模拟集成电路设计(拉扎维思维方式)——复旦大学综合课件

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模拟集成电路设计(拉扎维思维方式),综合了模拟集成电路设计诸多精华
模拟信号带宽的关系 集成电路工艺的趋势 0.35 micron 25GHz 40GH乙 0. 25 micron 40GHZ460-70GHz S 0 18 micron 60GHz_9C-1O0GH Hemts, hbts Sir AM-FM racio. T 100GH 30GIIZ 人25m Telecommunications 1 GHZ BGHZ GaAs 101001k10k100k1M10M100M1G10GL00G 15um Signal IcyucLIy(Ha) Fx.13-1 CMOS Carrier Frequency of RF Cellular Telephony 对模拟电路而言,不同的应用对于不同的信号带宽 757798183858789919395979901Year 和 器件性能 ⊥艺进化对模拟电路的影响 CATEGORY BIPOLAR 优势 Turn-on Vola 0.5-0.6V 0g-1V 面积更小、寄生电容更小 gm at 100uA 01mS(W-1 阻抗更大、速度更快 山 alog switch Offsets. asymmetric Good 劣 Power Dissipation Moderate to h Low but can be large 沟道电阻下降、跨导下降 阈值电压下降速度低于电源电压、信号幅度下降 Campatible Capacitors Voltage dependent Good AC Performance DC variables only DC variables and 噪声上升、动态幅度下降 更加非线性 Number of Terminal 更加偏离的平方律电流特性、建模更难 <I mv 模拟信号处理 系统中的模拟电路 首先确定系统中的模拟和数字部分的划分 ·预处理模块 系统分成三个模块 输入信号:传感器输出、语音信号、射频信号等 滤波器:根据采样原理,限输入模效转换器的信 预处理模块:将模拟信号转变为数字信号 号带宽 数字处理模块:数字信号处理 自动增益控制电路 控制模数转换器的输入信号的 后加工模坎:将数字信号转换为模拟信号 幅度,是一个可控增益放大器 模数转挨器或 将模拟信号转换为数字信号 频率综合器或锁相环 提供信号采样的精确时钟 Pre-prmcessing D: gital signal Posl-p1ocessllly ·后处理模块 filtering and (TVA conveRsion processor TRItt AD conversion) 数模转換器:将数字信号转换为模拟信号 放大:功率放大,提高驱动能力 滤波器:平滑输出波形 举例一磁盘驱动器数字读写通道 磁盘驱动器中的模块电路 输入信号 信号由磁感应转换得到,经片外预放大器放大,为全 差分模拟信号 可变增益放大器 数字增益控制回路进行实时控制 低通滤波器 滤波器,具有零点极点 零极点的相对位置可编程 具有高频下增益提升功能 低通滤波器的频率响应 低通滤波器的频率响应 调节滤波器频率响应的方法 利用得到精确的控制电压 对电容值进行数字控制——可编程 可得到精确的频率。 对跨导进行调节 的频率和振荡器的特征时间常数成反比。 低通滤波器中的电路和的电路是匹配的。 VCON 单极点低通滤波器 Digitally-contrclled 3-Fole Filter 由偏置电流或电压确定,易受工艺、温度和电源 电压变化的影响 磁盘驱动器中的模块电路( 小结 模数转换器 讨论了什么是模拟集成电路设计。模拟集成电路 位 设计和分立模拟电路与数字电路设计的区别,设 由提供采样时钟。采样频率由数字时钟恢复电路控 计的难点。 偏移控制:采集个比较器的失调电压,反馈到输入 设计步骙和直观的、层次的、鲁棒的设计 端,抵消由此引起的失 ·模拟集成电路的应用、不同的信号带宽和工艺对 数字信号处理 模拟电路的影响。 有限脉冲响应)滤波器或均衡銎。峰值检测、定时 控制和増益控制。 模拟信号处理系统设计和各种典型的模拟电路模 时序检测和解码、解码、解扰码。 块 对于写(发送):扰码、编码、驱动 混合模拟信号电路设计举例 半导体器件和模型 本征半导体 半导体结 特点 器件 原子结构:是四价元素或V族化合物 基本概念 纯净、不参杂。具有晶格结构。 例: 原子 阈值电压 特性 电子的共有化 级效应 四价元素→形成四价键:原子的外围四个价电子和 器件模型 附近原子的价电子形成电子的共有化。 →形成半导体的能带:导带和价带。 木征载流子浓度 参杂半导体 ·白由载流子 掺入三家获五价原子,提供一个载流子。 热激发形成自由载流了 型:掺入五价元素,如僯(、砷(), 载流子的分布由费米能级和费米函数表示 提供个电子,电了导电。 若:是参杂浓度,代表施主浓度 多子(电子)浓度 木征载流子浓度: 少子(空穴)浓度 型:掺入三价元素,如硼(, 室温下() 提供一个空穴,空穴导电。 若:是参杂浓度,代表施主浓度 飞飞 多子(空穴)浓度 少子(电子)浓度: ↑。每升高度,为原来的倍 掺杂半导体的费米势 ·讨论结反偏和耗尽区电容对了解寄生电容是 十分重要的 假定是重掺杂,是轻掺杂。 φ 型半导体 型半导体 掺杂浓度 空穴从扩散到区,留卜固定的负电荷。在区同样 重掺尔 会留卜固定的正电荷,在界面处建立了电场。 轻掺尔 扩散电流漂移电流 结耗尽区 结耗尽区 结内建势 耗尽区宽度: 例 ① ①耗尽区在轻掺杂一侧 宽度 ③加反偏电压 宽度 结耗尽区 举例 耗尽区电荷和电容: 口知 () 缓变结 举例 反向击穿 口 结的击穿电压是由耗尽区所能承受的最大电场决 Esi(+ND 2 ID (mA) 两种击穿札埋 齐纳击穿;隧道击穿,当 结两边都是重掺杂时 发生 雪崩击穿:雪崩碰撞倍 增 结电流一电压方程 器件 电流方程 ·特点 器件是四端器件 种载流子导电,是电压控制器件 器件的源和漏端在几何上是笔效的 饱和电流 有 两种器件 Bulk/substrat Source Gate Dran Thin Oxidc 101nm 100A-100A) 例:已知二极管参数,可以求得理论上的饱和电流。若 实际的饱和电流可能大于理论值。 阈值电压 理想的阈值电压 ;<Y 以为例:和接地烁反型条件:棚极下硅表面反型层的载流子浓度 衬底掺东浓度 空穴在硅表面积积累 VG=VT 硅表面耗尽:表面只有固定的负 电荷 想的阀值电压: Inerted Fe 硅表面反型:自由电子吸引到硅 Stroug threshol(V心>V 表面 强反型条件 栅极下硅表面反型层的载流子浓度 衬底掺杂浓度 取号, 理想的阈值电压 实际的阈值电压 例:氧化层厚度 ·栅氧化中的电荷陷阱 为氧化层中有效正电荷密度。 有可能使 的为负值,解决的方法是沟道注入。 对 对 沟道离子注入 由金属和栅之间的功函数决定 注入型杂质,使沟道内的型杂质浓度上升 则 晶体管的特性 晶体管的特性 ①推导电流方程 ②电流方程 以 为例,源和衬底接地, 一极管区 饱和区 深三极管区 工艺跨导参数 跨导参数 电压控制的线性电阻: 过驱动电压 晶体管的特性 沟道长度调制 时,沟道夹断点从漏极向源极移动,有效 沟道长度下降,电流增加 汇工m一001 推导 假定 和有关,不是一个恒定电流源。 参数 UTe (V 6 (源漏饱和电压) 以上公式是长沟道公式,在模型中,N是常数 沟道长度调制 体效应 当衬底相对源极更负时,增加,增加 例:求漏源电流 ①若参数 对阱工艺 的对底恒接,但源极可能不接 造成体效应 ②若 ③若在条件① 般,体效应使设计复杂化。 亚阈值导电性 短沟道效应 当下降到或低于时,并不是无限小。在 大于左右时,与呈现指数关系 漏源耗尽层比例增大引起下降。 短沟道引起漏端感应势垒降低,沟道衣面势不是常 Muue洲l let E:o1 1=41n 数 电场增加使电子碰撞加剧,迁移率下降,甚至速度饱 ①漏电,对静态 功耗、动态电 ·模向强电场产生毂流子倍増,产生热载流子注入栅氧 e1sc生L 诨成漂栘,流入衬底形成漏衬电流。 路不利。 strong ②亚值下的模 1000 拟电路,和双100 极的特性 相似 很 10 大 Weak-Moderate-Strong Inversion Approximation 电容 不同工作区的电容 电容存在于管的任意二极点之间 ①关断: 电容可分为 ①栅沟道电容 ②线性区: ②栅源漏交叠电容: 是单位长度电容 ③饱和区 ③沟道衬底耗尽层电容 ④结电容: 底板电容、侧壁电容 管交流小信号特性 管交流小信号特性 ①饱和区跨导: 例:从无限大减小到零时, 的变化。 当 饱和 不变, 不变 代入: 在线性区。 不变 不变, 管交流小信号特性 管交流小信号特性 ②2饱和区衬底跨导 ③3饱和区输出电导和输出电阻 和的作用是一致的 ④线性区输出电导和导通电阻: 管交流小信号特性 )模型 输出电阻 最简单,适合长沟道器件,均匀掺东的预分析 含详细的器件物坦二级嫫型,但公式复杂,模拟效率低,小尺寸 管符合不好。 导通电阻 经验模型,公式简单。模拟效率高,精度同 小尺寸管精 度不高 一经验模型,记入电参薮对几何尺小的依赖性。长沟道管(以 上的器件)精度高。 )模型 模型 符号 位 参数意义 形式基本相同 时的阈值电压 改进电流公式 以上的器件精度高。 体效应系数 一在几何尺寸范围大时,必须分成几个几何尺寸范围,对应几套模 型参数,每套参数适用于一个窄范围 栅氧厚度 基于物理模型,而不是经验公式。 衬底掺杂浓度 在保物理模型的基础上改进精度和计算效率,适用于不同的尺 源漏側扩散长度 寸范围。 沟道迁移率 尽可能减少器件模型参数 个) 沟道长度调制系数 注意不同工作区域的连续性,以使电路模拟时收敛性好 基于器件的准二维分析(记入几何和工艺參数) 模型 符号 单位 参数意义 单位面积源漏结电容 单位长度源侧壁结电容 源漏结建电热 公式中的幂指数 公式中的幂指数 单位宽度栅一漏交叠电容 单位宽度牣一源交叠电容 源漏结单位面积漏电流 工艺 导论 导论 了解工艺对模拟集成电路的重要性 基本的半导体工艺 工艺步骤 Analog Technolo Transistor and passive 艺中的器件 ane Circuit Fabrication Design ng 关于 工艺的其它考虑 ·版图和版图规则 基本的半导体工艺 氧化 硅晶圆( 氧化在硅表面形成二氧化硅()的T艺 -单晶生长 用谂 柱状晶休:直径 ,长度。 阻挡杂质对氧化层下材料的粘污 在晶体生长时参杂: 层与层之间的隔离 切割成硅昌陨片 生长方式 厚,厚度由物理强度要求决定。 干法(薄氧 A)、湿法(厚氧 长的温度 氧化物在硅表面生长时也深入到硅的内部 125·200mm Or ginal silicon surface U.5-08mm n-type: 3-5S2-cm p-type: 14-16 S-cm Fig. 2.1-1r Silit on substrate 扩散 离子注入 扩散杂质原子由材料表面向材料内部运动的过 程,是一种参杂的方法。 ·离子注入杂质的离子山电场加速到很高的速度 两种扩散机埋: 并注入到材料的内部。 预淀积(表面无限杂质源) 参杂的精确控制 ·再分布(面无杂质源 ·参杂的深度和浓度可控:±。重复性好 在高温下进行 在低温下进行 ·退火温度 ERIC Gaussian 需要退火处理 高速的离子注入会对半导体晶格产生破坏,使注入电子留在电 <l< 力<t<t 不活动区。这和损害可以用退火的方法来修复 Infinite source of impurities at the surface Finite source of impurities at the surface. 淀积 刻蚀 淀积把多种不同材料的薄膜层沉积到材料表面 刻蚀去除被暴露材料(未保护)的工艺 用途 选择性和各向异性 氮化硅 保护薄膜、 ·需刻蚀薄层、 氧化硅 层 (a) ortion of the top laycr ready for ctching 多晶硅 k 3- Sclc ivity 金属 Selecivity 不同的淀积技术 Underlying layer 两种基本的刻蚀技术 (b Horizontal el hing and elting uf underlying lave 化学气相 ·湿法刻蚀:同的化学试剂〉不同的需刻蚀材料 蒸发 依赖于时间和温度 溅射 ·干法等离子、反应离子)刻蚀:各向异性的分布。

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    巴克x 很好的东西,多谢分享。
    2015-01-20
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