾值電壓，通常成為“本征(native)”閾值電壓，典型值為-0.1V.在器件制造工藝中，通常通過(guò)向溝道區(qū)注入雜質(zhì)來(lái)調(diào)整VTH對(duì)于NMOS，通常調(diào)整到0.7V（依工藝不同而不同）1/15/202310MOS器件物理基礎(chǔ)2.2.2MOS器件的I/V特性NMOS截止區(qū)(VGS<VTH)三極管區(qū)（線性區(qū)）（VDS<VGS-VTH）飽和區(qū)（VDS≥VGS-VTH）1/15/202311MOS器件物理基礎(chǔ)PMOS截止區(qū)三極管區(qū)（線性區(qū)）飽和區(qū)ID參考電流方向1/15/202312MOS器件物理基礎(chǔ)2.3二級(jí)效應(yīng)2.3.1體效應(yīng)對(duì)于NMOS，當(dāng)VB<VS時(shí)，隨VB下降，在沒反型前，耗盡區(qū)的電荷Qd增加，造成VTH增加，也稱為“背柵效應(yīng)”其中，γ為體效應(yīng)系數(shù)1/15/202313MOS器件物理基礎(chǔ)2.3.2溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)當(dāng)溝道夾斷后，當(dāng)VDS增大時(shí)，溝道長(zhǎng)度逐漸減小，即有效溝道長(zhǎng)度L’是VDS的函數(shù)。定義L’=L-ΔL，ΔL/L=λVDSλ為溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)。1/15/202314MOS器件物理基礎(chǔ)2.3.3亞閾值導(dǎo)電性當(dāng)VGSVTH時(shí)和略小于VTH

，“弱”反型層依然存在，與VGS呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系。當(dāng)VDS大于200mV時(shí)，這里ζ>1，VT＝kT/q1/15/202315MOS器件物理基礎(chǔ)2.3.4電壓限制柵氧擊穿過(guò)高的GS電壓?！按┩ā毙?yīng)過(guò)高的DS電壓，漏極周圍的耗盡層變寬，會(huì)到達(dá)源區(qū)周圍，產(chǎn)生很大的漏電流。1/15/202316MOS器件物理基礎(chǔ)2.4MOS器件模型2.4.1MOS器件電容柵和溝道之間的氧化層電容襯底和溝道之間的耗盡層電容多晶硅柵與源和漏交疊而產(chǎn)生的電容C3，C4，每單位寬度交疊電容用Cov表示源/漏與襯底之間的結(jié)電容C5，C6，結(jié)電容Cj0是在反向電壓VR為0時(shí)的電容，ΦB是結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)，m=0.3~0.41/15/202317MOS器件物理基礎(chǔ)器件關(guān)斷時(shí)，CGD=CGS=CovW，CGB由氧化層電容和耗盡區(qū)電容串連得到深三極管區(qū)時(shí)，VDVS，飽和區(qū)時(shí)，在三極管區(qū)和飽和區(qū)，CGB通?？梢员缓雎浴５刃щ娙荩?/15/202318MOS器件物理基礎(chǔ)2.4.2MOS小信號(hào)模型1/15/202319MOS器件物理基礎(chǔ)MOSSPICE模型在電路模擬（simulation）中，SPICE要求每個(gè)器件都有一個(gè)精確的模型。種類1st

代：MOS1，MOS2，MOS3；2nd代：BSIM，HSPICElevel＝28，BSIM23rd代：BSIM3，MOSmodel9，EKV(Enz-Krummenacher-Vittoz)目前工藝廠家最常提供的MOSSPICE模型為BSIM3v3（UCBerkeley）BSIMwebsite:/~bsim3仿真器：HSPICE；SPECTRE；PSPICE；ELDOWinSPICE；SpiceOPUSFree!1/15/202320MOSSPICE模型基本的SPICE仿真時(shí)間獨(dú)立性時(shí)間獨(dú)立時(shí)間（頻率）依賴線性線性小信號(hào)，Rin,Av,Rout(.TF)小信號(hào)頻率－頻率，零極點(diǎn)響應(yīng)（.AC）非線性DC工作點(diǎn)，DC分析ID＝f(VD,VG,VS,VB)(.OP,.DC)大信號(hào)瞬態(tài)響應(yīng)SlewRate（.TRAN）1/15/202321MOSSPICE模型例：采樣spice模擬MOS管的輸出特性*OutputCharacteristicsforNMOSM12100MNMOSw=5ul=1.0uVGS101.0VDS205.op.dcvds05.2Vgs130.5

.plotdc-I(vds).probe*model.MODELMNMOSNMOSVTO=0.7KP=110U+LAMBDA=0.04GAMMA=0.4PHI=0.7.end1/15/202322MOSSPICE模型例：采樣spice進(jìn)行DC分析*DCanalysisforAMPM12100MOSNw=5ul=1.0uM22344MOSPw=5ul=1.0uM33344MOSPw=5ul=1.0uR130100KVdd40DC5.0Vin10DC5.0.op.dcvin050.1

.plotdcV(2).probe*model.MODELMOSNNMOSVTO=0.7KP=110U+LAMBDA=0.04GAMMA=0.4PHI=0.7.MODELMOSPPMOSVTO=-0.7KP=50U+LAMBDA=0.05GAMMA=0.57PHI=0.8.end1/15/202323MOSSPICE模型例：采樣spice進(jìn)行AC分析*ACanalysisforAMPM12100MOSNw=5ul=1.0uM22344MOSPw=5ul=1.0uM33344MOSPw=5ul=1.0uR130100KCL205pVdd40DC5.0Vin10DC1.07AC1.0.op.acDEC20100100MEG.plotacVDB(2)VP(2).probe*model.MODELMOSNNMOSVTO=0.7KP=110U+LAMBDA=0.04GAMMA=0.4PHI=0.7.MODELMOSPPMOSVTO=-0.7KP=50U+LAMBDA=0.05GAMMA=0.57PHI=0.8.end1/15/202324MOSSPICE模型例：采樣spice進(jìn)行TRAN分析*TRANanalysisforAMPM12100MOSNw=5ul=1.0uM22344MOSPw=5ul=1.0uM33344MOSPw=5ul=1.0uR130100K*CL205pVdd40DC5.0Vin10DC1.07sine(2v2v100KHz).op.tran.1u10u.plottranV(2)V(1).probe*model.MODELMOSNNMOSVTO=0.7KP=110U+LAMBDA=0.04GAMMA=0.4PHI=0.7.MODELMOSPPMOSVTO=-0.7KP=50U+LAMBDA=0.05GAMMA=0.57PHI=0.8