大规模集成电路6.ppt

由此可见，动态功耗与输入信号频率成正比，而与器件参数无关。 （2）输入为非理想的波形 另一种动态功耗称为交变功耗 ，它是在输入波形为非理想波形时，反相器处于输入波形上升沿和下降沿的瞬间，负载管和驱动管会同时导通而引起的功耗。 交变电流 的峰值，tr，tf为输入信号的上升及下降延迟时间。 总功耗： P=Ps+Pd+PA 第三节 MOS管的参数 一、域值电压Vt Vt是晶体管的一个重要参数。计算表明，Vt的公式为： 其中： ：费米能级 q：电子电量 ：平带电压 ：衬底掺杂浓度 ：Si的介电常数 ：栅氧化层厚度 ：衬底与源极间所加的偏置电压 一般通过调整 、 及 来调节Vt。 二、漏源截止电流 对于增强型的MOS管，VgVt时，由于PN结反向漏电流等原因造成的电流称为截止电流，以Ioff表示。 引起漏电的原因很多，下面仅介绍形成截止电流的几个组成部分，以N管为例： 1、PN结反向饱和电流Io 结， 其中：A为PN结面积， D电子扩散系数， Ln电子扩散长度， 本征载流子浓度 2、耗尽层产生电流Ig 其中：Xd为耗尽层宽度， 为少数载流子寿命。 尤其要注意，由于 与温度有指数关系： 无论Io还是Ig都随温度上升迅速增加。 3、场开启漏电流 MOS管的结构是金属——氧化物——半导体，在有源区我们利用此结构来做MOS管。在场区，同样也有可能存在这种结构，从而形成寄生的晶体管。 例如：一条Al引线如果跨越了两个相邻的扩散区，那麽就会形成场开启现象，产生场开启电流。 三、栅源直流输入电阻 对于结构完整的热生长SiO2，厚度在1500 左右时，电阻可达 以上。这样高的输入阻抗，使MOS电路具有很可贵的特性： （1）当一个MOS管驱动后面的MOS电路时，由于后面不取电流，所以静态负载能力很强。 （2）由于输入阻抗很高，使栅极漏电流很小。在室温下，Vds为零时，栅极漏电流一般只有 左右。这样可以将信息在输入端的栅电容上暂存一定时间，这就为MOS动态电路创造了条件。 四、直流导通电阻 漏源电压Vds与漏源电流Ids的比值称为直流导通电阻Ron，即： 1、非饱和区的直流导通电阻 当Vds趋于零时， 2、饱和区的直流导通电阻 临界饱和点： Vds=Vgs-Vt， 即在临界饱和点的直流导通电阻为线性区Vds=0时的直流导通电阻的两倍： 五、栅源击穿电压BVgs 对于热生长的SiO2的临界击穿电场强度为 ，对于栅氧化层厚度 ，理论上允许的最大电压为： 例如：器件的W/L=4/1，L=1μm， 单位栅电容 则只需0.1μA的电流充电1ms的电量就足以使栅氧化层击穿，使电路失效。 在芯片设计时，输入PAD端都要首先连接一个输入保持电路。 如图所示即为一个简单的输入保护电路，当Vgs不大时，二极管不起作用。当Vgs较大时，二极管PN结发生雪崩击穿，形成低阻通路，使Vgs下降，这种击穿是可逆的。 六、漏源击穿电压BVds 晶体管出现沟道夹断后，工作在饱和区，其电流Ids不随Vds发生变化，出现恒流现象，但此时Vds不能任意加大，否则会发生漏源击穿现象。 第四节 CMOS电路的闸流（Latch-up）效应 一、闸流效应的起因 在CMOS芯片结构中， 存在一条由Vdd到Vss 的寄生的P+/N/P/N+ 的电流通路。 这PNPN通路包含了 三个PN结，形成了 交叉耦合的一对PNP 和NPN的双极型晶体管。 阱内有一个纵向NPN管，阱外有一个横向NPN管，两个晶体管的集电极各自驱动另一个管子的基极，构成正反馈回路。 P阱中纵向NPN管的电流放大倍数?约为50-几百，P阱外横向PNP管的?大约为0.5-10。PNP管发射极P+与P阱之间的距离越小则?值越大。 Rw和Rs为基极寄生电阻，阱电阻Rw的典型值为1K-20K之间，衬底电阻Rs的典型值在500-700?。 如果两个晶体管的电流放大倍数和基极寄生电阻Rw、Rs值太大，则很容易在外部噪声的作用下，触发闸流效应。 二、闸流效应的控制 防止和控制闸流效应需要从生产工艺和版图设计两方面着手。通常所采取的措施，其目标基本都是减小寄生晶体管的电流增益β和降低寄生晶体管的基射极分流电阻Rw、Rs。 ①减小β值：增