数字专用集成电路设计2

MOS晶体管基本工作原理
• nMOS管V-I特性
MOS晶体管基本工作原理
• nMOS器件理想设计方程
0 2 V ds = β ( V g −V t ) V ds − 2 β 2 − ( V V ) gs t 2 V
gs
−V t ≤ 0
gs
• 图为MOS三极管版图示意图,即芯片表面顶视 图。在加工时P型硅上先加工多晶硅栅极，再 加工扩散层的D和S，因此扩散层版图中，源、 漏极连成一线。
D G W S L
MOS晶体管基本工作原理
• nMOS三极管剖面图
MOS晶体管基本工作原理
• 反型层的形成
MOS晶体管基本工作原理
• 反型层和n型硅都依靠自由电子导电，但 自由电子产生的方法不同。
– 用离子诸如法改变沟道掺杂浓度 – 采用不同栅极绝缘材料
MOS晶体管基本工作原理
• 在数字逻辑电路中，工作速度是一项很重要的 指标。 • 电子从源极运动到漏极所需时间：
τ=L2/μnVd ，也称MOS管的切换时间。
• μn为常数，在Vd一定时，τ与L2成正比。 • 因此为提高电路的工作速度，沟道长度L做的 越短越好，所以L通常是加工集成电路中最细 的线条宽度。这取决于加工的精度。加工精度 提高2倍，工作速度可提高4倍。这也是集成电 路要千方百计提高加工精度的一个重要原因。
数字专用集成电路设计2
陈禾
内容: ¾CMOS电路基础知识
¾MOS管基本理论 ¾CMOS基本电路
CMOS电路基础知识
• MOS器件是VLSI基础 • MOS器件有nMOS和pMOS两种类型，以 及两种类型的结合-CMOS器件 • CMOS为目前VLSI的主流工艺
MOS晶体管基本工作原理
• nMOS管：电子作为导电载流子 • pMOS管：空穴导电
CMOS基本电路
• MOS开关
MOS开关
• 不管是nMOS还是pMOS，其导通条件是： |Vgs | ≥ | Vt | • 饱和条件是： |Vgd |≤ | Vt |
nMOS开关
• MOS开关在转换过程中，要对CL进行冲 放电
Vin Vgs Φ Vo CL VSS
• CMOS逻辑电平
CMOS逻辑
CMOS基本电路
• CMOS逻辑
CMOS基本电路
• CMOS复合门和传输门
CMOS基本电路
• 练习
CMOS基本电路
思考题
• MOS晶体管基本工作原理？ • 如何改善MOS晶体管的工作速度？ • 在传输门设计时，通常选用CMOS而非 nMOS的主要原因？ • 画出下列布尔表达式的CMOS晶体管电 路图。
βp = εµ p W p
Tox ⋅ Lp
CMOS基本电路
• CMOS 反相器的传输 特性曲线随着 βn/βp 比值的不同而发生变 化， βn/βp 比值的改 变，是通过改变晶体 管沟道的长度 L 和宽 度W来实现的。当 βn/βp 减小时，传输 区域从左向右移动。
CMOS基本电路
• 对于 CMOS 反相器，比值取为 βn/βp=1 较好， 因在这种情况下，反相器对负载电容的充放电 时间相同。 • 影响传输特性曲线的另一个因素是温度，当温 度升高，晶体管沟道中载流子迁移率降低。因 而降低了晶体管的β值。电子和空穴同样受温 度影响。随着温度升高Vtn和Vtp同时都变小， 这意味着，反相器的五个工作区中的A区变小 了，而E区变大了。因此，图中整个传输特性 曲线随着温度升高，将向左倾斜，并向右略有 偏移。如果温度升高50℃，n管和p管的阈值电 压都降低200mV，这将造成0.4V的偏移。
I ds
0 < V ds < V 0 <V
gs
−V
−V t < V ds
β=
µε W
t ox ( L
)
MOS晶体管基本工作原理
• 阈值电压大小取决于：
– – – – – – 栅极材料 栅极绝缘材料 栅极绝缘层厚度 沟道掺杂浓度 源极与衬底之间电压 环境温度：随温度升高而降低
• 调节阈值电压大小方法：
• An n -channel transistor provides a strong '0', but a weak '1'. • A p -channel transistor provides a strong '1', but a weak '0'. • CMOS technology produces strong '0' logic levels as well as strong '1' logic levels.
增强型 nMOS 符号 耗尽型 nMOS 增强型 pMOS 耗尽型 pMOS
伏 安 特 性 Id：漏电流 Vgs：栅电 压
-Vgs -Vtp 0
-Vgs 0 Vtp
Id
-
Id Id -Id
0 Vtn
Vgs -Vtn
+
0
Vgs
MOS晶体管基本工作原理
• 增强型nMOS 三极管立体构造
MOS晶体管基本工作原理
CMOS基本电路
• CMOS反相器
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CMOS基本电路
• CMOS反相器传输特性曲线
CMOS基本电路
• CMOS反相器传输特性曲线
CMOS基本电路
• 在 A 区，输入为逻辑 “0” ，对应的输入电压为 0≤Vin≤Vtn，n管截止，p管导通，并处在线性 工作区。无电流流过反相器，VDD经p管输出。 反相器输出完整的逻辑1电平。 • 在E区，输入为逻辑1，对应的输入电压为 Vin≥VDD-∣Vtp∣，n管导通，处于线性工作状 态。p管截止，无电流流过反相器。反相器输 出为完整的逻辑0电平。
– n型硅是在制造过程中由扩散掺杂工艺产生 – 反型层则由栅极电压感应产生
• 故MOS管又称场效应晶体管
MOS晶体管基本工作原理
• Vtn是MOS晶体管的一个极其重要的参数 • Vtn可在制造过程中加以控制 • Vtn取的太大，晶体管不易导通，要求很 大的驱动电流才能导通 • Vtn取的太小，晶体管不易截止，抗干扰 能力变差 • 通常Vtn ≈0.2VDD
CMOS基本电路
• CMOS 电路中既有 nMOS 管，又有 pMOS 管，有两种导电载流子。影响电路传输 特性的，不仅是晶体管的形状尺寸比值， 而且与管子类型也有关。因此，在 CMOS 电路中采用晶体管增益因子讨论 电路性能。 nMOS 和 pMOS 管的 ß 表示为：
βn = εµ n Wn
Tox ⋅ Ln
CMOS基本电路
• 在B区，输入电压增加到刚好超过n管的阈值电 压Vtn，其电压范围为Vtn≤Vin≤VDD/2。n管源 漏之间有大的电压降，处于饱和状态。p管也 导通，源漏间电压很小，处于线性工作状态。 • C区，CMOS反相器中的p管和n管都处于饱和 状态。 • 在D区，当输入电压为VDD/2<Vin≤VDD－ ∣Vtp∣时，p管饱和，n管工作在线性区。这一 工作状态与B区相似。
MOS晶体管基本工作原理
• nMOS管不同Vds情况下的沟道特性
Vgs ≥ Vtn, Vds=0; Vds≤ Vgs - Vtn; Vds>Vgs-Vtn
MOS晶体管基本工作原理
• 当Vgs<Vtn时为截止状态，Ids ＝0，晶体管不导 通。 • 当Vgs>Vtn ， Vds≤ Vgs - Vtn时为线性状态， Ids 现随Vg的增加而增加，也随Vds的增加而增加。 • 当Vgs>Vtn ， Vds>Vgs-Vtn时为饱和状态，Ids只随 Vg的增加而增加，但不随的Vds增加而明显增 加。 • 当然，Vds有一定限制，电压过高，晶体管将被 击穿。
MOS晶体管基本工作原理
• 还可从MOS管的过渡过程来分析其工作速度。 通常数字电路输出端连到下一级电路的栅极， 带的是栅极电容负载Cg。晶体管栅极与沟道形 成一平板电容：Cg=(ε·WL)/Tox 。MOS管的输 出电阻为Rc，故过渡过程的时间常数为： Rc Cg ＝ L2/μn（Vgs－Vd） • 与上页有类似的形式，进一步说明τ与L2成正 比。 • 迁移率μn ≈2.5 μp，因此在相同情况下， nMOS管比pMOS管工作时间快。
F=AB+C