纳米CMOS器件

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1、第六章纳米CMOS器件Chap.6NanoCmosdevices李玲深圳大学电子科学与技术学院教学目的：讲授CMOS器件和纳米CMOS器件的基本结构和原理重点内容：纳米CMOS器件什么是CMOS？CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor)，CMOSRAM或CMOSSRAM叫做“互补金属氧化物半导体储器”，属于内存的一种，它需要很少的电源来维持所存储系统设置或配置的信息。CMOS存储的信息CMOS记录计算机的日期、时间、硬盘参数、软驱情况及其它的高级参数。平常人们说的BIOS设置或CMOS设置指的就是这方面的内容。电脑每次启动时都要先读取里面的信息。

2、CMOS器件由PMOS管和NMOS管共同构成，它的特点是低功耗。由于CMOS中一对MOS组成的门电路在瞬间要么PMOS导通、要么NMOS导通、要么都截至，比线性的三极管(BJT)效率要高得多，因此功耗很低。CMOS器件的结构金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET（1）结构和电路符号当uGS＞0V时→纵向电场→将靠近栅极下方的空穴向下排斥→耗尽层。（2）工作原理当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。再增加uGS→纵向电场↑→将P区少子电子聚集到P区表面→形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流id。①栅源电压uGS的控

3、制作用定义：开启电压（UT）——刚刚产生沟道所需的栅源电压UGS。N沟道增强型MOS管的基本特性：uGS＜UT，管子截止，uGS＞UT，管子导通。uGS越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作用下，漏极电流ID越大。②转移特性曲线：iD=f(uGS)uDS=const可根据输出特性曲线作出移特性曲线。例：作uDS=10V的一条转移特性曲线：UTCMOS反相器DGSSGDvOVDDTLT0vICMOS反相器工作原理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VGS(th)P<0，VGS(th)N

4、>0，通常为了保证正常工作，要求VDD>

5、VGS(th)P

6、+VGS(th)N。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。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。P负载N输入CMOS反相器电压传输特性vIvOOVDDVDDVDD+VGS(th)PVGS(th)NⅠⅡⅢⅣⅤCMOS反相器的主要特性电压传输特性和电流传输特性CMOS反相器的电压传输特性曲线可分为五个工作区。工作区Ⅰ,II：由于输入管截止，故vO=VDD，处于稳定关态。工作区Ⅲ：PMOS和NMOS均处于饱和状态，特性曲线急剧变化，vI值等于阈值电压Vth。工作区

7、Ⅴ：负载管截止，输入管处于非饱和状态，所以vO≈0V，处于稳定的开态。工作区输入电压vI范围PMOS管NMOS管输出Ⅰ0≤vI＜VGS(th)N非饱和截止vO＝VDDⅡVGS(th)N≤vI＜vO+VGS(th)P非饱和饱和ⅢvO+VGS(th)P≤vI＜vO+VGS(th)N饱和饱和ⅣvO+VGS(th)N≤vI＜VDD+VGS(th)P饱和非饱和ⅤVDD+VGS(th)P≤vI≤VDD截止非饱和vO≈0CMOS电路MOS管的工作状态表CMOS反相器电流传输特性vIOVDDiDSVDD+VGS(th)PVGS(th)NⅠⅡⅢⅣⅤVthCMOS反相器的电流传输特性曲线，只在工作区Ⅲ时，由于负

8、载管和输入管都处于饱和导通状态，会产生一个较大的电流。其余情况下，电流都极小。TPCMOS传输门及其逻辑符号VDDCCvO/vIvI/vOvO/vIvI/vOCCTGCvO/vIvI/vOCTNCMOS传输门CMOS传输门是由P沟道和N沟道增强型MOS管并联互补组成。当C=0V，C=VDD时，两个MOS管都截止。输出和输入之间呈现高阻抗，传输门截止。当C=VDD，C=0V时，总有一个MOS管导通，使输出和输入之间呈低阻抗，传输门导通。YVDDT1BTPCMOS与非门TPATNTNT4T3T2●YVDDT1BCMOS或非门AT4T3T2●CMOS逻辑门电路CMOS与非门、或非门当输入信号为0时

9、，与之相连的N沟道MOS管截止，P沟道MOS管导通；反之则N沟道MOS管导通，P沟道MOS管截止。N阱，有源区和场氧区的形成CMOS工艺技术概述：纯净的硅是一种半导体，通过向硅晶格中引入杂质原子，可以把硅的导电性提高几个数量级，掺杂原子提供电子和空穴。形成p和n型材料，将它们放在一起构成结。工艺技术就是通过在同一基片上制造多个结构成各种半导体器件。nFET和pFET的形成金属互连层形成光源的波长Vs.特征尺寸