文档介绍：东南大学射频与光电集成电路研究所陈志恒, Oct-24, 2002 《射频集成电路设计基础》讲义<< >> < > ?有源器件和模拟电路基础- I ?引言?数、模电路的不同工艺要求?半导体理论基本概念? MOS 场效应管初步?附录?半导体中的一维电场和电位?接触电压(Contact Potential) ?外延和非外延工艺?参考文献射频集成电路设计基础> 有源器件和模拟电路基础- I > 引言 1 of 39 << >> < > ?引言? 无线接收/ 发射系统由一些工作在不同频率、不同信号电平,具有不同功能的电路模块组成,由于存在这种种不同,这些模块也常常采用不同类型的工艺和器件? 每种工艺都有自身的优缺点,具体工艺的选择取决于多方面的因素,技术上的优势固然重要,经济因素( 成本、上市时间等) 往往起到决定性的作用? 再先进的工艺也会被淘汰,电路设计的目的在于充分发挥现有工艺的优势,以最小的代价实现符合指标要求的电路功能,因此必须深入地学习有关工艺的知识,但更要熟练掌握电路设计基本原理和技术,不受制于某一种具体工艺? 我们将主要讨论 CMOS 工艺,请注意区分电路设计所涉及的共性部分和 CMOS 电路所特有的内容射频集成电路设计基础> 有源器件和模拟电路基础- I > 数、模电路的不同工艺要求 2 of 39 << >> < > ?数、模电路的不同工艺要求? 数字电路– CMOS = Low Power ? – 功耗[1] (1) ? 降低 V dd ( 须降低 V th 以保持速度) ? 控制信号变化频度(Coding, Gated Clock, etc.) ? 减小有效的负载电容(Scaling) – 速度(2) – 功耗延时积( 假设 I 正比于) : – 噪声容限、集成度、成品率... Power C L V dd 2 f ∝ Delay C L V dd I -------------- - ∝ V dd 2 PT d × C L 2 V dd ∝射频集成电路设计基础> 有源器件和模拟电路基础- I > 数、模电路的不同工艺要求 3 of 39 << >> < > ?? 模拟电路– 更多维的设计空间,更复杂的利弊权衡(trade-off) ? Speed-Accuracy-Power? CMOS = Low Power ?? Low Voltage = Low Power? ? 选择什么工艺(BJT 、 CMOS 还是 GaAs) ? 特征尺寸(Feature Size) 的不断减小带来了什么– 偏置的重要性? 为什么我的放大器不放大– 模型的重要性? 你的噪声真的那么低吗– 设计成本、制造成本、性能指标...... 功耗噪声带宽增益线性射频集成电路设计基础> 有源器件和模拟电路基础- I > 半导体理论基本概念 4 of 39 << >> < > ?半导体理论基本概念? 掺杂和载流子浓度– 本征半导体(intrinsic semiconductor) 未经掺杂的半导体材料原子的外层电子受原子间共价键束缚,由热运动产生了自由电子和空穴,平衡时它们具有相同的浓度(3) – 在硅本征半导体中掺进磷( 或砷、锑) 后,原来的晶体结构发生改变,所掺入材料( 杂质) 原子的 5 个外层电子中只能有 4 个与硅原子的外层电子形成共价键,因而另一个电子很容易摆脱束缚成为自由电子,留下一个带正电的固定的离子;由于给出了电子,这种物质被称为 Donor ,其浓度用 N D 表示– 可以认为杂质在常温下完全电离,而通常,此时的自由电子浓度;自由电子与空穴的复合(bination) 的机会随电子浓度的增加而增加,因此空穴浓度大为降低,但自由电子与空穴浓度乘积保持不变,即,或者表示为 npp i n i === N D n i ? nN D ≈ np n i p i n i 2 == 射频集成电路设计基础> 有源器件和模拟电路基础- I > 半导体理论基本概念 5 of 39 << >> < > ?(4) – 如果硅本征半导体中掺入的杂质是硼或镓、铟,杂质原子会从硅原子获取一个电子从而产生一个空穴和一个负离子,这种物质被称为 Acceptor ,其浓度用 N A 表示,同样地,空穴浓度,而电子浓度(5) – 总的来说,掺杂半导体和本征半导体中自由电子与空穴的浓度积相等,即(6) 总电荷密度(7) 整块半导体材料中的总电荷量为 0 ,外加电场或掺杂浓度不均匀将导致半导体中不同区域内的电荷密度发生变化 p n i 2 N D ------ - ≈ p N A ≈ n n i 2 N A ------ ≈ np n i 2 = ρ qp n – N D N A –+ () = 射频集成电路设计基础> 有源器件和模拟电路基础