超大规模集成电路期终总复习资料

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（4）、CMOS反相器
CMOS反相器由一个P沟道增强型MOS管和一个N沟道 增强型MOS管串联组成。通常P沟道管作为负载管，N沟道 管作为输入管。
两 个 MOS 管 的 开 启 电 压 VthP<0 ， VthN >0，通常为了保证正常工作，要求 VDD>|V(thP|+VthN。
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3、形成耗尽层
耗尽层（高阻区）
图 3 形成耗尽层
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4、形成反型层
反 型 层
图 4 形成反型层
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三、MOS管的工作原理
S
D
G
n P-Si 衬底
n
Eds
多I数ds载流子
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Vgs<Vtn, 晶体管截止 VgsVtn，晶体管开启，设Vgs保持不变。
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（1）线性区：Vgs-Vtn>Vds
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= oox EgWL
其中： Eg (Vgs Vtn) Vds / 2
tox
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
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（1）当Vds=0时，S、D之间没有电流Ids=0。 （2）当Vds>0时，Ids由S流向D，Ids随Vds变化基本呈线性
关系。
（3）当Vds>Vgs-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。
PMOS管：Vtp<0 增强型 Vtp>0 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。
Vdd
负 载 元 件
V0
驱
动
Vi
元
件
Vss
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2. MOS反相器
反相器是最基本的逻辑单元。MOS管构成反相器有四种类 ①E/R MOS反相器：有比反相器
输入器件──增强型MOS管 ；负载──电阻 该电路在集成电路中很少用，在分离元件电路中常用。 ②E/E MOS反相器：（Enhancement/Enhancement MOS）有比反相器 输入器件──增强型MOS管 负载──增强型MOS管 ③E/D MOS反相器：（Enhancement/Depletion MOS）有比反相器 输入器件──增强型MOS管 负载──耗尽型MOS管 ④CMOS反相器（Complementary MOS） E/E MOS和E/D MOS均采用同一沟道的MOS管； CMOS则采用不同沟道的MOS管构成反相器。 输入器件──增强型PMOS或增强型NMOS 负载──增强型NMOS或增强型PMOS
2
Vgs Vtn
Ids n
2
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（3）截止区：Vgs-Vtn≤0 Ids=0 （4）击穿区：电流突然增大，晶体管不能正常工作。
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转移特性曲线
Ids
0 Vt
Vgs
转移特性曲线
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第四节 MOS反相器
NMOS管：Vtn>0 增强型 Vtn<0 耗尽型
L 为栅的长度
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Ids
ຫໍສະໝຸດ Baidu

Qc


o ox
Vgs
Vtn
2
V2dsWL

o
ox
L tox
t ox Vds
n
W L
Vgs
Vtn
V2dsVds
n
令：Cox= o ox/tox 单位面积栅电容
K= Cox n
工艺因子
βn=K(W/L)
期末总成绩分布： 重点章节：第3、4、5、6章占90% 非重点章节：第1、2、7章占10%
第三章 器件设计技术
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本节重点： 1.半导体表面场效应。 2.Mos晶体管的工作原理。 3.NMOS管的电流—电压特性。 4.CMOS反相器结构及工作原理。
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第二节 MOS晶体管的工作原理
如图a——b段
（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。
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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：Vgs>Vtn，且Vgs保持不变， 则：沟道中产生感应电荷，根据电流的定义有：
Ids

栅下感应总电子电荷数
MOSFET（Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor），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 1 P 型半导体
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2、表面电荷减少
图 2 表面电荷减少
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若输入vI为低电平(如0V)，则负载管 导通，输入管截止，输出电压接近VDD 。
VDD S
G
TL
D
vI
vO
D
G
T0
S
CMOS反相器
若输入vI为高电平(如VDD)，则输入管导通，负载管截止， 输出电压接近0V。
0≤Vi<Vtn时： n截止 p线性 （Vi<Vtn<Vo+Vtp）
p管无损地将Vdd传送到输出端：Vo=Vdd
电子平均传输时间
Qc
其中：


沟道长度 L 电子运动速度
v
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v=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：
L2
n Vds
有了，关键是求Qc，需要分区讨论：
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导电因子
则：Ids=β n[(Vgs-Vtn)-Vds/2]Vds
——线性区的电压-电流方程
当工艺一定时，K一定，β n与（W/L）有关。电 子的平均传输时间∝L²。
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（2）饱和区：Vgs-Vtn<Vds
L
S
D
Vgs-Vtn △L Vds-(Vgs-Vtn)
Vds
Vgs-Vtn不变，Vds增加的电压主要降在△L上，由 于△LL，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：