فعال مجتمع مدارات طراحی (( آنالوگ((

ترانزیسستورهای ) 1 اصسلی در BJTویژگسی ترانزیستورها ایسن قابلیست می ترانزیسستور .این اسست دیگسر مدارات اندازی) (راه درایسو

تواندجریان زیادی را در خروجی از خود عبور دهد. این است که بر روی مدارات قبل از خود CMOS) ویژگی مدارات 2

اثری ندارند .( به عنوان یک بافر عمل می کنند)مقاومت ورودی این ترانزیستورها بسیار زیاد است بنابراین در مدارات

سوئیچینگ از این ترانزیستور (تکنولوژی) استفاده می گردد. ترکیب ویژگی های مدارات با تکنولوژی BICMOS) ویژگی مدارات 3

BJT و مدارات با تکنولوژی CMOS است . یعنی علوه بر بافر بودن می توانند جریان زیادی از خروجی خود عبور دهند.

: ترانزیستورها انواع ویژگی

:Pماده نوع •در این مواد حامل اکثریت حفره ها هستند.

:nماده نوع •در این مواد حامل اکثریت الکترونها هستند .

اگر یک ماده در حال تعادل باشد (ولتاژ وصل نکنیم)، مقدار باز •ترکیب بین الکترون و حفره با تولید الکترون و حفره برابر است.

مقاومت الکتریکی سیلیکونی :

AP NP ≈

Dn Nn ≈

RnG p == γ

ماده ذاتی(ماده ای که ناخالصی به آن اضافه نشده باشد) د ر یک•اندازۀ الکترون و حفره برابر است .

که در حال تعادل باشد(تحریک خارجی نداشته nدر یک ماده نوع •باشد):

inpn == 2innp =→

D

inDn

inn

N

nPNnif

npn2

2

: ≈→≈

=

و در حال تعادل باشد :Pاگر ماده نوع •

باشد ضریب هدایت الکتریکی به صورت nاگر ماده نوع •زیر می شود :

A

iPAP

ipP

N

nnNPif

npn2

2

: ≈→≈

=

ApP

ApA

inpppnppn

Nq

NqN

nqpqnqpqnq

µσ

µµµµσµµσ

=∴

+=+=→+=2

Dnn

DpD

innpnnnpn

Nq

NqN

nqpqnqpqnq

µσ

µµµµσµµσ

=∴

+=+=→+=2

خاصیت الکتریکی لیه نفوذی :بنام• نفوذی لیه در اسسستفاده مورد sheet resistanceمشخصسسه

(مقاومت صفحه ای)معروف است. )در شکل زیر نشان داده p یا nیک برش صفحه ای از نیمه هادی(•

شده است.

باشد:nاگر ماده نوع •

باشد:Pاگر ماده نوع •

مقاومت صفحه ای همان مقاومت قطعه در طول و •عرض واحد است.

اگر ناخالصی به صورت یکنواخت باشد :•

σρ

ρρ

1=

⋅=⋅=WT

L

A

LR

TTNqR

W

LRRor

WT

L

NqR

WT

L

pqnqWT

LR

Dn

Dn

npnn

ρµ

µ

µµσ

Π

Π

==

=⋅≈

⋅+

=⋅=

1

1

11

WT

L

NqR

AP⋅=

µ1

اگر ناخالصی به صورت یکنواخت در قطعه توزیع نشده باشد:•

( )( )( ) 10

0

1 −∫

∫=⇒

⋅= j

j

xDn

xDn

dxxNqRdxxN

LW

qR µ

µΠ

( )

( ) ( )∫∫ ∫ ⋅=→⋅==

⋅=

⋅=

jj xDn

xDn

Dn

dxxNL

WqGdx

L

WxNqdGG

dxL

WxNqdG

T

WTG

00 µµ

µ

σ

معمول موبیلیته را ثابت و برابر متوسط موبیلیته کل کانال در نظر می داریم: گیرند.بنابراین

:nبرای مادۀ نوع •

:pبرای مادۀ نوع •

Xj از لبۀ مادۀ نوع n یا p تا ابتدای ناحیۀ تخلیه محاسبه می شود.

( )( ) 10

−∫⋅= jx

Dn dxxNqR µΠ

( )( ) 10

−∫⋅= jx

Ap dxxNqR µΠ

)Epitaxyروش شیمیایی (.1)oxidationاکسیداسیون (.23.Photo-lithography

)diffusionنفوذ (.45.Metal film deposition

مرحله می باشند را بصورت زیر 5مراحل ساخت که شامل تقسیم بندی کرده و سپس به شرح آنها می پردازیم:

1(Epitaxy:

ییک در بال بیا خلوص ییک لییه بیا روشهای شیمیایی substrateبیه رشید Epitaxy گفته می شود .لیه ای که توسط این روش به دست می آید

دارای خلوص بال با یکنواختی تقریبا ثابت است.توسیط لییه هیا اگیر diffusion را زیر عییب دو داده شونید معمول رشید

خوهند داشت:به 1 کلکتور ولتاژ شکسیت ناخالصیی موجود در سیطح بال بودن بیه دلییل -

امیتر کاهش می یابد.– مقاومت کلکتور – بیس به دلیل کم بودن ناخالصی در عمق افزایش می 2

یابد.روش در موجود عیوب ایین دلییل روش diffusionبیه از ما Epitaxy

استفاده می کنیم.

2(Oxidation : در این روش از دو لیه ضخیم یا نازک در روی قطعه استفاده می شود. لیه نازک اکسید برای جاهایی استفاده می شود که قسمت

فعال بايد المان مورد نظر روی آن قرار بگیرد. لیه ضخیم اکسید برای ایزوله کردن المان مورد نظر (مدار مورد نظر) خازن کردن کم و خازن سیاخت برای ییا و المانهیا بقییه بیه نسیبت

طفیلی مورد استفاده قرار می گیرد. در زمان رشد اکسید جاهایی که قسمت فعال قطعه قرار است رشد

)استفاده می کنند. وجود SiNکند از یک لیه به نام نیترید سیلیکون (این لیه باعث می شود که از پیوند اکسیژن با سیلیکون و تشکیل

Sio2.جلوگیری شود

3)Metal film deposition:

انجام • فلز از نازکیی لییه از اسیتفاده بیا نشانیی لییه روش ایین ش‌يشود. با قرار دادن قطعه آلومینیومی در یک میدان الکتریکی م

قوی و بخار شدن آن عمل لیه نشانی نازک فلز انجام می شود.•: مقاومت ساخت

انواع مقاومتها به صورت زیر نامگذاری می شوند:مقاومت نفوذی.1مقاومت پلی سیلیسیم.2مقاومت کاشت یونی .34.P-well(هاچاه p))pinched resistorsتنگیده (.5

1: نفوذی) مقاومت و با نشاندن سورس – درین diffusionمقاومت نفوذی با استفاده از •

دراین روش آمده بوجود ای مقاومیت صیفحه مقدار آید. میی بوجود اهم بر مربع می باشد.10-100بسیار کم و در حد ود

می باشد.ppm/v 500-100مقدار ضریب ولتاژ در این قطعه برابر •

برای این است که اول “ با اتصال فلز به نیمه هادی دیود +nوجود لیه شاتکی بوجود نیاید و همچنین تغییر مقاومت با تغییر ولتاژ (ضریب

ولتاژ) به حداقل خود برسد. با وجودیکه اکسید ضخیم fox اینست که foxتفاوت اکسید ضخیم و •

بیا دقت اکسیید ضخییم ولیی کمتری سیاخته میی شود بیا دقیت اسیت بیشتری ساخته می شود.

: است توجه مورد و مهم ضریب دو مقاومتها درولتاژ) :1 مقدار ضریب ولتاژ مشخص می کند که به ازای تغییر ضریب

ولت هاچقدر مقدار مقاومت تغییر می 1ولتاژ دو سر مقاومت به اندازۀ کند. هر هاچه مقدار این پارامتر کمتر باشد قطعه مورد نظر حساسیت کمتری نسبت به تغییر ولتاژ خواهد داشت. این روش برای ساخت

ش‌تهای بزرگ مناسب نیست. مقاومحرارتی) 2 ضریب

)pهاچاه) p-wellمقاومت) 2

از اکسید ضخیم در ساخت المانهایی که می خواهند از حساسیت و •برای همچنین و شود میی اسیتفاده باشنید برخوردار بالییی دقیت

ایزوله کردن قطعه از محیط داخل و هم از محیط خارج.

وجود لیه های مختلف با ناخالصی متفاوت برای این است •ش‌تهای با رنج متفاوت که دست سازنده برای ساخت مقاوم

باز باشد. +p که اتصال اهمی آن با ناخالصی نوع -pاز یا نوار هاچاه •

ایجاد شده بوجود می آید .مقدار مقاومت صفحه ای که از کیلو اهم به صفحه می 1-10این طریق بوجود می آید

باشد .•P+دیود آمدن بوجود از برای جلوگیری فلز بیه متصیل شده

. شاتکی استهاچاه • ناخالصیی مقاومت pهاچون بنابرایین اسیت کیم بسییار

بیشتر نفوذی حالیت بیه نسیبت ایین طرییق از آمده بوجود خواهد بود.

ضریب ولتاژ در این مقاومت بسیار بالست.•

3: تنگیده) مقاومت بین +nیک لیه . است p-wellاین مقاومت حالت خاصی از مقاومت•

دو پایه مقاومت کاشته شده است و این لیه باعث به دام افتادن حامل های اکثریت که بین سورس و درین در حال حرکت هستند می شود و بنابراین مقدار مقاومت قطعه افزایش می یابد . از این استفاده اهیم) (در حید مگیا بزرگ برای سیاخت مقاومتهای روش

می شود.

: خازن ساخت•: شود می استفاده خازن نوع دو

)خازن پلی سیلیسیم -اکسید - سیلیسیم1)خازن پلی سیلیسیم -اکسید -پلی سیلیسیم 2

سیلیسیم - – اکسید سیلیسیم پلی خازن با قرار دادن یک لیه اکسید بین پلی سیلیسیم و بلور سیلیسیم این خازن بوجود می آید .برای کم کردن ضریب ولتاژ در این نوع خازن از با ناخالصی خیلی زیاد زیر پایه های خازن استفاده می یک منطقه

کنند.مقدار این خازن می باشد.2

5.035.0m

Ff

µ−

سیلیسیم – – • پلی اکسید سیلیسیم پلی خازناز قرار گرفتن لیه اکسید ما بین دو فلز و یا دو پلی سیلیسیم بوجود •

می آید .مقدار این خازن می باشد . از مزایای این خازن عدم وابستگی به ولتاژ (ضریب ولتاژ کم) می باشد.

مقدار خازن طفیلی که از این طریق بوجود می آید نسبت به خازن •قبلی کمتر است.

24.03.0m

Ff

µ−

پلسی سسیلیسیوم بهتسر بسه علست چسسبندگی ( بسه سیلیسیوم السف نسبت به فلز بیشتر از پلی سیلیسیوم استفاده می شود که ت‌یوتوان لهیه پلی سیلیسیوم نازکتری را وتوسط اهین خاصیت م

ت‌یاها چسباند . نسبت به فلز به نیمه اهاد

که لزم است ب ) برای اهیجاد هیک خازن با ضرهیب ولتاژ پاهیین. زهیر اکسید از هیک لهیه با ناخالصی خیلی زهیاد استفاده کرد

وتذکر مهم :

مشخصات خازنهادقت در نسبت.1ضرائب ولتاژ و حرارت.2ظرفیت اهای طفیلی.3•: خازنها نسبت در دقت

خطای مربوط به مقدار خازن بیشتر مربوط به سطح •است که ناشی از ماسک گذاری است.

•ΔC وتأثیر چندانی ندارد و خیلی مهم نیست.در بیشتر مدارات نسبت اها برای وتقوهیت OP-amp خازنها مهم است.جائیکه از خازنها و

.استفاده می شود

oxoxox

ox

ox

oxox

ACCCt

m

PF

t

AC

=→=

×=

⋅=

−

εµ

ε

ε

51045.3

فرض می کنیم:•

اگر خطای خازنها نسبت به مقدارخازن خیلی کوچک باشد(خطای •نسبی کم باشد )بنابراهین می وتوان نوشت:

مهم : برای هیکسان شدن نسبت دو خازن باهیستی خطای نسبی آن نکتهبرابر باشد.

∆∆±

∆−±∆±=

∆±

∆±=

∆±∆±=

′′

⇒

∆±=′∆±=′

21

21

1

1

2

2

1

2

1

1

2

2

1

2

11

22

1

2

111

222

11

1

CC

CC

C

C

C

C

C

C

C

CC

C

C

C

CC

CC

C

C

CCC

CCC

1⟨⟨∆C

C

∆−±∆±≈′′

1

1

2

2

1

2

1

2 1C

C

C

C

C

C

C

C

1

2

1

2

1

1

2

2:C

C

C

C

C

C

C

Cif ≈

′′

⇒∆≈∆

حرارت • و ولتاژ ضرائب

ضرهیب وتغییر هیک خازن با ولتاژ در مدار مجتمع منفی است • است.(- 10-وتاppm/v200و برابر(

بنابراهین مقدار • ، ناحیه وتخلیه زهیاد شده و با افزاهیش ولتاژ )کااهش می هیابد.Aeffمؤثر سطح خازن (

مثبت • مجتمسع مدار در خازن هیسک حراروتسي ضرهیسب مقدار )ppm/°c50-20است. (

ت‌لاهای مثبت و منفی بیشتری وتولید • با افزاهیش حرارت حاممی شود.

طفیلی • خازنبیشترهین مقدار هیک خازن طفیلی مربوط به خازنی است که بین •

(پاهیه) اهیجاد می شود. substrateصفحۀ پاهیین خازن هیا لیسیم – – اهین خازن در نوع • سی اکسید سیلیسیم لی ناشی از پ

ناحیۀ وتخلیه اهیجاد شده در سیلیسیم است .(مقدار اهین خازن خیلی زهیاد است.)

سیلیسیم • پلسی – اکسسید – سسیلیسیم پلسی نوع خازن در خازن اهیسن سیلیسیم – می باشد. اهین خازن از foxناشی از لهیه اکسید لی پ

fox – سیلیسیم بوجود می آهید.پلی

CMOSمدلسازی •CMOS از وترکیب MOS نوع nو p بوجود می آهید.

به سورس وصل شده باشد می وتوان بصورت substrateدر صوروتیکه •زهیر نماهیش داد.

0=SBV

بر حسب اهینکه کدام پاهیه به ولتاژ بیشتر متصل می شود پاهیه درهین و •پاهیه n نوعMOSFETسورس مشخص می گردد. به طور مثال در

pای که به ولتاژ مثبت وتر وصل می شود درهین می باشد و در نوع بر عکس.

•: ااهمی ناحیه شرط

اشباع :• ناحیه شرط

فرمول دقیق ناحیه ااهمی بصورت زهیر •است:

TGSDS VVV نوع : ≥− pو nبرای

n TGSDSبرای نوع : VVV −≤

TGSDS VVV −≥

TGSDS VVV −≥

p و nبرای نوع :

nبرای نوع :

( )[ ][ ]

A

DSDSDSTGSoxD

V

VVVVVL

WCI

1

122

1 2

=

+−−=

λ

λµ

: ولتاژ الكتروستاوتيك درون نيمه اهادي در حالت وتعادل

VSB : ولتاژ سورس - بدنه ɣ : 4/0 وتا3/0 ضرهیب آستانه بدنه (معمول بين

(است VT0 : ت‌یکه VSB=0 مقدار ولتاژ آستانه در اهنگام

NSUB : ت‌لاهای ناخالصی درون وتعداد حامSUBSTRATE

Cox : ظرفيت واحد سطح

[ ]FSBFTT VVV Φ−+Φ+= 220 γ

i

SUBtF n

NV ln=Φ

ox

SUBsi

C

Nqεγ

2=

F

cmsi

1210036.1 −×=ε

FΦ

VT0 : ت‌یکه VSB=0 مقدار ولتاژ آستانه در اهنگام

: مقدار انرژی که باهید داده شود که هیک الکترون از باند ɸFوتابع کارفرمی به بی نهاهیت منتقل شود(آزاد شود).

ɸFB : ولتاژ باند وتخت

ɸGB : اختل ف وتابع کار ناحیه substrate با گيت

Qss : بار ناحيه اكسيد

ox

SUBFsi

FFBT C

NqV

Φ+Φ+Φ=

2220

ε

ox

SSGBFBFB C

QV −Φ==Φ

( ) ( )

( )

( )i

GatetF

SUB

itF

FFGB

n

NVGate

N

nVSUB

GateSUB

ln

ln

=Φ

=Φ

Φ−Φ=Φ

qNQ SSSS ⋅=

به پارامترهای ساخت بستگی دارد. فقط مقدار VTمقدار •VSB است که طراح می تواند با تغییر این ولتاژ مقدار ولتاژ

آستانه را تغییر دهد.

فرمول دقیق:

اگر فرض کنیم جریان در نقطه تقاطع ناحیه اشباع و اهمی •با نقاط دیگر موجود در ناحیه اشباع برابر باشد (شیب خط

ناحیه اشباع بسیار کم است.)

( )[ ][ ]

oxnnoxpp

DSDSDSTGSoxD

CC

VVVVVL

WCI

µµ

λµ

25.0

122

1 2

≅

+−−=

•: اهمی و اشباع ناحیه مرز

ا افزایش را افزایش VTمی توان مقدار n نوع MOSFET در یک VSBب های تخلیه ای نیز صادق است. در این MOSFETداد. این مسئله برای

تخلیه ای را به MOSFETیک VSB می توان با افزایش MOSFETنوع از افزایشی تبدیل کرد.

تکنولوژی NMOSمشخصات • :µm 5برای

VT0=1V ، K´=17(اشباع) ، K´=25(،(1.3 غيراشباع = ɣ ، =0.01(L=10µm) λ و 2┃ɸf┃=0.7

( ) ( )

oxox

DSTGSOXDTGDDS

CkorCk

VVVL

WCIVVV

µµ

λµ

=′=

+−=⇒−=

2

1

12

1 2

مدل سیگنال بزرگ:از • عبوری جریان یا ولتاژ صصورتیکه در

کم کانال یصا طول باشصد زیاد ترانزیسصتور باشد از این مدل استفاده می شود.

بصه مدل سصیگنال کوچک • ایصن مدل نسصبت دقیق تر است.

ه‌تهای • اتصالت rSو rDمقاوم بصه مربوط اهمی است و مقدار آنها بسیار کم است.

ديودهاي سورس تا بدنه و همچنین درین •است. بایاس معکوس حالصت در بدنصه تصا اين ديودها برای مدل کردن جریان نشتی

استفاده می شوند.

به خاطر ایجاد ناحیه تخلیه بین بدنه و درین و همچنین CBSوCBDخازنهای •بدنه و سورس به وجود می آیند.

تابع ولتاژ هستند.CGB و CGD ، CGSخازنهای •C1≈CGS

C3=CGD

يا بصا سصورس گيصت ه‌مپوشانصي از ه ناشصي درين

C4 : ناشی از ناحیه تخلیه در سیلیسیمCBS و CBD : ناشی از ناحیه تخلیه ایجاد شده

بین درین سورس با بدنهc2: از لیه اکسید خازن اصلی که ناشصی

استC1 ≈C3=LDWeff COX

C2 ≈LeffWeff COX

C5 : از روي هم افتادگي گيت ومربوط اكسيد ناحيصه پيشروي از ناشصي بدنصه

ميخضخيم

مدار معادل خازنهای بوجود آمده بین گیت و سیلیسیم:

1

452452

1

2

11

2

11−

+

+=⇒+

+=

CCCC

CCCC GBGB

سیگنال مدلکوچک:

BS

BSbs

BD

BDbd

DS

Dds

SB

Dmbs

GS

Dm

V

ig

V

ig

V

ig

V

ig

V

ig

∂∂=

∂∂=

∂∂=

∂∂=

∂∂=

بدلیل اینکه دیودهای بدنه به سورس و بدنه به درین در بایاس معکوس قرار که ناشی از جریان نشتی است بسیار کوچک gbs و gbdمقدار می گیرند بنابراین

تکنولوژصی در البتصه . مصی شود آنهصا صصرفنظر از و دلیل low voltageبوده بصه توان نمی پارامتصر دو ایصن از نشتصی جریان افزایصش و کانال بودن کوچصک

صرفنظر کرد.

•: اشباع ناحیه در تقریبی فرمول

:gmbs و gmمقادیر • اشباع ناحیه در

داشتیم:

ابراين: ن ب

( ) 2TGSD VV

L

WKi −=

( ) DDmD

TGSGS

Dm i

L

WKi

L

KWg

LKWi

L

KWVV

L

KW

V

ig

′==→=−=

∂∂= 22

22

[ ]FSBFTT VVV Φ−+Φ+= 220 γ

( )

SBFSBFSB

T

SB

Tm

SB

TTGS

SB

Dmbs

VVV

V

V

Vg

V

VVV

L

KW

V

ig

+=

+⋅⋅=

∂∂

∂∂−=

∂∂⋅−−=

∂∂=

Φγ

Φγ

222

1

2

1

2

کمتر از یک است.ɳمقدار •

: gdsمحاسبه •

•: اهمی ناحیه در تقریبی فرمول

:gmbs و gmمقادیر • اهمی ناحیه در

mSBF

mmbs g

V

gg η

Φγ =

+=

22

( ) DTGSDS

Dds iVV

L

KW

V

ig λλ ≈−=

∂∂= 2

( )[ ]

( )[ ]2

2

22

22

1

DSDSTGSDOX

DSDSTGSOXD

VVVViL

WC

VVVVL

WCi

−−=→=

−−=

βµβ

µ

DSDSGS

Dm VV

V

ig ββ =×=

∂∂= 2

2

در صورتیکه از ترانزیستور در فرکانس میانی استفاده شود می توان مدل سیگنال کوچک را بصورت زیر ساده کرد :

( ) ηβηβDSmbsDS

SB

T

T

Dmbs VgV

V

V

V

ig =⇒×−×=

∂∂⋅

∂∂= 2

2

( )[ ] [ ]DSTGSDSTGSDS

Dds VVVVVV

V

ig −−=−−=

∂∂= ββ

222