Sansen——chapter1

一、model of MOST transistor

1、沟道长度减小——速度提高——CMOS器件能够在更高的频率上获得增益

2、模拟电路制程小于数字电路

3、MOST尺寸是W、L，决定了掩模上器件尺寸；

4、沟道形成过程

Vgs——形成反型层，沟道形成；

Vds——形成D、S之间的电流；

改变栅压，能够改变沟道的导通能力，从而改变IDS的大小。

同样改变衬底的电压，也能改变沟道的导通能力，从而改变IDS的大小。

 

5、Cox和CD

Cox：栅氧化层电容      导电介质：栅氧化物

 

 

 

CD：耗尽层电容         导电介质：Si

（n-1≈0.2）

 

 

 

 

耗尽层的宽度与什么有关？

1）、掺杂浓度；掺杂浓度越高，耗尽层的宽度越窄；

2）、施加在耗尽层上的电压CBD；电压越高，宽度越窄。

 

6、MOST作为开关

VDS很小，MOS工作在线性区，相当于小电阻（提供线性和伏安特性），S、D有相同的导电能力。

7、仅有Vgs决定的工作区（与Vds无关）

wi：小电流，亚阈值区，低功耗的场合——指数律特性

si：中等电流，强反型区——平方律特性

vs：速度饱和，gm受到限制。

 

 

 8、gm的表达式

 

 

 9、rds的表达式

 

 

 

10、选择大的L、合适的vgs-vth=0.2V（为什么是0.2V？）

 

 

 电路速度大，要求L小

采用电路技术来增加增益——cascode结构、增益提高技术、电流缺乏技术、自举技术。

 

高增益：大的L，小的Vgs-Vth

高速度：小的L，大的Vgs-Vth（RF电路：LNA、VCO、混频器）

增益   vs    速度。

随着工艺的缩小，很难做到高增益。

 

11、PMOS和NMOS

电流、W/L相同的情况下

gm相同

rds不同（VE不同）

 

12、gmb和gm的关系

 

 

 

13、MOS工作在弱反型区wi——电流很小，流过沟道的漂移电流变成扩散电流

 

wi和si的转折点，Vgs的临界值？

三极管的gm/id=k*T/q

工作在亚阈值区的MOS管比BJT管的gm性能低。  gm较小

 

14、si和vs的转折点？   Vgs-Vth=0.5V

电流较小，不想使用弱反型区，gm和id较小，噪声就会很大，电路速度低；——低SNR和低速的应用中（生物医疗探头）

高SNR、高速度的应用——接近弱反型区（vgs-vth=0.15V——0.2V）

 

15、wi和si的转折点

 

 

 约等于70mV

对于Vth=0.6V

意味着Vgs=0.67V时，从wi进入si；

 一般选取VGS-Vth=0.2V

这个值与L无关，所以说即使工艺改变，L降低，这个值也基本保持在0.2V.

0.2V  是高gm和大电流之间的折中；

 

 

 低电流：gm/id=1/40mV=25V(-1)   总是小于BJT    BJT=1/26mV

电流增加，gm/id减小，与Vgs-Vth成反比。在Vgs-Vth=0.2时，gm/id=10。

 

16、vs速度饱和

1）、电流随着过驱动电压增加，但是gm相对平稳

2）、沟道电场很强，电子以最大速度相对运动，速度接近不变。

3）、

 

 

4）、gm不与L有关，W越大，gm越大

5）、不工作在vs的原因，电流增加，功耗增加，但是gm不变。

 

17、vs造成电流线性化和gm减小

 

 

 θ与L有关，L越小， θ越大。 θ表征了电流线性化和gm的减小。

 

18、另一种方法表征vs：gm减小的原因（看成带有源极负反馈的gm）

 

 

 gm减小了1+gm*Rs倍

 

19、高增益：Vgs-Vth=0.2V

高频：Vgs-Vth=0.5V

 

20、

 

 

 

21、薄的氧化层会产生栅极漏电流，氧化层隧道效应

漏栅电流正比于栅极面积。

tox减小，栅漏电流成指数增加。

 

22、MOS的电容：

Cox：栅氧化层电容   决定晶体管的电流

CD：耗尽层电容，取决于加在上面的电压

Cgs=2/3*WL*Cox    在最小L下，Cgs跟W成正比

 

23、fT截止频率，高于这个频率，MOS不再提供增益    与Cgs和gm有关

 

 

 减小L，fT增加；

在速度饱和时，电子通过沟道时间：L/vsat，fT=vsat/（2*pi*L）    vs区，大的Vgs-Vth下获得

弱反型区的gm小，fT大；

强反型区的gm大，fT小；

 

二、BJT的模型

 

 

 1、BJT的好处

gm大，kT/q不会随着工艺改变

缺点：存在基级电流。

 

2、

 

 

 

三、MOS管和BJT晶体管的差别

1、MOS零输入电流，输入阻抗无穷大，用MOS的电容存储电荷并读出大小，开关电容滤波器；

但是L减小，存在栅极漏电流，缺点；

2、输出摆幅Vdsat

MOS管的VDSsat在0.15——0.2V（高增益），高频——0.5V，限制输出摆幅；

BJT的最小输出电压是kT/q的几倍，低电压，高速高增益摆幅都很大；

3、BJT的gm/id较好

相同电流下，增益大；

相同增益下，能耗小；

4、

 

 

 5、设计方案不同

选定Vgs-Vth——确定了晶体管的工作点，同时确定了gm/Ids和反型速度系数。

一旦Vgs-Vth和gm确定，Ids确定，计算W/L；

6、速度变化

高速受到速度饱和的限制

MOS管：L

BJT管：基极的宽度WB

L减小，WB却不变     MOS工艺可以实现超高速。

7、噪声

相同的电流下，BJT的gm大，热噪声就小。