25 第六章 等效电路,影响阈值电压的因素汇总
集成电路原理第六章S知识分享
VGG为固定偏置，则 vg2=0
vgs2 vg2 vs2 vs2
vbsvs2
i0gd2s(v0vs2)gm 2( vs2)gm2b (s vs2)
vs2ri0
（6-3）
图6-3
接电阻增加输出电阻 的结构与等效电路
2020/10/19
而饱和区衬底跨导
gm
b2sviDBSS
假设：VDD=10V，VBV=6.5V，rz=100，R=35k，则此基准电压源的灵敏 度为0.0044。
2020/10/19
3、CMOS带隙基准源
CMOS带隙基准源电路见 图6-13，此结构实现了一种较 为精确的基准电压源。主要利 用了MOSFET的亚阈区工作时电 流的正温度系数特性与BJT的 BE结导通电压VBE的负温度特 性相互补偿，达到恒定的基准 电压输出。
模拟集成运算放大器电路分层说明
2020/10/19
10Bits 105MSPS 3V ADC 原理图
2020/10/19
无缓冲二级CMOS运放电路
电流镜 源耦合对 偏置电路
共源放大器
2020/10/19
多路电流放大器
6.2.1 电流源与电流沉（Current Source and Sink） 所谓电流源或电流沉，是指一种在任何时间内，其电流值
2020/10/19
6.2.3 基准源
理想的基准电压源或电流源应不受电源和温度变化的影响。 “基准”即是强调基准源的输出数值比一般电源的数值有更高 的精度和稳定性。通常基准与其连接的负载有关，可用缓冲放 大器使其和负载隔开，同时保持良好的性能。
1、简单的电压分压器
VREFVDD
R2 R1 R2
阈值电压公式推导及理解
阈值电压公式推导及理解阈值电压是指在耦合或集成电路中，信号必须达到的最低电压或电流水平，以确保正确的信号传输和处理。
阈值电压通常用于比较器、放大器和逻辑门等电路中，其中电压或电流的变化需要达到一些特定的阈值才能引发特定的操作。
在本文中，我们将推导阈值电压的公式，并对其进行解释和理解。
阈值电压的公式推导如下：首先，我们考虑一个简单的比较器电路。
假设这个电路由两个输入引脚组成：一个是非反相输入（+）和一个是反相输入（-）。
当非反相输入的电压高于反相输入时，输出为高电平；当非反相输入低于反相输入时，输出为低电平。
接下来，我们假设比较器电路的增益为A，非反相输入的电压为Vin，反相输入的电压为Vref，输出的电压为Vout。
由于比较器是一个差分放大器，我们可以将输出电压Vout表示为：Vout = A(Vin - Vref)根据上述定义，当Vin-Vref的值超过阈值电压时，输出将改变状态。
我们将阈值电压表示为Vth。
因此，当Vin - Vref = Vth时，输出状态将改变。
将上述等式代入我们的公式中，可以得到：Vout = A(Vth)这个等式表明，输出电压的值取决于阈值电压和放大器的增益。
这也解释了为什么阈值电压对于电路的正确操作至关重要。
在实际的电路中，我们通常会设置一个接近指定阈值电压的电压参考源来确定阈值电压。
这样可以确保电路在预期的范围内工作。
理解阈值电压的概念对于电路设计和分析非常重要。
通过确保信号的电压或电流超过阈值电压，我们可以避免误差和干扰，提高电路的性能和可靠性。
此外，阈值电压还可以根据特定应用的要求进行调整和优化。
总结起来，阈值电压公式的推导和理解是电路设计和分析中的重要概念。
该公式描述了比较器电路中输出电压取决于阈值电压和放大器增益的关系。
理解阈值电压的概念有助于优化电路的性能和可靠性。
在实际应用中，我们可以根据具体的需求来调整和设置阈值电压，以确保电路的正确操作。
电子科大微固学院专业课集成电路原理与设计课件第六章——考研专业全
王向展
2024年10月17日12时22分
18
集成电路原理与设计 2、威尔逊电流镜 – Wilson Current Mirror
通过电流负反馈提高输出电阻，是一种改进型电流镜。
Iout I DS 2 VGS 2 VGS1 I DS1
参考电流Ir恒定
VDS1 (VGS 3 VGS 2 )
VGS3Iout并趋于原稳定值，即Iout 受Vout影响减弱，输出电阻提高。
图6.7威尔逊电流镜
王向展
2024年10月17日12时22分
19
集成电路原理与设计
Rout
ro3
ro
2
1
ro3
gm
3
(13 ) gm1
1 gm2 ro2
rds1
gm
3
ro
集成电路原理与设计
第六章 MOS模拟集成电路
§ 6.1 MOS模拟集成电路基础 6.1.1 MOS模拟集成电路中的元件
§ 6.2 MOS模拟IC子电路 6.2.1 电流源与电流沉 6.2.2 电流镜和电流放大器 6.2.3 基准源 6.2.4 MOS差分放大器 6.2.5 反相放大器 6.2.6 输出级
VDD
R2 R1 R2
VREF对VDD的灵敏度：
VREF
S
VREF
VREF
VREF VDD
1
VDD
VDD VDD
VDD VREF
（a）电阻分压器
（b）有源器件分压器
图6.9 简单分压器
王向展
2024年10月17日12时22分
24
集成电路原理与设计
2、pn结基准电压源 （1）简单的pn结基准源
半导体器件原理 第六章
6.2.1 内建夹断电压、夹断电压和漏源饱 和电压
VGS
VGS
单边n沟JFET
单边p沟JFET
近似为单边突变结，设沟道宽度为a，热平衡时的耗尽层 宽度为h，内建电势为Vbi，外加栅源电压VGS，内建夹断电
压Vpo，夹断电压Vp
6.2.1 内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压
空间电荷区宽度为： 1 2 s (Vbi VGS ) 2 h[ ] eN d 在阈值点， h a , p n结 的 总 电 势 称 为 内 建 断 夹电 压 ， 用V po 表 示 2 sV po 1 a [ ]2 eN d 2 eN d a V po 2 s 把 形 成 沟 道 夹 断 所 加栅 的源 电 压 称 为 夹 断 电 压 （ 阈 电） 压VP Vbi V p VPo n沟 耗 尽 型 JFET ， 夹 断 电 压 是 负 值 ， 此 因VPO Vbi
漏电流同时决定于栅源电
压和漏源电压 饱和区： 漏电流与漏源电压无关， 只决定于栅源电压
6.1.2 MESFET的基本工作原理
MESFET （ Metal-Semiconductor FET ） 是 一 种 由
Schottky 势垒栅极构成的场效应晶体管，适用于高频 应 用 ， 如 工 作 频 率 超 过 5GHz 的 放 大 器 和 振 荡 电 路 中。可以作为分立器件，也可以做成集成芯片， GaAs-MESFET是微波集成电路的核心。
ID存在，且仍由导电沟道区电特性决定
6.1.1pn-JFET
漏源I-V特性定性分析
击穿区：（VDS大到漏栅结的雪崩击穿电压 ）
6.1.1pn-JFET
漏源I-V特性定性分析
2、 VGS<0的情况：（1）器件偏置特点（VDS=0）
DIBL效应对小尺寸MOS晶体管阈值电压和亚阈值特性的影响
DIBL 效应对小尺寸MOS 晶体管阈值电压和亚阈值特性的影响1．MOS 晶体管阈值电压阈值电压定义为沟道源端的半导体表面开始强反型所需要的栅压。
根据定义，它由以下三部分组成：（1）抵消功函数差和有效界面电荷的影响所需的栅压，即平带电压Vfb ；（2）产生强反型所需的表面势，即2Φf ；（3）强反型时栅下表面层电荷Qs 在氧化层上产生的附加电压，通常近似为-Q b (2Φf )/Cox 。
对于MOSFET ，阈值电压表示式为：V T = V fb + 2Φf - Q b (2Φf )/C ox需要注意，对于NMOS ，Φf = （K B T/q ）ln(N A /N i )，相应的，Q b = -γC ox f 2φ， γ=A s qN ε2/C ox ；对PMOS ，Φf = -（K B T/q ）ln(N D /N i )，Q b =γC ox )2(f φ-， γp =D s qN ε2/C ox 。
N A ，N D 是半导体衬底的掺杂浓度。
在MOS 集成电路的设计和生产中，阈值电压的控制十分重要。
大多数应用中需要的是增强型器件，这时对NMOS 要求V T 〉0，对PMOS 要求V T <0。
上述要求对PMOS 容易达到，对NMOS 却很困难。
原因是V fb =Φms -Q 0/C ox 中的Q 0总是正的，即-Q 0/C ox 总是负的，结果使P 沟和N 沟器件的V fb 一般都是负的。
对PMOS 而言，V T 表示式中的另外两项也都是负的因此产生增强型没有困难；对NMOS 而言，另外两项之和必须大于V fb ，从而要求衬底掺杂浓度较高，这会导致大的衬底电容和低的击穿电压，是十分不理想的。
我们可以通过离子浅注入的方法将杂质注入到沟道表面的薄层内，其作用相当于有效界面电荷，所以阈值电压的改变可以从下面公式估算：ΔV T = ±qN I / C oxN I 是注入剂量（离子个数/cm ²）。
总结等效变换的概念、目的、条件和应用注意事项
总结等效变换的概念、目的、条件和应用注意事项1. 概念：总结等效变换是指将电路中的一部分元件以另一种等效的形式替代，而不改变整个电路的性能特性。
2. 目的：总结等效变换的目的是简化复杂电路的分析和设计，以便更容易理解和计算电路的行为。
3. 条件：进行总结等效变换需要确保等效替代元件的电气特性与原始电路元件的特性相同，确保变换不会改变原始电路的性能。
4. 应用注意事项：在进行总结等效变换时，需要注意以下几点：- 确保等效替代元件的电气特性与原始元件相同- 确保变换后电路的性能不受影响- 不要破坏电路的结构和功能- 需要进行准确的计算和验证5. 总结等效变换的一个常见应用是将电路中的复杂网络替换为简化的等效模型，以便更方便地进行分析和设计。
6. 将电路中的一组并联电阻替换为一个等效的总电阻，从而简化电路分析和计算。
7. 总结等效变换还可以用于简化无源网络的等效理查森模型，以便更容易地进行电路分析和计算。
8. 在进行总结等效变换时，需要特别注意被替换元件的影响范围，以确保不会改变电路的整体性能。
9. 总结等效变换的目的是通过简化电路分析和设计，提高工程师的工作效率。
10. 在进行总结等效变换时，需要对电路的特性有深入的理解，以确保等效替代的准确性和有效性。
11. 总结等效变换可以用于分析和设计各种类型的电路，包括放大器、滤波器、振荡器等。
12. 通过总结等效变换，可以将复杂的电路简化为更容易理解和计算的形式，从而加快电路设计的过程。
13. 在进行总结等效变换时，需要考虑电路的不同工作状态和特性，以确保等效替代的准确性。
14. 总结等效变换的过程中，需要综合考虑电路中各个元件的特性，以确保替代元件的准确性和适用性。
15. 为了避免误解，总结等效变换的结果需要进行验证和实际分析，以确保不会引入错误。
16. 总结等效变换也可以用于将复杂的传输线网络简化为等效的电路模型，以方便分析和设计通信系统。
17. 在进行总结等效变换时，需要考虑元件的非线性特性和频率响应，以确保等效替代的准确性和适用性。
25 第六章 等效电路影响阈值电压的因素汇总
为方便学习与使用课件内容，
课件可以在下载后自由调整
Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard, Is A Process To Overcome Various Difficulties For A Goal
理想情况下，对于任何超过夹断条件的漏极电压，漏极电流
为常数（电流与电压无关）。即对于VD>VDsat时的情况，漏极 电阻为无限大。饱和区漏极电阻定义为：
Physics of Semiconductor Devices
饱和区电导gds
在理想情况，若不考虑沟道长度调制效应， IDS与UDS 无关。 饱和工作区的gds应为零，即输出电阻为无穷大。
2、在VGS=0时，表面已形成反型导电沟道，器件处于导通 状态，称为N沟道耗尽型（常开型）。要使N沟道耗尽，必
须在栅极上施加一定的负电压。
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor Devices
常开型
常闭型
常开型
常闭型
Physics of Semiconductor Devices
三 影响阈值电压的其他因素
1. 衬底掺杂浓度和氧化层厚度的影响 根据：
可见：阈值电压与衬底的掺杂浓度和氧化层的厚度有关。
Physics of Semiconductor Devices
阈值电压与衬底 掺杂浓度、氧化 层厚度的关系
控制阈值电压的方法：
Physics of Semiconductor Devices
栅－衬底覆盖电容C’GB
3、工作区域
Physics of Semiconductor Devices
《集成电路设计原理》试卷及答案
电科《集成电路原理》期末考试试卷一、填空题1.（1分） 年，第一次观测到了具有放大作用的晶体管。
2．（2分）摩尔定律是指 。
3.集成电路按工作原理来分可分为 、 、 。
4.（4分）光刻的工艺过程有底膜处理、涂胶、前烘、 、 、 、 和去胶。
5.（4分）MOSFET可以分为 、 、 、 四种基本类型。
6.（3分）影响MOSFET 阈值电压的因素有： 、 以及 。
7.（2分）在CMOS 反相器中，V in ，V out 分别作为PMOS 和NMOS 的 和 ； 作为PMOS 的源极和体端， 作为NMOS 的源极和体端。
8．（2分）CMOS 逻辑电路的功耗可以分为 和 。
9.（3分）下图的传输门阵列中5DD V V =,各管的阈值电压1T V V =，电路中各节点的初始电压为0，如果不考虑衬偏效应，则各输出节点的输出电压Y 1= V ，Y 2= V ，Y 3= V 。
DD 13210.（6分）写出下列电路输出信号的逻辑表达式：Y 1= ；Y 2= ；Y 3= 。
AB Y 1AB23二、画图题：（共12分）1．（6分）画出由静态CMOS电路实现逻辑关系Y ABD CD=+的电路图，要求使用的MOS管最少。
2.（6分）用动态电路级联实现逻辑功能Y ABC=,画出其相应的电路图。
三、简答题：（每小题5分，共20分）1.简单说明n阱CMOS的制作工艺流程，n阱的作用是什么？2.场区氧化的作用是什么，采用LOCOS工艺有什么缺点，更好的隔离方法是什么？3.简述静态CMOS 电路的优点。
4.简述动态电路的优点和存在的问题。
四、分析设计题：（共38分1.（12分）考虑标准0.13m μ CMOS 工艺下NMOS 管，宽长比为W/L=0.26/0.13m m μμ，栅氧厚度为2.6ox t nm =，室温下电子迁移率2220/n cm V s μ=，阈值电压T V =0.3V,计算 1.0GS V =V 、0.3DS V =V 和0.9V 时D I 的大小。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Physics of Semiconductor Devices
2. 衬底偏置的影响
当有一反向偏压加在衬底和源之间(对于N沟道，加在P衬底上 的电压VSB相对于源为负)时，耗尽层将加宽，使得空间电荷层 中负的固定电荷QB增加
增加固定电荷的QB：
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor Devices
2、模型参数
（1）电流参数：衬底－漏二极管电流IBD和衬底－源结二极管 电流IBS ； （2）势垒电容：衬底－漏CBD和衬底－源结势垒电容CBS；
（3）栅沟电容：栅－源覆盖电容C’GS 、栅－漏覆盖电容C’GD 、
2、在VGS=0时，表面已形成反型导电沟道，器件处于导通
状态，称为N沟道耗尽型（常开型）。要使N沟道耗尽，必 须在栅极上施加一定的负电压。
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor Devices
常开型
常闭型
常开型
常闭型
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor Devices
1. 线性导纳
在线性区的电阻称为开态电阻或导通电阻，可表示为：
Physics of Semiconductor Devices
在UDS较小时， gdl与UDS无关。随着UDS的增大，但还未到 饱和区， gdl将会减小。此时有：
不可忽略
Physics of Semiconductor Devices
二
频率特性
截止频率f0定义为MOSFET的输入电流和输出电流相等时的频 率，即器件输出短路时，器件不能够放大输入信号时的频率。
~
i in 2f (C gs C gd ) V gs 2f ( ZLC ox ) V gs
~
为达到强反型，外加栅电压必须增强来补偿QB ，则有：
Physics of Semiconductor Devices
2. 跨导
线性区：
Physics of Semiconductor Devices
饱和区：
饱和区的跨导与线性区的导纳相等
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor Devices
~
~
i out g m V gs
~
C G ZLC ox
总的栅电容
Physics of Semiconductor Devices
输出电容 输入电容Cin
MOSFET的小信号等效电路
Physics of Semiconductor Devices
MOSFET中的电容包括MOS电容，以及MOSFET的极间电容 CGS、 CGD 、 CGB 、 CBD 、 CBS 等。
VDS ＝ VGS – VT 。
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor Devices
饱和工作区的gds应为零，即输出电阻为无穷大。
gds ＝0 对于实际MOSFET，饱和区输出特性曲线总有一定的倾斜， 使输出电导不等于零，即输出电阻不为无穷大。
Physics of Semiconductor Devices
4. 串联电阻对电导gd和跨导gm的影响
① 对跨导的影响
由于MOSFET源区的体电阻、欧姆接触及电极引线等附加电阻 的存在，使源区和地之间有一个外接串联电阻RS：
Physics of Semiconductor Devices
一 等效电路小信号参数
定义：
MOSFET 的小信号特性是指在一定工作点上，输出端电流的 微小变化与输入端电压的微小变化之间有定量关系。这是一种 线性变化关系，可以用线性方程组描述小信号特性，其中不随 信号电流和信号电压变化的常数即小信号参数。
（1）离子注入法；由于用离子注入掺杂含量可以非常精确， 所以能精确的控制阈值电压。
离子注入法调整阈值电压
Physics of Semiconductor Devices
（ 2 ）改变氧化层的厚度。这种方法广泛应用于 MOSFET 之间
的隔离。这时，氧化层厚度比源漏区之外的氧化层（场区氧化 层）薄得多。于是场区氧比层VTH比栅氧化层的VTH大得多。若 将适当栅偏压同时加在硼氧化层和场氧化比层栅，栅下形成了 反型沟道，而场氧化层下面的半导体表面仍保侍耗尽状态。
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor Devices
§6.6、6.8、6.9
MOS场效应晶体管
Physics of Semic效电路
2、频率响应
3、MOSFET的类型
4、影响阈值电压的其他因素
（1）掺杂浓度
（2）氧化层厚度
（3）衬底偏置
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor Devices
3. 饱和区的漏极电阻
Physics of Semiconductor Devices
理想情况下，对于任何超过夹断条件的漏极电压，漏极电流 为常数（电流与电压无关）。即对于VD>VDsat时的情况，漏极 电阻为无限大。饱和区漏极电阻定义为：
Physics of Semiconductor Devices
饱和区电导gds
在理想情况，若不考虑沟道长度调制效应， IDS 与UDS 无关。
三 影响阈值电压的其他因素
1. 衬底掺杂浓度和氧化层厚度的影响
根据：
可见：阈值电压与衬底的掺杂浓度和氧化层的厚度有关。
Physics of Semiconductor Devices
阈值电压与衬底 掺杂浓度、氧化 层厚度的关系
Physics of Semiconductor Devices
控制阈值电压的方法：
Physics of Semiconductor Devices
MOS瞬态电路模型（SPICE模型）
1、电路模型
电路模型是由栅源电容CGS、栅漏电容CGD栅衬电容CGB 、栅－源 覆盖电容C’GS 、栅－漏覆盖电容C’GD、MOS管中衬－源和衬－ 漏两个寄生PN结电容CBS和CBD 、源极半导体材料串联电阻rS 、 漏极半导体材料串联电阻rd ，沟道电流IDS 、衬－源和衬－漏两 个寄生PN结二极管电流IBS和IBD 、衬－源和衬－漏两个寄生PN 结电压 UBS和UBD等构成。覆盖电容是指栅区与源、漏区相应覆 盖区域之间的电容。
串联电阻（起负反馈作用）不能忽略时：
如果RSgm很大：
Physics of Semiconductor Devices
②
对输出电导的影响
若漏区的外接串联电阻为RD ，在线性工作区受RS 及RD 影响的
有效输出电导：
说明：
1、RS 和RD会使跨导和输出电导变小； 2、在设计和制造OSFET时应尽量减少漏极和栅极串联电阻。
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor Devices
三 MOSFET的类型
1 、对于 N 沟道 MOSFET，在 VGS=0 时，不存在沟道，只有 当VGS>VT时，栅极下才感应导电沟道，这种MOSFET通常 称为N沟道增强型（常闭型）。
栅－衬底覆盖电容C’GB
Physics of Semiconductor Devices
3、工作区域
（1）截止区：沟道尚未形成；栅－沟电容CGC等于栅－衬底的
电容CGB ；
（2）线性区：沟道已经形成；栅－沟电容CGC分解为栅－源电 容CGS和栅－漏电容CGD ；CGC ＝ CGS + CGD （3）饱和区：沟道载流子电荷不随电极电压改变而改变。栅－ 漏电容为零： CGD ＝ 0 ；在临界饱和时，沟道开始夹断：
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor Devices