《超大规模集成电路设计导论》第3章器件设计技术.ppt

* * 第三章 器件设计技术 清华大学计算机系 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。 1、在双极型工艺下 ECL/CML： Emitter Coupled Logic/Current Mode Logic 射极耦合逻辑/电流型开关逻辑 TTL：Transistor Transistor Logic 晶体管-晶体管逻辑 ：Integrated Injection Logic 集成注入逻辑 2、在MOS 工艺下 NMOS、PMOS： MNOS：Metal Nitride（氮） Oxide Semiconductor (E)NMOS与(D)NMOS组成的单元 CMOS: Metal Gate CMOS HSCMOS：High Speed CMOS （硅栅CMOS） CMOS/SOS：CMOS/Silicon on Sapphire （兰宝石上CMOS，提高抗辐射能力） VMOS：Vertical CMOS（垂直结构 CMOS 提高密度及避免Latch-Up效应） 第二节 MOS晶体管的工作原理 MOSFET（Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor），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 2、表面电荷减少 3、形成耗尽层 4、形成反型层 二、PN结的单向导电性 自建电场和空间电荷 PN结的单向导电性 三、MOS管的工作原理 n n VgsVtn, 晶体管截止 Vgs?Vtn，晶体管开启，设Vgs保持不变。 （1）当Vds=0时，S、D之间没有电流Ids=0。 （2）当Vds0时，Ids由S流向D，Ids随Vds变化基本呈线性关系。 （3）当VdsVgs-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。 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：VgsVtn，且Vgs保持不变， 则：沟道中产生感应电荷，根据电流的定义有： 其中： v=?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： （1）线性区：Vgs-VtnVds 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 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[(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。 （2）饱和区：Vgs-VtnVds Vgs-Vtn不变，Vds增加的电压主要降在△L上，由于△L??L，电子移动速度主要由反型区的漂移运动决