CMOS晶体管基础共28页文档

合集下载

MOS场效应晶体管基础[001]

Ii G
V gs
C gsT
S
CM g mVgs
Id
D
RL V d
输入电流： Ii j (Cgs TC M)Vgs
输出电流： Id gmVgs
电压增益：
电流增益：
Q'SD(m ax eN )axdT
1
xdT
4 s f
eNa
p
2
f
p
Vth ln
Na ni
msmE 2eg fp
C ox
ox tox
V T Pto ox x4sea V N th ln N a/(n i) Q 'ss m E 2 e g V th ln N a/(n i)
V DS
D n
ID
VSB 0 1V 3V
9V
V SB es 2efp
Ec
e fp
E Fi EF
Ev
00.64 1 .3 2.19 3.9
es (2ef pVS B )
E Fn
V GS
Ec
e
fp
E Fi EF
Ev
4、小信号等效电路
G
V ' gs
V gs
C gdT C gsT g mV 'gs
VGS VT
G
ID
S
W
VDS

CMOS管资料大全

晶体管型号 Vds Id Pd 放大特征类型IRF120 100V 8A 40W * * NMOS场效应

IRF121 60V 8A 40W * * NMOS场效应

IRF122 100V 7A 40W * * NMOS场效应

IRF123 60V 7A 40W * * NMOS场效应

IRF130 100V 14A 75W * * NMOS场效应

IRF131 60V 14A 75W * * NMOS场效应

IRF132 100V 12A 75W * * NMOS场效应

IRF133 60V 12A 75W * * NMOS场效应

IRF140 100V 27A 125W * * NMOS场效应

IRF141 60V 27A 125W * * NMOS场效应

IRF142 100V 24A 125W * * NMOS场效应

IRF143 60V 22A 125W * * NMOS场效应

IRF150 100V 40A 150W * * NMOS场效应

IRF151 60V 40A 150W * * NMOS场效应

IRF152 100V 33A 150W * * NMOS场效应

IRF153 60V 33A 150W * * NMOS场效应

IRF220 200V 5A 40W * * NMOS场效应

IRF221 150V 5A 40W * * NMOS场效应

IRF222 200V 4A 40W * * NMOS场效应

IRF223 150V 4A 40W * * NMOS场效应

IRF230 200V 9A 75W * * NMOS场效应

《CMOS集成电路基础》课件

静态功耗和动态功耗
静态功耗是指在CMOS集成电路处于静止状态时所消耗的功耗，主要由晶体管漏电流引起。为了降低静态功耗，可以采用降低电源电压或增加阈值电压的方法。
动态功耗是指在CMOS集成电路处于工作状态时所消耗的功耗，主要由信号切换过程中的电流消耗引起。为了降低动态功耗，可以采用降低工作频率或采用低功耗设计技术，如时钟多路选择技术、动态逻辑技术等。
2
CMOS集成电路是数字集成电路的一种，其基本单元是由n型和p型互补的晶体管组成的逻辑门电路。
3
CMOS集成电路具有功耗低、集成度高、可靠性高等优点，因此在计算机、通信、消费电子等领域得到广泛应用。
CMOS集成电路的特点
低功耗
高速性能
CMOS集成电路的静态功耗极低，只有几十微安，甚至几微安，因此非常适合用于便携式电子设备和电池供电的应用。
故障检测与恢复
采用故障检测和恢复机制，及时发现和修复潜在的故障，提高系统的可靠性。
05
CMOS集成电路的发展趋势和未来展望
发展趋势
技术进步
物联网和人工智能的推动
异构集成
可靠性提升
随着制程工艺的不断进步， CMOS集成电路的性能和集成度将得到大幅提升，同时功耗和成本也将进一步降低。
物联网和人工智能技术的快速发展将推动CMOS集成电路在智能传感器、边缘计算等领域的应用，实现更高效的数据处理和传输。

CMOS基础及基本工艺流程

1.单晶硅衬底制备：首先需要准备单晶硅衬底，它是整个集成电路的

基础。这一步骤通常会涉及硅片切割和粗化，最终得到大小合适的硅衬底。

2.外延生长：在单晶硅衬底上外延生长蓝宝石或氮化硅等薄膜，这些

薄膜将作为隔离层使用，以电隔离各个晶体管。

3.门电极制备：在隔离层上制备门电极。通常使用化学气相沉积（CVD）或物理气相沉积（PVD）等技术，在薄膜上沉积一层金属，如铝或钨。

4.掺杂：利用掺杂技术向单晶硅衬底中注入掺杂物（例如硼或磷），

以改变硅的电子特性。

5.晶体管制备：利用光刻技术定义出晶体管的结构，通过曝光、阻挡、显影等步骤，制造出源极、栅极和漏极之间的结构。

6.金属互连：使用金属沉积和光刻技术，在晶体管上制造出金属互连层，将各个晶体管连接在一起。

7.电介质和过程模拟：制备电介质层，通常使用氧化硅或氧化铝等材料。过程模拟是为了检测制造过程中的缺陷和问题。

8.上下电极制备：制造上下电极用于晶体管之间的连接。

9.晶体管测试：测试晶体管的性能和可靠性。

10.封装和测试：最后，将制造好的芯片封装成集成电路，并进行最

终的测试。

以上是CMOS基本工艺流程的主要步骤，每个步骤都需精确控制和复杂操作，以确保芯片的性能和可靠性。CMOS技术由于其功耗低、稳定性好和集成度高等优点，被广泛应用于各种电子设备中，如微处理器、存储器、传感器等。

第2章 CMOS电路设计基础

CMOS逻辑门实现包括：先“与”后“或”最后“非”的逻辑关系的电路为“与或非”(AOI AND-OR-INVERTER)电路
先“或”后“与”最后“非”的逻辑关系的电路为“或与非”(OAI OR-AND-INVERTER)电路
2.4 逻辑设计相关基础知识简介
2.4.1 时钟信号在数字电路中，一般都包含有时钟信号。时钟信号有两个关键的参数：周期和频率，两者之间是倒数的关系。周期T指的是一个全时钟周期所包含的时间，单位为秒(s)，频率的单位为赫兹(Hz)。
两输入或非门电路图及逻辑符号
2.3.4 CMOS传输门
通过将一个NMOS晶体管和一个PMOS晶体管并联构成的，晶体管的源极和漏极作为信号线来使用，栅极分别连接控制信号
传输门的电路图及逻辑符号图
传输门
当S=0时，NMOS晶体管截止，此时 =1， PMOS晶体管也截止，传输门断开，输入信号送不到输出当S=1时，NMOS晶体管导通，此时 =0， PMOS晶体管也导通，传输门导通，输入信号可以传送到输出
– 或操作用PMOS的串联实现
– AB和CD的与操作可以分别用两个PMOS并联完成 – 将两组开关串联就实现了AB和CD的或操作
用PMOS晶体管实现逻辑
F AB CD
用CMOS实现逻辑门
• 举例
总结
并联的NMOS和串联的PMOS都产生“或”操作

CMOS集成电路设计基础实用PPT课件

UG
Ui
Uo
Ui
CL
0
1
(a)
UG 0 1 1
(b)
Uo/(UG－UTH)
Uo 0 (理想 0)
1
UG－UTH
1 (非理想 1)
0
1
Ui / (UG－UTH)
(c)
(a) 电路； (b) 等效开关； (c) 传输特性
第14页/共76页
(1) 当UG=“0”(接地)时， NMOS管截止(开关断开)，输出Uo=0。 (2) 当UG=“1”(UDD)时， NMOS管导通(开关合上)，此时视Ui的大小分两种情况： ① Ui<UG-UTH(UTH为NMOS管阈值电压)，
Pcap(t)dt
T 0
Vouticap(t)dt
Vdd
CLVoutdVout
0
1 2
CL
•
Vd2d
第13页/共76页
MOS开关及CMOS传输门
单管MOS开关
NMOS单管开关
NMOS单管开关电路如图所示， CL为负载电容， UG为栅电压，设“1”表示 UG=UDD， “0”表示UG=0(接地)。
即 UGDP=|Ui-Uo|<|UTHP|
第31页/共76页
3. CD段当Ui进一步增大，且满足 Uo+|UTHP|≤Ui≤Uo+UTHN N管和P管的电流相等，根据电流方程：

CMOS工艺和器件完整版

耗尽区
p-衬底
B
NMOS管
NMOS管旳构造剖面示意图
衬底掺杂成为P型半导体，n+表达重度掺杂成为N型半导体（称扩散区）。在栅与衬底之间电场作用下，栅下面旳衬底表面多数载流子空穴受排斥而降低，当空
穴基本被赶走时，在衬底表面形成耗尽层。当电场进一步增强时，不但空穴被赶走，电子也被吸引到衬底表面，从而使P型半导体旳表面层变成电子占多数旳N型层（反型层），使得源、漏、反型层形成一体旳N型区。而反型层也就是“沟道”。
p-well
substrate
n-well
CMOS工艺(双阱)环节示意 CMOS Process steps (2)
Pattern polysilicon before diffusion regions
poly p-well
gate oxide
poly n-well
CMOS工艺(双阱)环节示意 CMOS Process steps (3)
a CMOS Inverter：剖面图及版图（俯视图）
N-well process
N-well process with substrate contact
(a )
out VDD
in
PMOS衬底接电源、NMOS衬底接地
VDD
Vss
(b)
out
VDD
Vss

cmos工艺双极型晶体管

CMOS工艺双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor，BJT）是一种用于电子设备的半导体器件。它由三个掺有不同材料的半导体区域（P 型、N型和P型）组成，形成了一个PNP结或一个NPN结。

在PNP型BJT中，P型区域为基极（Base），N型区域为发射极（Emitter），P型区域为集电极（Collector）。在NPN型BJT中，N型区域为基极，P型区域为发射极，N型区域为集电极。

当一个电压被施加到BJT的基极时，它将导致一个电流在基极和发射极之间流动，这个电流被称为基极电流（IB）。这个电流将激活BJT 中的载流子，使其在发射极和集电极之间流动。

BJT的放大效应是通过调节基极电流来实现的。当增加IB时，BJT的输出电流（IC）也会增加。因此，BJT可以被用作放大器或开关。

CMOS工艺指的是一种集成电路制造技术，其中使用的是互补金属-氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS）技术。在CMOS工艺中，BJT是由P型和N型晶体管构成的，而不是单个P型或N型区域。这种结构被称为CMOS BJT。

CMOS BJT具有较低的功耗和噪声，并且在高速应用中具有较好的性能。它们通常用于模拟电路和RF电路中，如放大器、混频器、振荡

器等。

模拟cmos基础知识

模拟CMOS基础知识

一、什么是CMOS

1.1 CMOS的定义和作用

CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互补金属-氧化物-半导体）

是一种集成电路的制造工艺，也是一种特定类型的晶体管。CMOS技术被广泛应用

于逻辑电路、模拟电路和数模混合电路中。

CMOS在数字电路方面具有优异的性能，相比于传统的TTL（Transistor-

Transistor Logic）和ECL（Emitter-Coupled Logic），CMOS电路功耗低、可靠

性高。它还具有良好的抗噪声特性和工作频率范围广的特点。

1.2 CMOS的组成结构

CMOS电路由nMOS（n型金属-氧化物-半导体）和pMOS（p型金属-氧化物-半导体）两种晶体管组成。

nMOS晶体管的工作原理是通过控制门电压，使得通道导电或截止，实现电流的控制。

pMOS晶体管则与nMOS相反，通过控制门电压控制通道的导电或截止。

这两种晶体管可以根据不同的逻辑功能进行灵活组合，从而实现复杂的电路功能。

二、CMOS工作原理

2.1 nMOS的工作原理

•当门端施加了高电压（高于阈值电压），nMOS的沟道导通，形成通路，电流通过；

•当门端施加了低电压（低于阈值电压），nMOS的沟道截止，电流停止。

2.2 pMOS的工作原理

•当门端施加了低电压（低于阈值电压），pMOS的沟道导通，形成通路，电流通过；

•当门端施加了高电压（高于阈值电压），pMOS的沟道截止，电流停止。

2.3 CMOS的工作原理

CMOS电路由nMOS和pMOS组成，其工作原理有以下几个重要特点：

CMOS集成电路基础知识

CMOS是ComplementaryMetal-OxideSemiconductor一词的缩写。在业余电子制作中我们经常会用到它，这里系统、详细的介绍一些CMOS 集成电路基础知识及使用注意事项。

CMOS集成电路的性能及特点

功耗低

CMOS集成电路采用场效应管，且都是互补结构，工作时两个串联的场效应管总是处于一个管导通，另一个管截止的状态，电路静态功耗理论上为零。实际上，由于存在漏电流，CMOS电路尚有微量静态功耗。单个门电路的功耗典型值仅为20mW，动态功耗（在1MHz工作频率时）也仅为几mW。

工作电压范围宽

CMOS集成电路供电简单，供电电源体积小，基本上不需稳压。国产CC4000系列的集成电路，可在3~18V电压下正常工作。

逻辑摆幅大

CMOS集成电路的逻辑高电平“1”、逻辑低电平“0”分别接近于电源高电位VDD及电影低电位VSS。当VDD=15V，VSS=0V时，输出逻辑摆幅近似15V。因此，CMOS集成电路的电压电压利用系数在各类集成电路中指标是较高的。

抗干扰能力强

CMOS集成电路的电压噪声容限的典型值为电源电压的45%，保证值为

电源电压的30%。随着电源电压的增加，噪声容限电压的绝对值将成比例增加。对于VDD=15V的供电电压（当VSS=0V时），电路将有7V 左右的噪声容限。

输入阻抗高

CMOS集成电路的输入端一般都是由保护二极管和串联电阻构成的保护网络，故比一般场效应管的输入电阻稍小，但在正常工作电压范围内，这些保护二极管均处于反向偏置状态，直流输入阻抗取决于这些二极管的泄露电流，通常情况下，等效输入阻抗高达103~1011Ω，因此CMOS集成电路几乎不消耗驱动电路的功率。

第08章-CMOS工艺双极型晶体管和二极管

第八章 CMOS工艺双极型晶体管和二极管
来自百度文库
白雪飞中国科学技术大学电子科学与技术系
提纲
• CMOS工艺双极型晶体管 • CMOS工艺二极管
2
CMOS工艺双极型晶体管
寄生双极型晶体管
• CMOS工艺是为了制造MOS电路而优化设计的 • CMOS工艺只能生成寄生双极型晶体管，其性能不及标准双极工艺或 BiCMOS工艺的双极型晶体管
• CMOS工艺寄生双极型晶体管在电路设计中也可以加以利用
4
衬底PNP晶体管
• 任何N阱CMOS工艺都可以制作衬底PNP晶体管
– 发射区：P型扩散 – 基区：N阱 – 集电区：P型衬底
5
衬底PNP晶体管版图
(A) 采用叉指状发射区的版图 (B) 采用小接触孔大面积发射区的版图
6
横向PNP晶体管
N阱CMOS工艺横向PNP晶体管
可以获得较高的增益
7
浅阱晶体管
CMOS工艺浅阱NPN晶体管
8
CMOS工艺二极管
CMOS结型二极管
PSD/N阱二极管可用于ESD保护结构
10
CMOS肖特基二极管
CMOS工艺制造的PSD保护环肖特基二极管
11
匹配PN结二极管
匹配PSD/N阱二极管
12
本章结束

CMOS晶体管基础

interface)
VSB = 源到衬底的电势差(Source to bulk voltage)
对于一般工艺，Vtn= 0.83V(NMOS的阈值电压), Vtp= - 0.91V(PMOS的阈值电压）,
阈值电压由工艺参数决定
3、MOSFET的 I-V 特性 (线性区Triode Region)
MOSFET的温度特性主要来源于沟道中载流子的迁移率µ 和阈值电压VT随温度的变化。
载流子的迁移率随温度变化的基本特征是： T µ
由于
所以，
W
gm tox L Vgs VT
T gm 阈值电压VT的绝对值同样是随温度的升高而减小：
T VT VT(T) (2 4) mV/°C VT的变化与衬底的杂质浓度Ni和氧化层的厚度tox有关：
ID
2
VGS VTHN
2
Where
KP n
W L
➢ 当晶体管被夹断(pinchoff)时, 发生了什么?
➢ 增大 VDS 使耗尽区扩大到沟道中. ➢ 这导致ID 随 VDS 的增加而增大. 因此ID 可写为:
ID 2
VGS VTHN
2 1 c VDS VDS _ Sat
Where
二 CMOS晶体管基础
➢ 主要内容
1 、结构及工作原理 2、阈值电压 3、电流—电压方程（I-V特性） 4、MOS管寄生电容 5、小信号等效电路 6、gm、gds 7、MOSFET的数字模型 8、衬偏调制效应 9、MOSFET的温度特性 10、CMOS结构图

CMOS基础及基本工艺流程

MOSFET的分类 1.根据根据器件结构进行分类：
• N沟MOS晶体管（nMOST）的衬底为p型，源漏区为重掺杂的n＋区，沟道中的载流子为电子； • p沟MOS晶体管（pMOST）的衬底为n型，源漏区为重掺杂的p＋区，沟道中的载流子为空穴。 MOS器件在正常情况下，只有一种载流子（n沟为电子，p沟为空穴）在工作，因此也称这种器件为单极晶体管，这是与双极晶体管相对而言的，双极晶体管在正常工作时与两种类型的载流子（电子和空穴）都有关。
• 增加MOSFET增益的方法主要有： • ⑴ 增加Cox，即减小MOSFET的栅氧化层厚度。 • ⑵ 提高器件的载流子迁移率。由于电子的迁移率比空穴高，因此nMOST的增益比 pMOST高。 • ⑶增加沟道宽度W，缩小沟道长度L。
CMOS电路的闩锁效应
• 在阱和衬底之间耦合的寄生PNP 和NPN三极管会瞬间开启，它们形成的正反馈会引发大的电流（这就是闩锁效应），闩锁效应会造成CMOS电路的失效或永久损坏。
2.根据工作模式进行分类：
四种不同类型的MOSFET
栅压器件类型常态 n沟增强型耗尽型关开＋Vg开启－Vg关闭 p沟－Vg开启＋Vg关闭
MOSFET直流特性
• 线性区：对于给定的Vgs（>Vth），线性区的Id随Vds线性增加。 • 饱和区： Ids不再随Vds增加而增加，它达到了饱和值。 • 击穿区：饱和区之后，若Vds进一步增加，晶体管将进入击穿区。在该区，Ids随Vds的增加而迅速增加，甚至引起漏衬pn结击穿，这是由漏端的高电场引起的。 • 截止区： Vgs<Vth，器件未被开启

cmos基础知识

2012-3-15
16
MOS的I/V特性
此时D,S间体现为一个电阻，其阻值为：
Ron
=
∂VDS ∂I D
1
=
µ nCox
W L
(VGS
− VTH
)
(2.9)
2012-3-15
17
MOS的I/V特性
（2.9）式表示：
a：在满足 VDS << 2(VGS −VTH ) 的条件下，MOS管体
现出线性电阻的特性，其直流电阻与交流动态电阻相等。 b：该线性电阻大小取决于VGS，即调节VGS，可调节电阻的大小。因此我们常常把工作在这种区域的晶体管称为“压控晶体管”。
或
2012-3-15
ID(x) [ = −WCox VGS −V (x) −VTH ]⋅ µn ⋅ (−dV(x) dx) [ = WCox VGS −V (x) −VTH ]⋅ µn ⋅(dV(x) dx)
13
MOS的I/V特性
边界条件 V (0) = 0,V (L) = VDS
两边积分可得
∫ ∫ [ ] L
MOSEFT
♦ MOSEFT的基本概念 ♦ MOSEFT的工作原理 ♦ MOSEFT的I/V特性
2012-3-15
1
MOSFET的基本概念
1. MOSFET的结构简图
图2.1 NMOSFET结构简图

cmos模拟集成电路设计基础

CMOS模拟集成电路（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Analog Integrated Circuit）是一种基于CMOS技术的模拟电路集成化设计。以下是CMOS模拟集成电路设计的基础知识：

1.CMOS技术：CMOS是一种集成电路制造技术，其中包含

两种类型的晶体管：NMOS（N型金属氧化物半导体）和PMOS（P型金属氧化物半导体）。通过将NMOS和PMOS 晶体管结合，可以实现低功耗、高集成度和高性能的模拟集成电路设计。

2.基本元件：CMOS模拟集成电路设计中使用的基本元件包

括晶体管、电容器和电阻器。NMOS和PMOS晶体管用于实现放大和开关功能，电容器用于存储电荷和控制频率响应，电阻器用于调整电路的工作条件。

3.偏置电路：CMOS模拟集成电路中的偏置电路用于提供恒

定和稳定的电流或电压。它包括电流镜（Current Mirror）电路和电压源（Voltage Reference）电路。这些电路通过调整电流和电压的偏置，使电路在不同工作条件下具有可靠的性能。

4.放大电路：CMOS模拟集成电路中的放大电路用于增强输

入信号的幅度。放大电路通常由差分放大器（Differential Amplifier）和级联的共尺寸（Common-Source）放大器组

成。放大电路的设计需要考虑输入电阻、增益、带宽和稳定性等因素。

5.反馈电路：CMOS模拟集成电路中的反馈电路用于控制电

路的增益和稳定性。反馈电路通过将一部分输出信号反馈到输入端，调整输入和输出之间的关系，实现精确的控制和稳定性。

最新CMOS晶体管基础

interface)
VSB = 源到衬底的电势差(Source to bulk voltage)
对于一般工艺，Vtn= 0.83V(NMOS的阈值电压), Vtp= - 0.91V(PMOS的阈值电压）,
阈值电压由工艺参数决定
3、MOSFET的 I-V 特性 (线性区Triode Region)
由于电场的作用，P—SUB中的少量电子移动到了沟道的顶部。这样就形成了一条电子移动的通道，如果VDS>0,就会形成源漏电流IDS。
wk.baidu.com
沟道夹断
2、阈值电压（Threshold Voltage）
➢ 阈值电压是当沟道反型时所需的电压 (i.e. 将沟道从p型变到n型的电压).
➢ 阈值电压可按下式计算:
➢ 晶体管偏置在 VGS VTHN , 此时沟道已形成. ➢ 漏源电压 (VDS) 较小. ➢ 漏极电流可用下式表示:
IDVGSVTHN VDSV2D 2S
WhereKPnW L
MOSFET I-V 特性 (饱和区Saturation Region)
➢ 晶体管偏置在 VGS VTHN ，此时沟道已形成. ➢ 漏源电压较大 (i.e. VDS VGS – VTHN). ➢ 理想的漏极电流可表示为:
以上各式中：
Eox: 氧化层的介电常数。
Tox: 氧化层的厚度。
Cox’ ：表示单位面积氧化层的电容值。