《超大规模集成电路设计导论》第3章：器件设计技术.ppt

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1、第三章器件设计技术清华大学计算机系2021/10/81第一节引言集成电路按其制造材料分为两大类：一类是Si（硅），另一类是GaAs（砷化镓）。目前用于ASIC设计的主体是硅材料。但是，在一些高速和超高速ASIC设计中采用了GaAs材料。用GaAs材料制成的集成电路，可以大大提高电路速度。目前Si工艺比较成熟。2021/10/822021/10/831、在双极型工艺下ECL/CML：EmitterCoupledLogic/CurrentModeLogic射极耦合逻辑/电流型开关逻辑TTL：TransistorTransistorLogic晶体管-晶体管逻辑：Integra

2、tedInjectionLogic集成注入逻辑2021/10/842、在MOS工艺下NMOS、PMOS：MNOS：MetalNitride（氮）OxideSemiconductor(E)NMOS与(D)NMOS组成的单元CMOS:MetalGateCMOSHSCMOS：HighSpeedCMOS（硅栅CMOS）CMOS/SOS：CMOS/SilicononSapphire（兰宝石上CMOS，提高抗辐射能力）VMOS：VerticalCMOS（垂直结构CMOS提高密度及避免Latch-Up效应）2021/10/85第二节MOS晶体管的工作原理MOSFET（MetalOxi

3、deSemi-conductorFieldEffectTransistor），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2021/10/862、表面电荷减少2021/10/873、形成耗尽层2021/10/884、形成反型层2021/10/89二、PN结的单向导电性自建电场和空间电荷2021/10/810PN结的单向导电性2021/10/811三、MOS管的工作原理nn2021/10/812Vgs

4、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。（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。2021/10/813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：

5、其中：2021/10/814v=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：有了，关键是求Qc，需要分区讨论：2021/10/815（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=ooxEgWL其中：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L为栅的长度2021/10/816令：Cox=oox/tox单位面积栅电容K=Coxn工艺因子βn=K(W/L)导电因子则：Ids=βn[(

6、Vgs-Vtn)-Vds/2]Vds——线性区的电压-电流方程当工艺一定时，K一定，βn与（W/L）有关。电子的平均传输时间∝L²。2021/10/817（2）饱和区：Vgs-Vtn

7、电流-电压表达式：线性区：Isd=βp

8、Vds

9、(

10、Vgs

11、-

12、Vtp

13、-

14、Vds

15、/2)饱和区：Isd=(βp/2)(

16、Vgs

17、-

18、Vtp

19、)²2021/10/821MOS管版图GSD2021/10/822第四节反相器直流特性NMOS管：Vtn>0增强型Vtn<0耗尽型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。2021/10/823Vi为低时：驱动管截止，输出为高电平：Voh=VddVi为高时：输出为低电平：其中Ron为晶体管的