第四章 - MOS逻辑集成电路讲述ppt课件.ppt

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1、第四章MOS逻辑集成电路§4.1MOS器件的基本电学特性4.1.1MOSFET的结构与工作原理4.1.2MOS器件的阈值电压Vth4.1.3MOSFET的简单大信号模型参数4.1.4MOSFET小信号参数4.1.5MOS器件分类与比较4.1.6MOS器件与双极型晶体管BJT的比较§4.2NMOS逻辑IC4.2.1静态MOS反相器分类与比较4.2.2NMOS反相器8/31/20211王向展§4.3CMOS反相器4.3.1CMOS逻辑电路的特点4.3.2CMOS传输门§4.4静态CMOS逻辑门电路4.4.1CMOS基本门电路§4.5动态和准静态CMOS电路4.5.1动态CMOS电路§4.

2、6CMOS变型电路4.6.1伪NMOS逻辑4.6.2钟控CMOS逻辑（C2MOS）4.6.3预充电鉴别逻辑（P-E逻辑）4.6.4多米诺（Domino）CMOS逻辑8/31/20212王向展§4.1MOS器件的基本电学特性4.1.1MOSFET的结构与工作原理MOSFET是Metal-Oxide-SiliconFieldEffectTransistor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。8/31/20213王向展图4.1NM

3、OS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。8/31/20214王向展图4.2不同VG下NMOSFET能带分布8/31/20215王向展4.1.2MOSFET的阈值电压阈值电压-使MOS器件沟道区进入强反型(φS=2φFB)所加的栅电压。（4.1）8/31/20216王向展式中MS-栅与衬底的接触电势差VBS-衬底与源之

4、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)8/31/20217王向展(C/cm2)(“+”forPMOS,“”forNMOS)(C/cm2)NSS=10101011(cm-2)(F/cm2)8/31/20218王向展ni=1.51010cm-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

5、本征Si而言）8/31/20219王向展8/31/202110王向展例4.1求解Vth,已知：N+Poly-Si栅NMOS晶体管，栅氧厚度tox=0.1μm，NA=3×1015cm-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：8/31/202111王向展8/31/202112王向展4.1.3MOSFET的简单大信号模型参数1、非饱和区(VGS＞Vth，VDS＜(VGS-Vth))(4.2)2、饱和区(VGS＞Vth，VDS≥

6、(VGS-Vth))(4.3)8/31/202113王向展对于Si：n=580cm2/(V·s)，p=230cm2/(V·s)W,L均为有效尺寸K=COX(A/V2)–导电系数=(COXW)/L(A/V2)–跨导参数–沟道长度调制因子(V-1)5m硅栅P栅CMOS工艺典型值：8/31/202114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=100m/10m，漏、栅、源、衬底电位分别为5V，3V，0V，0V。n=580cm2/(Vs)，其他参数与例4.1相同。求：①漏电流IDS；②若漏、栅、源、衬底电位分别为2V，3

7、V，0V，0V，则IDS=？解：①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）8/31/202115王向展②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：8/31/202116王向展4.1.4MOSFE