电子科大微固学院专业课集成电路原理与设计课件第四章考研专业.pptx
《电子科大微固学院专业课集成电路原理与设计课件第四章考研专业.pptx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《电子科大微固学院专业课集成电路原理与设计课件第四章考研专业.pptx(114页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:581王向展 4.3 CMOS反相器 4.3.1 CMOS逻辑电路的特点 4.3.2 CMOS反相器特性分析 4.3.3 CMOS传输门 4.4 三态输出缓冲器 4.5 静态CMOS逻辑门电路 4.5.1 CMOS基本门电路 4.6 动态和准静态CMOS电路 4.6.1 动态CMOS电路 4.7 CMOS变型电路 4.7.1 伪NMOS逻辑 4.7.2 钟控CMOS逻辑(C2MOS)4.7.3 预充电鉴别逻辑(P-E逻辑)4.7.4多米诺(Domino)CMOS逻辑集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:582王向展 4.1 MOS器件的基本
2、电学特性4.1.1 MOSFET的结构与工作原理 MOSFET是Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor的英文缩写,平面型器件结构,按照导电沟道的不同分为NMOS和PMOS器件。MOS器件基于表面感应的原理,是利用垂直的栅压VGS实现对水平IDS的控制。它是多子(多数载流子)器件。用跨导描述放大能力。集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:583王向展图4.1 NMOS结构示意图 MOSFET(器件/电路)的特点1.只靠一种载流子工作,称为多子器件。2.可看作“压控电阻器”。3.无少子存储效应,可制成高速器件。4.输入阻抗高,驱动
3、电流小。适于大规模集成,是VLSI、ULSI的基础。低压低功耗电路。5.热稳定性好。(负温度系数)6.缺点是导通压降大,输入电容大,驱动能力弱。集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:584王向展图4.2 不同VG下NMOSFET能带分布 集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:585王向展4.1.2 MOSFET的阈值电压阈值电压-使MOS器件沟道区进入强反型(S=2FB)所加的栅电压。(4.1)集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:586王向展式中 MS-栅与衬底的接触电势差VBS-衬底与源之间的衬偏电压S-衬底表面势FB-硅衬底的体费米势QSS-硅与Si2O界面的单位
4、面积电荷量(C/cm2)QB0-零衬偏时Si2O下面耗尽层单位面积的电荷量(C/cm2)Qi-调沟离子注入时引入的单位面积电荷量(C/cm2)Cox-电位面积的栅电容VFB-平带电压 -体效应因子(衬底偏置效应因子)(V1/2)集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:587王向展(C/cm2)(“+”for PMOS,“”for NMOS)(C/cm2)NSS=10101011 (cm-2)(F/cm2)集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:588王向展ni=1.51010cm-3 (测量值)MS=体材料的接触电势 栅材料的接触电势(注:接触电势相对于本征Si而言)集成电路原理与
5、设计2024/4/2 周二 4:589王向展集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5810王向展例4.1 求解Vth,已知:N+Poly-Si栅NMOS晶体管,栅氧厚度tox=0.1m,NA=31015cm-3,ND=1020cm-3,氧化层和硅界面处单位面积的正离子电荷为1010cm-2,衬偏VBS=0V。求:Vth,。解:NMOS衬底费米势为N+Poly-Si栅接触电势Poly-Si=0.56(V)得:集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5811王向展集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5812王向展4.1.3 MOSFET的简单大信号模型参数1、非饱和区(VG
6、SVth,VDS(VGS-Vth)(4.2)2、饱和区(VGSVth,VDS(VGS-Vth)(4.3)集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5813王向展对于Si:n=580 cm2/(Vs),p=230 cm2/(Vs)W,L均为有效尺寸K=COX (A/V2)导电系数=(COXW)/L (A/V2)跨导参数 沟道长度调制因子(V-1)5m硅栅P栅CMOS工艺典型值:集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5814王向展例4.2 计算MOS管IDS已知:N+Poly-Si栅NMOS晶体管宽长比W/L=100m/10m,漏、栅、源、衬底电位分别为5V,3V,0V,0V。n=58
7、0 cm2/(Vs),其他参数与例4.1相同。求:漏电流IDS;若漏、栅、源、衬底电位分别为2V,3V,0V,0V,则IDS=?解:由已知VGS=3V,VDS=5V,VBS=0V,Vth=0.439V VDS=5V(VGS-Vth)=3-0.439=2.561(V)器件工作在饱和区,则:(若不考虑沟道长度调制,IDS=0.63mA)集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5815王向展 如果VGS=3V,VDS=2V,VBS=0V,则 VDS=2V(VGS-Vth)=3-0.439=2.561(V)器件工作在非饱和区,有:集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5816王向展4.1
8、.4 MOSFET小信号模型参数1、跨导gm 表征了MOSFET栅压对漏源电流的控制能力(VDS恒定)。(1)饱和区:(4.4)集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5817王向展 (2)非饱和区:2、沟道电导gds 表征了MOSFET漏源电压对漏源电流的控制能力(VGS恒定)。(1)饱和区:(4.5)(4.6)集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5818王向展 (2)非饱和区:3、品质因数0 表征开关速度正比于栅压高出阈值电压的程度,可作为频率响应的指标。其中,为载流子沟道渡越时间。(4.7)(4.8)集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5819王向展 Tips
9、高速电路需gm尽可能大。VGS,或Vth 0,有利于电路速度提高。但:VGS VDS,电路功耗增大。Vth 逻辑摆幅,电路抗干扰能力下降。晶向的n型反型层(p型衬底)表面电子迁移率大于晶向的迁移率,大约为晶向p型反型层中空穴迁移率的3倍。所以,高速NMOS电路多选择晶向p型衬底。集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5820王向展4.1.5 MOSFET分类与比较1、MOS器件分类集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5821王向展2、MOSFET的符号 源极的箭头将源漏区分开,同时标明了源极载流子所形成的电流方向。衬底的箭头方向可以认为是沟道(N或P)与衬底所形成的PN结的方
10、向。源漏两极在物理上并无区别,只有在加上电源(和偏置)时才出现工作点的差异。电路图中应尽量使用简洁的符号,除非必要,不必给出衬底的连接。图4.3 MOSFET的符号 集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5822王向展3、MOSFET的特性图4.4 NMOSFET的特性 集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5823王向展图4.5 PMOSFET的特性 集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5824王向展4、Vth的比较Al栅:E-NMOS 0 +D-NMOS 0 +E-PMOS 0 D-PMOS 0 硅栅:E-NMOS 0 +D-NMOS 0 +E-PMOS 0 D-
11、PMOS 0 +(N+)集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5825王向展P+硅栅:E-NMOS 0 +D-NMOS 0 +E-PMOS 0 +D-PMOS 0 +在集成电路工艺中,通常需要对阈值电压进行调整,使之满足电路设计的要求,此工序称为“调沟”。即向沟道区进行离子注入(Ion Implantation),以改变沟道区表面附近载流子浓度,与此相关的项用 表示。一般调沟用浅注入,注入能量在6080KeV左右;若异型注入剂量、能量较大,则可注入到体内,形成埋沟MOS(Buried-Channel MOS)。集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5826王向展4.1.6 MO
12、SFET和Bipolar BJT的比较MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect TransistorBJT Bipolar Junction Transistor 特性不同(图4.6,工作区的定义不同)工作原理不同(流控与压控,与gm)输运机制不同(少子器件与多子器件,双极与单极)集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5827王向展图4.6 Bipolar BJT与MOS器件输出特性曲线 集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5828王向展 4.2 NMOS逻辑IC4.2.1 静态MOS反相器分类与比较1、各种静态MOS反相器反
13、相器?集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5829王向展图4.7 各类静态MOS反相器 集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5830王向展2、静态MOS逻辑电路(反相器)的比较 PMOS反相器(最早进入市场)优点:工艺简单、成熟、成本低。缺点:工作速度低(p较低门延迟一般几百ns)。工作电压高(-18 -24V)功耗大。进一步降低功耗提高速度困难。NMOS反相器 优点:迁移率高(n=2 3 p)工作速度 VT低工作电压VDD功耗改善。工作电平易于与双极电路匹配。缺点:工作过程中负载管始终开启功耗较大。集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5831王向展 CMOS反相
14、器 优点:极小的静态功耗 极高的输入阻抗(108)较高的速度 较大的噪声容限 缺点:工艺复杂,对设备要求较高 BiCMOS(CMOS+Bipolar)反相器 既有BJT的高速度、高驱动能力和高精度模拟性能,又有CMOS电路的低功耗、高集成度的优点。集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5832王向展3、静态MOS逻辑电路的特点(1)可在直流电压下工作。(2)当完成一个逻辑过程后,只要条件不变,其最终结果可长时间以一种稳定状态保持下来。(3)电路的线路形式可与同功能的双极型电路类似。集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5833王向展4.2.2 NMOS反相器1、电阻负载 反相器
15、静态特性通常用电压传输特性(VOVi)来描述。可由负载的伏安特性、输入管特性及电源电压三要素导出。图4.8 电阻负载反相器(4.9)负载线方程:(4.10)可得:集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5834王向展(4.11)图4.9 电阻负载NMOS反相器负载方程曲线和传输特性曲线 集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5835王向展由传输特性曲线可见:(1)VOH=VDD(2)RL,VOL(3)RL,过渡区变窄 要使反相器性能,须有大阻值RL。扩散电阻,面积 MOS静态存储器常用离子注入多晶硅电阻(R=106107)一般反相器用MOSFET作有源负载集成电路原理与设计202
16、4/4/2 周二 4:5836王向展2、饱和负载反相器(E/E)负载管TL:VDS=VGS (VGS-VT)。TL始终处于饱和区,因此称为饱和负载反相器。(1)静态特性(输出特性、传输特性和直流噪声容限)F输出特性 主要考虑开态(导通态:Ion、Von)和关态(截止态:Ioff、Voff)。图4.10 E/E饱和负载NMOS反相器 集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5837王向展开态时,负载管TL:(4.12)而:即:(4.13)集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5938王向展 可见,要使VOL,须有gmLgmI,即:(W/L)L1。高增益过渡区 电压放大系数KV 输入
17、管跨导gmI。图4.12 直流噪声容限 VIL、VIH分别为输入低电平上限和输入高电平的下限。VNML、VNMH则为低电平噪容和高电平噪容。集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5942王向展(2)瞬态特性 (不考虑MOS管本身的存贮时间和渡越时间,电路输出端的全部电容等效为负载电容,输入波形为理想方波)当VOH/VOL=1520,计算下降(放电)时间tf的简化公式为 图4.13 考虑了延迟的输出波形(4.20)显然,CL,tf。即电容存贮的电荷量减小,对于相同的泄放电流所需的放电时间就变短。集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5943王向展而上升(充电)时间近似计算公式:在
18、上升过程中,VO升高,TL衬底偏置效应,VthL,当VOVOH=VDD-VthL,TL处于临界导通状态,导通电阻很大,导电电流很小,上升过程变缓,充电时间曲线拖着一个“长尾”。改进措施:采用非饱和负载、自举负载。(4.21)从上式可以看出,CL,L都可使tr。集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5944王向展(3)速度功耗乘积 静态功耗 反相器不接负载处于导通状态时的功耗。平均直流静态功耗:瞬态附加功耗Pt 反相器做开关器件使用时,在高低电平转换期间对负载电容CL充/放电所消耗的功率。其中,f为开关频率,(一般trtf)。(4.22)(4.23)(4.24)集成电路原理与设计2024
19、/4/2 周二 4:5945王向展要降低MOS电路的功耗,应该降低VDD,减小导通电流;而要提高MOS电路的工作速度,应该降低tr,增大负载电容的充电电流,由式4.21知,可见,降低功耗与提高速度是矛盾的!因此需要有一个新的指标来综合衡量电路性能 集成电路优值(延时功耗积)。延时功耗乘积:(4.25)定义平均延迟时间:集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5946王向展3、非饱和负载反相器 负载管TL栅极偏置使TL处于非饱和区,且VOH可达到VDD。图4.14非饱和负载 E/E NMOS反相器 特点:反相器截止时,TL处于充分导通状态(虽然VthL随着VO而增大,但VGG较大,即使输出
20、VOH=VDD时仍能保证VGSL VthL,即TL充分导通,从而饱和负载反相器上升沿“长尾”现象得到改善),充电电流,tr,有利于提高速度。但需双电源,且功耗大,综合而言,其电路优值改进不大。集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5947王向展4、自举负载反相器(P113 7.1)工作原理:预充电管T3的作用是使T2的VG(VDD-VT3)。电容Cb起正反馈的作用,使T2的栅电压随VO的升高而升高“自举”(即Bootstrapping,发生在VO上升过程)。图4.15自举负载 NMOS反相器 实际上Cb、Cs无需专门制作,均为器件的寄生电容。其中 Cb T2管G、S间的MOS电容 Cs
21、 T2管G、B间寄生电容+T3管源扩散区势垒电容 集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5948王向展由于Cb的反馈作用而在T2栅极产生一迭加电压:(4.26)其中 称为自举率。为使T2进入非饱和态:(4.27)即(4.28)则(4.29)集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5949王向展 一般,集成工艺中一般nMOS器件阈值电压相同,即VT2=VT3=VT,当V=VO=2VT时,就有VG2=VDD-VT+2VT=VDD+VT,此时达到饱和/非饱和临界状态。VO继续增大,VG2电位随着升高,T2管进入非饱和区,同时可使瞬态VOH=VDD,且提高了工作速度,该电路静态VOH=V
22、DD-2VT。为了提高自举电容作用,应增大自举率,即Cb,Cs。另外,常用的自举负载还有两种改进型结构,如图4.16所示。集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5950王向展 其中,T4为提拉管,使VOH=VDD-VT4,R为上拉电阻使VOH=VDD。图4.16 两种改进型自举负载反相器集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5951王向展5、E/D NMOS反相器(P115 7.2)负载管TL为耗尽型NMOS,VGSL=0VTD,始终导通,且在大部分时间内工作在饱和区,保持恒流特性:ID(VTD2)/2,与E/E NMOS反相器相比,有更长的时间以较大的电流充图4.17 E/D
23、 NMOS反相器 电,tr;随着VO的升高,VTD因衬偏效应而降低,充电电流有所下降,总体来看,其性能优于E/E反相器。集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5952王向展E/D NMOS反相器的主要特点:(1)VOHmax=VDD,可在低电源电压下工作。(2)直流特性强烈依赖于VTD,由ID饱和=IE非饱可得:(4.30)VTD,VOL,不需调整W/L,可使芯片面积减小。(3)负载管具有恒流源特性,工作速度较快。集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5953王向展6、小结有比电路的缺点:直流功耗较大(Vi=“1”,两管同时导通)两元件相互依赖(为保证VOL足够低,R大)输出波
24、形的上升沿和下降沿极不对称(充放电能力不同)图4.18不同负载形式的充放电能力比较 CMOS CMOS互补反相器互补反相器(Complementary MOS)(Complementary MOS)集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5954王向展 4.3 CMOS反相器图4.19 P阱CMOS反相器剖面图(1)P阱CMOS反相器 由PMOS工艺发展而来,并与之兼容。n-Sub掺杂浓度较低,而P阱浓度较高(一般高12量级),使Vtp,较易 实现Vtn=Vtp,无需离子注入调沟。NMOS做在阱内,迁移率较低,有利于与PMOS性能相匹配。集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:59
25、55王向展(2)N阱CMOS反相器 图4.20 N阱CMOS反相器剖面图 与E/D NMOS工艺相兼容便于制作与TTL逻辑兼容的NMOS-CMOS混合电路。NMOS做在轻掺杂的p-Sub上,迁移率高、Cj和低,尤其适用于C2MOS,多米诺电路等采用NMOS器件较多的动态电路。N阱中衬底电流为电子电流,n较高,寄生电阻较小,衬底电流易于泄放,寄生衬底电压较低。集成电路原理与设计2024/4/2 周二 4:5956王向展4.3.1 CMOS逻辑电路的特点(1)静态功耗极低(WnW)。(2)工作电源电压范围宽(318V)。(3)抗干扰能力强,其直流噪声容限一般可达到3040%VDD。(4)逻辑摆幅大
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 电子科 大微固 学院 专业课 集成电路 原理 设计 课件 第四 考研 专业
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【胜****】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【胜****】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。