《集成电路原理课件-cmos》由会员分享，可在线阅读，更多相关《集成电路原理课件-cmos（414页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,集成电路原理与设计,微电子学,微电子技术是电子计算机和通信的核心技术 微电子技术的核心是集成电路（Integrated Circuit, IC）技术 微电子学是电子学的一门分支，主要研究电子或离子在固体材料中的运动规律及其应用 微电子学是以实现电路和系统的集成为目的，研究如何利用半导体的微观特性以及一些特殊工艺，在一块半导体芯片上制作大量的器件，从而在一个微小面积中制造出复杂的电子系统。,集成电路(Integrated Circuit, IC),集成电路芯片的显微照片,封装好的Intel奔腾CPU,集成电路构成,本课程学习硅基CMOS工艺数字集成电路的设计,学习内容,MOS器件物理基础 基
2、本门电路工作原理 集成电路版图设计及制造流程 集成电路设计方法学 Verilog语言及EDA工具 FPGA开发,MOS器件物理基础,MOSFET的结构,衬底,Ldrawn：沟道总长度,Leff：沟道有效长度， Leff Ldrawn2 LD,MOSFET的结构,LD：横向扩散长度,（bulk、body）,tox : 氧化层厚度,源极：提供载流子,漏极：收集载流子,MOSFET ： Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor CMOS : 互补MOS n型MOSFET ：载流子为电子 p型MOSFET ：载流子为空穴,阱：局部衬底,MOS管
3、正常工作的基本条件,MOS管正常工作的基本条件是:所有衬源（B、S）、衬漏（B、D）pn结必须反偏,寄生二极管,同一衬底上的NMOS和PMOS器件,寄生二极管,*N-SUB必须接最高电位VDD！ *P-SUB必须接最低电位VSS！,*阱中MOSFET衬底常接源极S,MOS管所有pn结必须反偏:,MOS晶体管符号,MOSFET开关,N型MOSFET,导通时VG的值(阈值电压)？ 源漏之间的电阻？ 源漏电阻与各端电压的关系？ ,NMOS晶体管工作原理,导电沟道形成,VGSVT、VDS=0,NMOS器件的阈值电压VTH,(a)栅压控制的MOSFET (b)耗尽区的形成 (c)反型的开始 (d)反型层
4、的形成,形成沟道时的VG称为阈值电压记为VT,MS：多晶硅栅与硅衬底功函数之差,Qdep耗尽区的电荷,是衬源电压VBS的函数,Cox：单位面积栅氧化层电容,2F：强反型时的表面电势,k：玻耳兹曼常数 q：电子电荷 Nsub：衬底掺杂浓度 ni： 本征自由载流子浓度 si：硅的介电常数,VGSVT、 0VDS VGS-VT称为三极管区或线性区,沟道未夹断条件,VGSVT、VDSVGS-VT称为饱和区,NMOS沟道电势示意图(0VDS VGS-VT ),边界条件:V(x)|x=0=0, V(x)|x=L=VDS,电流公式推导,V：电荷移动的速度 Qd：电荷沿移动方向的线密度,Qd：沟道电荷密度,C
5、ox：单位面积栅电容,沟道单位长度电荷(C/m),WCox：MOSFET单位长度的总电容,Qd(x)：沿沟道点x处的电荷密度,V(x)：沟道x点处的电势,I/V特性的推导（1）,电荷移动速度(m/s),V(x)|x=0=0, V(x)|x=L=VDS,I/V特性的推导（2）,对于半导体：,且,I/V特性的推导（3）,三极管区(线性区),每条曲线在VDSVGSVTH时取最大值，且大小为：,VDSVGSVTH时沟道刚好被夹断,三极管区的nMOSFET（0 VDS VGSVT）,等效为一个压控电阻,饱和区的MOSFET（VDS VGSVT）,当V(x)接近VGS-VT，Qd(x)接近于0，即反型层将
6、在XL处终止，记为L，沟道被夹断。,饱和区的MOSFET（VDS VGSVT）,MOSFET的I/V特性,Triode Region,VDSVGS-VT,沟道电阻随VDS增加而增加导致曲线弯曲,曲线开始斜率正比于VGS-VT,VDSVGS-VT,用作恒流源条件：工作在饱和区且VGS const！,NMOS管的电流公式,截至区，VGSVTH,线性区,VGS VTH VDS VGS - VTH,饱和区,VGS VTH VDS VGS - VTH,MOS管饱和的判断条件,NMOS饱和条件：VgsVTHN；VdVg-VTHN,PMOS饱和条件: VgsVTHP ；VdVg| VTHP |,g,d,g,
7、d,判断MOS管是否工作在饱和区时，不必考虑Vs,MOS模拟开关,MOS管D、S可互换，电流可以双向流动。 可通过栅源电源（Vgs）方便控制MOS管的导通与关断。关断后Id0,二级效应,MOS管的开启电压VT及体效应,体效应系数，VBS0时，0,MOSFET的沟道调制效应,MOSFET的沟道调制效应,L,L,MOS管沟道调制效应的Pspice仿真结果,VGS-VT=0.15V, W=100,ID/VDS/L1/L2,=2,=6,=4,亚阈值导电特性,(1,是一个非理想因子),MOS管亚阈值导电特性的Pspice仿真结果,VgS,logID,仿真条件：,VT0.6,W/L100/2,MOS管亚阈
8、值电流ID一般为几十几百nA,MOS器件模型,MOS器件版图,C1:栅极和沟道之间的氧化层电容,C2:衬底和沟道之间的耗尽层电容,C3,C4栅极和有源区交叠电容,MOS器件电容,C5,C6有源区和衬底之间的结电容,MOS器件电容,栅源、栅漏、栅衬电容与VGS关系,1) VGS VTH截止区,2) VGS VTH VDS VGS VTH深三极管区,3) VGS VTH VDS VGS VTH饱和区,CMOS反相器,52,教学内容,CMOS反相器的直流特性 CMOS反相器的基本特性 CMOS反相器的直流电压传输特性 CMOS反相器的噪声容限 CMOS反相器的瞬态特性 CMOS反相器的设计,53,C
9、MOS反相器的直流特性,CMOS反相器的工作原理,54,利用NMOS和PMOS的互补特性获得良好的电路性能。 源、衬接法避免衬偏效应，pn结反偏或零偏，防止寄生效应。 NMOS下拉开关，PMOS上拉开关。,CMOS反相器的直流特性,CMOS反相器的工作原理,55,晶体管是一个具有无限关断电阻（ ）和有限导通电阻（ ）的开关。,CMOS反相器的直流特性,CMOS反相器的工作原理,V,in,V,out,C,L,V,DD,56,V,DD,V,DD,V,in,V,DD,V,in,0,V,out,V,out,R,n,R,p,Vin=VDD，NMOS导通、PMOS截止。 Vin=0，NMOS截止、PMOS
10、导通。,CMOS反相器的直流特性,CMOS反相器的重要特性 电压摆幅等于电源电压； 无比电路，晶体管尺寸可以最小； 低输出阻抗 高输入阻抗，不取任何直流电流 电源线和地线之间没有电流，不消耗静态功耗,57,CMOS反相器的直流特性,CMOS反相器的电压传输特性曲线,58,V,out,I,Dn,D,S,G,S,D,G,IDn,CMOS反相器的直流特性,59,CMOS反相器的电压传输特性曲线,图解直流(静态)工作点：同一Vin下，|IDp|IDn，,Vout=High or Low,CMOS反相器的直流特性,60,CMOS反相器的电压传输特性曲线,NMOS饱和条件：VgsVTHN；VdVg-VTH
11、N,PMOS饱和条件: VgsVTHP ；VdVg| VTHP |,判断MOS管是否工作在饱和区时，不必考虑Vs,61,CMOS反相器的直流特性,CMOS反相器的电压传输特性曲线,CMOS反相器的直流特性,CMOS反相器的逻辑阈值电平(开关阈值),62,63,CMOS反相器的直流特性,CMOS反相器的电压传输特性曲线,64,CMOS反相器的直流特性,CMOS反相器的直流噪声容限,65,CMOS反相器的直流特性,CMOS反相器的直流噪声容限,66,CMOS反相器的直流特性,CMOS反相器-可恢复逻辑电路,数字电路属于可恢复逻辑电路，它能使偏离理想电平的信号经过几级电路逐渐收敛到理想工作点。CMO
12、S反相器具有可恢复逻辑是因为它的电压传输特性曲线具有这样的特点：在稳定的输出高电平或输出低电平区，电路的增益很小，而在逻辑状态转变区的增益很大。反之，则不具有可恢复逻辑性。,CMOS反相器的直流特性,CMOS反相器的瞬态特性定性分析,67,V,out,V,out,R,n,R,p,V,DD,V,DD,V,in,V,DD,V,in,0,(a) Low-to-high,(b) High-to-low,C,L,C,L,时间常数RC,68,CMOS反相器的直流特性,CMOS反相器的瞬态特性定性分析,0,1. CMOS反相器的上升时间和下降时间,69,CMOS反相器的直流特性,CMOS反相器的瞬态特性定性
13、分析,1. CMOS反相器的上升时间和下降时间,70,CMOS反相器的直流特性,CMOS反相器的瞬态特性定性分析,1. CMOS反相器的上升时间和下降时间,71,传输延迟时间有两种情况：tpHL和tpLH。,在CMOS电路中,CMOS反相器的直流特性,CMOS反相器的瞬态特性定性分析,2. CMOS反相器的传输延迟时间,电路的工作速度决定于信号通过电路的传输延迟时间，下图说明了传输时间的定义。,72,tpHL 表示从输入信号上升边的50%到输出信号下降边的50%所经过的延迟时间，也叫做输出从高向低转换的传输延迟时间； tpLH 表示从输入信号下降边的50%到输出信号上升边的50%所经过的延迟时
14、间，也叫做输出从低向高转换的传输延迟时间。,CMOS反相器的直流特性,CMOS反相器的瞬态特性定性分析,电路的平均传输延迟时间,2. CMOS反相器的传输延迟时间,73,CMOS反相器的直流特性,CMOS反相器的瞬态特性定性分析,3. CMOS反相器的负载电容,C1是本级输出节点到下一级电路输入节点之间的互连线的寄生电容。对大部分功能模块内部电路，他们之间的互连线很短，可以忽略互连线的寄生电容，但对长互连线不能忽略。Cin是下一级电路的输入电容，也就是下一级电路的N管和P管的栅电容。,74,则电路的最高工作频率,CMOS反相器的直流特性,CMOS反相器的瞬态特性定性分析,4. CMOS反相器的
15、最高工作频率,为保证输出信号达到合格的高、低电平，必须使输入信号的作用时间大于电路的延迟时间。下图说明了输出上升时间和下降时间对电路工作频率的限制，如果输入信号是占空比为1：1的脉冲，则要求其周期时间满足,75,CMOS反相器的直流特性,CMOS反相器的瞬态特性定性分析,4. CMOS反相器的最高工作频率,若振荡器频率为f，则每级反相器的延迟时间,76,CMOS组合逻辑门的设计,Combinational、非再生电路，特点：在任 何时刻电路输出与其当前输入信号间的关系 服从某个布尔表达式（假设通过逻辑门的 瞬态响应已经稳定），而不存在任何从输出 到输入的连接。,Sequential、再生电路，特点：输出 不仅与当前的输入数据有关，而且也 与输入信号以前的值有关。把一个或 多个输出连回到某些输入来实现， 有记忆的电路。,Output =,f,(,In,),Output =,f,(,In, Previous In,),一个给定的逻辑功能可以用许多电路形式来实现。评价指标：面积、速度和功耗。 不同的应用会有不同的重点指标。,77,CMOS组合逻辑门的设计,静态CMOS设计,静态互补CMO
