集成电路原理第四章

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1、第四章 MOS逻辑集成电路,4.1 MOS器件的基本电学特性 4.1.1 MOSFET的结构与工作原理 MOSFETMetal-Oxide-Semiconductor Field Effected Transistor 金属氧化物半导体场效应晶体管,MOSFET,NMOS,PMOS,增强型（常关闭型）,耗尽型（常开启型）,增强型（常关闭型）,耗尽型（常开启型）,D漏极Drain G栅极Gate S源极Source B衬底Bulk,假设VG=0V时，栅氧化层中无电荷存在，则可通过对不同VG下器件能带分布的情况分析器件的工作原理。,图4-1 NMOS结构示意图,压控四端有源器件,图4-2 不同VG

2、下NMOSFET能带分布,4.1.2 MOS器件的阈值电压Vth 阈值电压使MOS器件沟道区进入强反型（s=2FB）所需的栅电压。,（4-1）,M-S系统,Si-SiO2系统,Si衬底,耗尽区电离电荷,式中 MS栅与衬底的接触电位差 VBS衬底与源之间的衬偏电压 S衬底表面势 FB硅衬底的体费米势 QSS硅与SiO2界面的单位面积电荷量(C/cm2) QB0零衬偏时SiO2下面耗尽层单位面积的电荷量(C/cm2) Qi调沟离子注入时引入的单位面积电荷量 (C/cm2) Cox单位面积的栅电容 VFB平带电压 体效应因子（衬底偏置效应因子）,C/cm2,(“+”PMOS；“”NMOS),（C/c

3、m2） NSS=10101011 cm-2,F/cm2,nI=1.51010cm-3 （测量值） MS=体材料的接触电势 栅材料的接触电势 （注：在此，接触电势为相对于本征Si而言）,Si=11.9 0=8.85410-14F/cm,例4-1 已知：n+ Poly-Si 栅NMOS晶体管，栅氧厚度Tox=0.1m，NA=31015cm-3，ND=1020cm-3，氧化层和硅界面处单位面积的正离子电荷为1010cm-2，衬偏VBS=0V。 求：Vth， 解： NMOS衬底费米势：,n+ Poly-Si栅接触电势： Poly-Si=0.56（V） 得：,单位面积氧化层电容：,耗尽层固定电荷：,Si

4、-SiO2界面电荷密度：,则：,体效应因子：,4.1.3 MOSFET的简单大信号模型参数 （1）非饱和区（vGSVth，vDS（vGS-Vth） 详细推导见晶体管原理，在此列出表达式：,（4-2）,Sah方程，由C.T.Sah提出。见“Characteristics of MOSFET”，IEEE Trans. ED，Vol.ED-11，PP324-345，July，1964。, Si衬底沟道区表面迁移率,（适用于3-5mP阱CMOS工艺的SPICE MOS2模型参数）,W 有效沟道宽度（栅长） L 有效沟道长度（栅宽） k=COX (A/V2) 称为导电系数 =(COXW)/L (A/V2

5、) 称为跨导参数,（2） 饱和区（vGSVth，vDS（vGS-Vth）,（4-3）,式中为沟道长度调制因子 （V-1）,5m硅栅P栅CMOS工艺典型值：,例4-2 已知：n+ Poly-Si栅NMOS晶体管宽长比W/L=100m/10 m，漏、栅、源、衬底电位分别为5V，3V，0V，0V。n=580cm2/Vs，其他参数与例4-1相同。 求： 漏电流iDS。 若漏栅源衬底电位分别为2V，3V，0V，0V，则IDS=？,解： 由已知得： vGS=3V，vDS=5V，vBS=0V 而由例4-1得Vth=0.439V vDS=5V(vGS-Vth)=3-0.439=2.561(V) 器件工作在饱和

6、区，则：,（若不考虑沟道长度调制，IDS=0.629mA）, 若vGS=3V，vDS=2V，vBS=0V，则 vDS=2V(vGS-Vth)=3-0.439=2.561V 器件工作在非饱和区：,4.1.4 MOSFET小信号参数 （1）跨导gm 表示交流小信号时vGS对ids的控制能力（vDS恒定） 饱和区：,（4-4）,非饱和区：（线性区）,（4-5）,（2）沟道电导gds 表示交流小信号时，vDS对ids的控制能力（vGS恒定）。 饱和区：,（4-6）,=0，则？,非饱和区：（线性区）,（4-7）,(3) 品质因数0 表示开关速度正比于栅压高出阈值电压的程度，可作为频率响应的指标。,（4-

7、8）,其中：,（载流子从SD的渡越时间）, 高速电路需gm尽可能大。 vGS，或Vth 0，有利于电路速度提高。但另一方面：,vGS vDS，电路功耗增大。 Vth 逻辑摆幅，电路抗干扰能力下降。,应折中考虑。 100晶向的n型反型层（P型衬底）表面电子迁移率大于111晶向的迁移率，大约为111晶向P型反型层中空穴迁移率的3倍。所以，高速nmos电路多选择100晶向P型衬底。,4.5 MOS器件分类与比较 (1) MOS器件分类,MOSFET,图4-3 各类MOSFET符号与特性比较,图4-3 各类MOSFET符号与特性比较,图4-3 各类MOSFET符号与特性比较,图4-3 各类MOSFET

8、符号与特性比较,(2) Vth的比较,Vth= MS +2FB ,Al栅： E-NMOS 0 + + D-NMOS 0 + + E-PMOS 0 D-PMOS 0 N+硅栅：E-NMOS 0 + + D-NMOS 0 + + E-PMOS 0 D-PMOS 0 ,+,+,P+硅栅：E-NMOS 0 + + + D-NMOS 0 + + + E-PMOS 0 + D-PMOS 0 + ,+,在集成电路工艺中，通常需要对阈值电压进行调整，使之满足电路设计的要求，此工序称为“调沟”。即向沟道区进行离子注入（Ion Implantation）,以改变沟道区表面附近载流子浓度，与此相关的项用 表示。一般

9、调沟用浅注入，注入能量在6080KeV左右；若异型注入剂量、能量较大，则可注入到体内，形成埋沟MOS（Buried-Channel MOS）。,4.1.6 MOS器件与双极型晶体管BJT的特性比较 MOSFETMetal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor BJTBipolar Junction Transistor,图4-4 双极与MOS器件输出特性曲线,4.2 NMOS逻辑IC,4.2.1 静态MOS反相器分类,图4-5 各类静态MOS反相器, 静态MOS电路的特点 （1）可在直流电压下工作。 （2）当完成一个逻辑过程后，只要条件不变，其

10、最终结果可长 时间以一种稳定状态保持下来。 （3）电路的线路形式可与同功能的双极型电路类似。,4.2.2 NMOS反相器 (1) 电阻负载,反相器静态特性通常用电压传输特性（V0Vi）来描述。可由负载的伏安特性、输入管特性及电源电压三要素导出。 由负载特性：,（4-9）,图4-6 电阻负载反相器,则，其负载线方程：,（4-10）,可得：,（4-11）,图4-7 负载线方程曲线 图4-8 传输特性曲线,由传输特性曲线（图4-8）可见： （1）VOH=VDD （2）RL，VOL （3）RL，过渡区变窄 要使反相器性能，须有大阻值RL。,(2) 饱和负载反相器（E/E） 由图4-9所示，对于负载管T

11、L：,TL始终处于饱和区，因此称为饱和负载反相器。,1）静态特性： 包括输出特性、传输特性和直流噪声容限。 输出特性 反相器的输出特性考虑两个状态：开态（导通态： Ion、Von）和关态（截止态：Ioff、Voff）。,图4-9 E/E NMOS反相器,开态时，负载管TL：,（4-12）,而：,即：,（4-13）,可见，要使VOL，须有gmLgmI，即：(W/L)L(W/L)I。 其中,（4-14）,而输入管跨导：,（4-15）,关态时，截止电压Voff即输出高电平。忽略Ioff，有：,（4-16）,则，与式4-13联立，得：,或,（4-17）,由以上分析可知，反相器导通时，TL、TI都导通，

12、输出低电平VOL，并由两管得跨导之比决定 有比电路。,区分有比电路和无比电路的一个简单方法： 如输出低电平时输入管和负载管都导通，为有比电路，反之则为无比电路。,传输特性 根据如前所述方法由电源电压、负载管伏安特性和输入管特性可确定 E/E NMOS反相器传输特性曲线如图 4-9示。,图4-9 E/E反相器传输特性曲线,定义：,（4-18）,则,（4-19）, R，VOL，过渡区。, 直流噪声容限（或指定噪容） 要使反相器抗干扰能力强，就须： 其逻辑摆幅大VOH，VOL高VDD和I/L1。 高增益过渡区，电压放大系数KV输入管跨导gmI。,图4-10 直流噪声容限,其中： VIL、VIH分别为

13、输入低电平上限和输入高电平的下限。 VNML、VNMH则为低电平噪容和高电平噪容。,2）瞬态特性 假设： 不考虑MOS管本身的存贮时间和渡越时间; 电路输出端的全部电容等效为负载电容; 输入波形为理想方波.,（4-20）,可见，负载电容CL，tf。即电容存贮的电荷量减小，对于相同的泄放电流所需的放电时间就变短。,当VOH/VOL=1520，计算下降时间tf的简化公式为,而上升（充电）时间近似计算公式：,（4-21）,从上式可以看出，负载电容CL或L都可使tr。,上升时间tr与下降时间tf之间的比较：,图4-11 考虑了延迟的输出波形,应注意的是，在上升过程中： VO升高，TL衬底偏置效应，Vt

14、hL，当VOVOH=VDD-VthL，TL处于临界导通状态，导通电阻很大，导电电流很小，上升过程变缓，充电时间曲线拖着一个“长尾”。,改进措施：采用非饱和负载、自举负载。,3）速度功耗乘积 静态功耗反相器不接负载处于导通状态时的功耗。,（4-22）,平均直流静态功耗：,（4-23）, 瞬态附加功耗Pt 反相器做开关器件使用时，在高低电平转换期间对负载电容CL充、放电所消耗的功率。,（4-24）,其中，f为开关频率，,（一般trtf）。,而要使MOS电路工作速度，应有tr，即对负载电容充电的电流，则,可以看出，降低功耗与提高速度是矛盾的。因此需要有一个新的指标来综合衡量电路性能集成电路优值（延时功耗积）,得延时功耗乘积：,（4-25）,定义平均延迟时间：,充分导通 当反相器输出高电平时，虽然VthL随着VO而增大，但VGG较大VGSL较大，即使输出VOH=VDD时仍能保证VGSLVthL，即TL充分导通，从而饱和负载E/E NMOS反相器上升沿“长尾”现象得到改善。,当反相器截止（输出高电平）时，TL处于充分导通状态，充电电流，tr，有利于提高速度。但需双电源，且功耗大，