《超大规模集成电路设计导论》第3章：器件设计技术

2020/5/131第三章器件设计技术清华大学计算机系2020/5/132第一节引言集成电路按其制造材料分为两大类：一类是Si（硅），另一类是GaAs（砷化镓）。目前用于ASIC设计的主体是硅材料。但是，在一些高速和超高速ASIC设计中采用了GaAs材料。用GaAs材料制成的集成电路，可以大大提高电路速度。目前Si工艺比较成熟。2020/5/133SiliconGaAsASICBipolarFETLogic……BipolarMOSECL/CMLTTLI2LNMOSPMOSMNOSCMOSCMOS/SOSHSMOSMetalGateVMOSCMOS2020/5/1341、在双极型工艺下ECL/CML：EmitterCoupledLogic/CurrentModeLogic射极耦合逻辑/电流型开关逻辑TTL：TransistorTransistorLogic晶体管-晶体管逻辑：IntegratedInjectionLogic集成注入逻辑LI22020/5/1352、在MOS工艺下NMOS、PMOS：MNOS：MetalNitride（氮）OxideSemiconductor(E)NMOS与(D)NMOS组成的单元CMOS:MetalGateCMOSHSCMOS：HighSpeedCMOS（硅栅CMOS）CMOS/SOS：CMOS/SilicononSapphire（兰宝石上CMOS，提高抗辐射能力）VMOS：VerticalCMOS（垂直结构CMOS提高密度及避免Latch-Up效应）2020/5/136第二节MOS晶体管的工作原理MOSFET（MetalOxideSemi-conductorFieldEffectTransistor），是构成VLSI的基本元件。简单介绍MOS晶体管的工作原理。一、半导体的表面场效应1、P型半导体图1P型半导体2020/5/1372、表面电荷减少图2表面电荷减少2020/5/1383、形成耗尽层图3形成耗尽层耗尽层（高阻区）2020/5/1394、形成反型层图4形成反型层反型层2020/5/1310二、PN结的单向导电性自建电场和空间电荷E自E外PN2020/5/1311PN结的单向导电性OVI正向反向2020/5/1312三、MOS管的工作原理P-Si衬底SGDEdsIdsnn2020/5/1313VgsVtn,晶体管截止VgsVtn，晶体管开启，设Vgs保持不变。（1）当Vds=0时，S、D之间没有电流Ids=0。（2）当Vds0时，Ids由S流向D，Ids随Vds变化基本呈线性关系。（3）当VdsVgs-Vtn时，由于沟道电阻Rc正比于沟道长度L，而Leff=L-L变化不大，Rc基本不变，沟道上的电压降（Vgs-Vtn）基本保持不变。所以，Ids=(Vgs-Vtn)/Rc不变，即电流Ids基本保持不变，出现饱和现象。（4）当Vds增大到一定极限时，由于电压过高，晶体管被雪崩击穿，电流急剧增加。2020/5/1314第三节MOS管的电流电压一、NMOS管的I~V特性推导NMOS管的电流——电压关系式：设：VgsVtn，且Vgs保持不变，则：沟道中产生感应电荷，根据电流的定义有：其中：电子平均传输时间栅下感应总电子电荷数QcIdsvL电子运动速度沟道长度2020/5/1315v=n*Edsn为电子迁移率（cm²/v*sec）Eds=Vds/L沟道水平方向场强代入：v=（n*Vds）/L代入：有了，关键是求Qc，需要分区讨论：dsnVL22020/5/1316（1）线性区：Vgs-VtnVds设：Vds沿沟道区线性分布则：沟道平均电压等于Vds/2由电磁场理论可知：Qc=ooxEgWL其中：tox为栅氧厚度o为真空介电常数ox为二氧化硅的介电常数W为栅的宽度L为栅的长度toxVdsVtnVgsEg2/)(2020/5/1317令：Cox=oox/tox单位面积栅电容K=Coxn工艺因子βn=K(W/L)导电因子则：Ids=βn[(Vgs-Vtn)-Vds/2]Vds——线性区的电压-电流方程当工艺一定时，K一定，βn与（W/L）有关。电子的平均传输时间∝L²。VdsVdsVtnVgsLWVdsWLVdsVtnVgsQcIdsnoxoxonoxoxotLt2222020/5/1318（2）饱和区：Vgs-VtnVdsVgs-Vtn不变，Vds增加的电压主要降在△L上，由于△LL，电子移动速度主要由反型区的漂移运动决定。所以，将以Vgs-Vtn取代线性区电流公式中的Vds得到饱和区的电流——电压表达式：22tngsndsVVIVds-(Vgs-Vtn)Vgs-VtnVdsL△LSD2020/5/1319（3）截止区：Vgs-Vtn≤0Ids=0（4）击穿区：电流突然增大，晶体管不能正常工作。2020/5/1320转移特性曲线0VtVgs转移特性曲线Ids2020/5/1321二、PMOS管I~V特性电流-电压表达式：线性区：Isd=βp|Vds|(|Vgs|-|Vtp|-|Vds|/2)饱和区：Isd=(βp/2)(|Vgs|-|Vtp|)²-VgsGN-Si衬底SDIsd=-IdsIdsVddPP-Vds2020/5/1322MOS管版图GSD2020/5/1323第四节反相器直流特性NMOS管：Vtn0增强型Vtn0耗尽型PMOS管：Vtp0增强型Vtp0耗尽型按负载元件：电阻负载、增强负载、耗尽负载和互补负载。按负载元件和驱动元件之间的关系：有比反相器和无比反相器。负载元件驱动元件V0VddViVss2020/5/1324Vi为低时：驱动管截止，输出为高电平：Voh=VddVi为高时：输出为低电平：其中Ron为晶体管的导通电阻。为了使Vol足够低，要求Ron与R应有合适的比例。因此，E/R反相器为有比反相器。ddononolVRRRV*VddV0VssViRl一、电阻负载反相器（E/R）2020/5/1325饱和负载E/E反相器Vi为低电平时：Vi为高电平时：负载管饱和，驱动管非饱和。解之得：令：则：ololteieoltlddlelVVVVVVVII])[()(2)(2)(2teileVVtlddVolVVtlddohVVVVddV0VssViMlMeler)(2)(2teirolVVtlddVVV二、增强型负载反相器（E/E）2020/5/13262、非饱和负载E/E反相器Vi为低电平时：Voh=VddVi为高电平时：两管都处于非饱和工作状态因为：VolVdd，Vol2(Vgg-Vtl)-Vdd所以：ololteieolddolddtlgglelVVVVVVVVVVII])(2[)]()(2[)(2])(2[(teirddddtlggolVVVVVVVVddV0VssViTlTeVgg2020/5/1327一般情况下，ke=kl所以：为使E/E反相器的输出低电平足够低，要求足够大。即，驱动管的宽长比与负载管的宽长比足够大。E/E反相器为有比反相器)/()/(LWlLWerr2020/5/1328三、耗尽负载反相器（E/D）栅漏短接的E/D反相器：工作情况与E/E非饱和负载反相器特性相同，这里不再介绍了。VddV0VssViTlTeVssV0ViVddTlTe2020/5/1329栅源短接的E/D反相器Vi为低电平时：Te截止，Idsl=Idse=0,Voh=VddVi为高电平时：Te非饱和，Tl饱和。根据两管电流公式：VssV0ViVddTlTeteirtloldsedsltlldslolteieololteiedseVVVVIIVIVVVVVVVI22222E/D反相器也是有比反相器2020/5/1330四、CMOS反相器Vi为低电平时：Tn截止，Tp导通，Voh=VddVi为高电平时：Tn导通，Tp截止，Vol=0ViV0IpInTpTnVdd2020/5/1331电流方程如下：设Vtn=-Vtp线性饱和截止VVVVVVVVVVVVVVVVIitnntnitnntnintnitnitni0220202200线性饱和截止VVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVItpiptpdditppdditpddptpiddtpiddtpi0220202202020/5/13320≤ViVtn时：n截止p线性（ViVtnVo+Vtp）p管无损地将Vdd传送到输出端：Vo=Vdd如图a——b段Vtn≤ViVo+Vtp时：n饱和p线性由In=-Ip得：如图b——c段tnViVpnddVtpViVtpViVoV222020/5/1333Vo+Vtp≤Vi≤Vo+Vtn时：n饱和p饱和由In=-Ip得：Vo与Vi无关，称Vth为CMOS反相器的域值电压。如图c——d段Vo+VtnVi≤Vdd+Vtp时：n线性p饱和由In=-Ip得：如图d——e段pntpddptnnithVVVVVddtpinptnitnioVVVββVVVVV222020/5/1334Vdd+VtpVi≤Vdd时：n线性p截止Vo=0如图e——f段V0ViVddVtha----bb----cc----dd----ee----f2020/5/1335CMOS反相器的阈值电压Vth为了有良好的噪声容限，要求Vth=Vdd/2。当βn=βp，Vtn=|Vtp|，有：Vth=Vdd/2。如果要求：βn=βp即：Kn(Wn/Ln)=Kp(Wp/Lp)由于：Kn=CoxnKp=Coxp且在实际中，为了提高电路的工作速度，一般取：Lp=Ln=Lmin则：Wp/Wn=μn/μp即：p管栅宽比n管栅宽大μn/μp倍。2020/5/1336CMOS反相器有以下优点：（1）传输特性理想，过渡区比较陡（2）逻辑摆幅大：Voh=Vdd,Vol=0（3）一般Vth位于电源Vdd的中点，即Vth=Vdd/2，因此噪声容限很大。（4）只要在状态转换为b—e段时两管才同时导通，才有电流通过，因此功耗很小。（5）速度快。上升时间tr：恒流充电下降时间tf：单管放电（6）CMOS反相器是利用p、n管交替通、断来获取输出高、低电压的，CMOS反相器是无比（Ratio-Less）电路。2020/5/1337各种反相器小结：希望反相器的过渡区越陡越好，CMOS反相器最接近于理想反相器。R/EVddViVddVdd-VtVolVo理想波形CMOS反相器E/D反相器R/E反相器E/E饱和负载