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随着量子计算的不断发展,量子比特数目不断增多,这使得在低温下工作的量子芯片与在常温工作的控制读出系统之间的交互,变得愈发冗杂昂贵且不可靠。低温CMOS技术可以为解决这一问题提供可扩展的集成化方案。因此,本文针对低温CMOS器件与电路展开研究。我们给出了低温CMOS集约模型和kink效应的修正模型,提出了一种低温电路性能优化方案,主要内容包括:1.简要介绍研究背景。简单介绍了量子计算的背景和基本概念,介绍了低温CMOS的研究现状以及低温CMOS技术在量子计算中的应用。2.简要介绍了 MOSFET的器件结构、工作原理与器件特性,介绍了BSIM3v3模型的参数和方程,介绍了环形振荡器的经典结构、原理和振荡约束条件,介绍了 Hajimiri的环形振荡器的抖动和相位噪声模型。3.简要介绍了 CMOS器件在低温下的性能变化,详细介绍了 CMOS器件反型层电荷的输运特性,分析了杂质冻析效应带来的器件性能非线性失常现象,并讨论了温度对于各种短沟道效应的影响。4.我们对中芯国际0.18μm CMOS工艺的一系列晶体管进行了液氮温度和液氦温度下的测试,并结合测试数据,对器件性能随温度的变化进行讨论。5.我们基于BSIM3v3模型,对低温MOSFET的测试结果进行参数提取和参数优化,建立了低温SPICE模型,针对液氦温度出现的kink效应,基于对kink的物理机制的理解,提出了 kink修正模型,该模型可以很好的消除4.2K时,kink对器件特性的影响。6.我们在MOSFET低温模型的基础上,设计了低温CMOS环形振荡器,分析讨论了温度降低对环形振荡器包括延迟、功耗和相位噪声等性能的影响,我们还提出了一种优化低温电路性能的方案,仿真结果表明,该方案可以有效提高环形振荡器的低温工作性能。本文的主要创新点有:1.在77K和4.2K下,首次对中芯国际0.18μm工艺的一系列MOS晶体管的Ⅰ-Ⅴ特性进行测试,并分析了器件性能在低温下的变化。对该工艺在77K和4.2K建模,得到了可以直接与EDA工具对接的低温MOSFET SPICE集约模型,建模方法适用于不同的温度区间和工艺。2.在4.2K低温模型的基础上,针对4.2K时出现的kink效应,提出了通过增加衬底非线性电阻来拟合衬底自极化的修正模型,该修正模型进一步提高了模型的仿真精度。3.基于低温模型,设计了低温CMOS环形振荡器,并提出了低温下通过正向衬底偏置(Forward Body Biasing,FBB)来优化电路性能的方案。该技术可以扩展应用到其他电路设计过程中。