第四章-MOS逻辑集成电路预案.ppt

第四章 MOS逻辑集成电路 § 4.1 MOS器件的基本电学特性 4.1.1 MOSFET的结构与工作原理 4.1.2 MOS器件的阈值电压Vth 4.1.3 MOSFET的简单大信号模型参数 4.1.4 MOSFET小信号参数 4.1.5 MOS器件分类与比较 4.1.6 MOS器件与双极型晶体管BJT的比较 § 4.2 NMOS逻辑IC 4.2.1 静态MOS反相器分类与比较 4.2.2 NMOS反相器 § 4.3 CMOS反相器 4.3.1 CMOS逻辑电路的特点 4.3.2 CMOS传输门 § 4.4 静态CMOS逻辑门电路 4.4.1 CMOS基本门电路 § 4.5 动态和准静态CMOS电路 4.5.1 动态CMOS电路 § 4.6 CMOS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 § 4.1 MOS器件的基本电学特性 4.1.1 MOSFET的结构与工作原理 MOSFET是Metal-Oxide-Silicon 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。 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。 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(φS=2φFB) 所加的栅电压。 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，?。 4.1.3 MOSFET的简单大信号模型参数 1、非饱和区 (VGS＞Vth，VDS＜(VGS-Vth)) 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=580 cm2/(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，3V，0V，0V，则IDS=？ 4.1.4 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： (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： (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。 Tips 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。 100晶向的n型反型层（p型衬底）表面电子迁移率大于111晶向的迁移率，大约为111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100晶向p型衬底。 4.1.5 MOSFET分类与比较 1、MOS器件分类 2、MOSFET的符号 ① 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。 ② 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结的方向。 ③ 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