VLSI与电子器件教学资料：VLSI设计基础8.ppt

VLSI系统设计
第8章模拟单元与变换电路
(2013)
模拟集成电路中的基本元件
电阻、电容和晶体管(工作在饱和区的MOS管)是模拟集成电路的主要积木单元,MOS晶体管在第二章中未完全介绍,这里将主要讨论电阻、电容的设计和MOS管特性及设计考虑。我们还将考虑一些分布参数对元件性能的影响。
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MOS晶体管结构及基本工作原理
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V
D
S
+
-
VGS-VTN
VDS-VGS-VTN
D’
=VD’S
VGD’=VTN
VDS中大于临界饱和电压值的部分
临界饱和
沟道长度调制效应
为什么保持临界饱和时的值?
饱和区恒流
饱和区恒流特性劣化
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MOS晶体管的阈值电压VT
+ + + + + + +
+ + + + + + +
+ + + + + + +
+ + + + + + +
+ + + + + + +
正电荷Q+
电子电荷Qe
固定电荷Q-
Q+=Qe+Q-
决定阈值电压的因素:
衬底掺杂浓度----决定吸引衬底中少子到表面的能量
栅绝缘层厚度----决定电容的大小:Q=CV,电荷对电压的敏感程度
栅-衬底材料功函数差----决定电子初始能量水平
栅绝缘层中电荷性质与数量----对电力线的影响:终止或增强
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MOS晶体管的电流-电压特性
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非饱和区
饱和区
截止区
饱和区工作
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MOS晶体管主要电参量
MOS晶体管的跨导gm----控制特性
MOS器件的直流导通电阻
MOS器件的交流电阻
MOS器件的最高工作频率----交流特性
MOS器件的衬底偏置效应----背栅控制特性
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电阻特性
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MOS晶体管主要电参量MOS晶体管的跨导gm----控制特性
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MOS晶体管:电压控制电流源。
受控关系表征参数:跨导
非饱和区
饱和区
L
W
反映材料特性和几何形状决定的电阻
反映由工作点决定的电阻
反映栅电压对电阻的控制能力
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MOS晶体管主要电参量MOS器件的电阻特性
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MOS晶体管主要电参量MOS器件的频率特性
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定义:当对栅极输入电容CGC的充放电电流和漏源交流电流的数值相等时,所对应的工作频率为MOS器件的最高工作频率。
所以
所以
最高工作频率与MOS器件的沟道长度的平方成反比,减小沟道长度L可有效地提高工作频率。
反映载流子运动速度
反映载流子数量(电流)
反映载流子运动路程
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MOS晶体管主要电参量MOS器件的衬底偏置效应----背栅控制特性
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+ + + + + + +
+ + + + + + +
+ + + + + + +
+ + + + + + +
+ + + + + + +
正电荷Q+
电子电荷Qe
固定电荷Q-
Q+=Qe+Q-
反偏PN结的耗尽层将展宽
Q+=Qe+Q-
阈值电压的数值提高—直流参数
为保证沟道导电水平维持,则
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