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数字专用集成电路设计2陈禾内容:CMOS电路基础知识MOS管基本理论CMOS基本电路CMOS电路基础知识•MOS器件是VLSI基础•MOS器件有nMOS和pMOS两种类型,以及两种类型的结合-CMOS器件•CMOS为目前VLSI的主流工艺MOS晶体管基本工作原理•nMOS管:电子作为导电载流子•pMOS管:空穴导电IdVtnVgs0-+Vtp-Vgs0-Id-Id-Vtp-Vgs0-VtnVgs0Id符增强型nMOS耗尽型nMOS增强型pMOS耗尽型pMOS号伏安特性Id:漏电流Vgs:栅电压MOS晶体管基本工作原理•增强型nMOS三极管立体构造MOS晶体管基本工作原理•图为MOS三极管版图示意图,即芯片表面顶视图。在加工时P型硅上先加工多晶硅栅极,再加工扩散层的D和S,因此扩散层版图中,源、漏极连成一线。LWGDSMOS晶体管基本工作原理•nMOS三极管剖面图MOS晶体管基本工作原理•反型层的形成MOS晶体管基本工作原理•反型层和n型硅都依靠自由电子导电,但自由电子产生的方法不同。–n型硅是在制造过程中由扩散掺杂工艺产生–反型层则由栅极电压感应产生•故MOS管又称场效应晶体管MOS晶体管基本工作原理•Vtn是MOS晶体管的一个极其重要的参数•Vtn可在制造过程中加以控制•Vtn取的太大,晶体管不易导通,要求很大的驱动电流才能导通•Vtn取的太小,晶体管不易截止,抗干扰能力变差•通常Vtn0.2VDDMOS晶体管基本工作原理•nMOS管不同Vds情况下的沟道特性Vgs≥Vtn,Vds=0;Vds≤Vgs-Vtn;VdsVgs-VtnMOS晶体管基本工作原理•当VgsVtn时为截止状态,Ids=0,晶体管不导通。•当VgsVtn,Vds≤Vgs-Vtn时为线性状态,Ids现随Vg的增加而增加,也随Vds的增加而增加。•当VgsVtn,VdsVgs-Vtn时为饱和状态,Ids只随Vg的增加而增加,但不随的Vds增加而明显增加。•当然,Vds有一定限制,电压过高,晶体管将被击穿。MOS晶体管基本工作原理•nMOS管V-I特性MOS晶体管基本工作原理•nMOS器件理想设计方程VVVVVVVVVVVVVVI0)(202)(0220)(LWtMOS晶体管基本工作原理•阈值电压大小取决于:–栅极材料–栅极绝缘材料–栅极绝缘层厚度–沟道掺杂浓度–源极与衬底之间电压–环境温度:随温度升高而降低•调节阈值电压大小方法:–用离子诸如法改变沟道掺杂浓度–采用不同栅极绝缘材料MOS晶体管基本工作原理•在数字逻辑电路中,工作速度是一项很重要的指标。•电子从源极运动到漏极所需时间:τ=L2/μnVd,也称MOS管的切换时间。•μn为常数,在Vd一定时,τ与L2成正比。•因此为提高电路的工作速度,沟道长度L做的越短越好,所以L通常是加工集成电路中最细的线条宽度。这取决于加工的精度。加工精度提高2倍,工作速度可提高4倍。这也是集成电路要千方百计提高加工精度的一个重要原因。MOS晶体管基本工作原理•还可从MOS管的过渡过程来分析其工作速度。通常数字电路输出端连到下一级电路的栅极,带的是栅极电容负载Cg。晶体管栅极与沟道形成一平板电容:Cg=(ε·WL)/Tox。MOS管的输出电阻为Rc,故过渡过程的时间常数为:RcCg=L2/μn(Vgs-Vd)•与上页有类似的形式,进一步说明τ与L2成正比。•迁移率μn2.5μp,因此在相同情况下,nMOS管比pMOS管工作时间快。CMOS基本电路•MOS开关MOS开关•不管是nMOS还是pMOS,其导通条件是:|VgsVt•饱和条件是:|VgdVtnMOS开关•MOS开关在转换过程中,要对CL进行冲放电VinΦVgsCLVSSVo•CMOS逻辑电平CMOS逻辑•Ann-channeltransistorprovidesastrong'0',butaweak'1'.•Ap-channeltransistorprovidesastrong'1',butaweak'0'.•CMOStechnologyproducesstrong'0'logiclevelsaswellasstrong'1'logiclevels.CMOS基本电路•CMOS反相器CMOS基本电路•CMOS反相器传输特性曲线CMOS基本电路•CMOS反相器传输特性曲线CMOS基本电路•在A区,输入为逻辑“0”,对应的输入电压为0≤Vin≤Vtn,n管截止,p管导通,并处在线性工作区。无电流流过反相器,VDD经p管输出。反相器输出完整的逻辑1电平。•在E区,输入为逻辑1,对应的输入电压为Vin≥VDD-∣Vtp∣,n管导通,处于线性工作状态。p管截止,无电流流过反相器。反相器输出为完整的逻辑0电平。CMOS基本电路•在B区,输入电压增加到刚好超过n管的阈值电压Vtn,其电压范围为Vtn≤Vin≤VDD/2。n管源漏之间有大的电压降,处于饱和状态。p管也导通,源漏间电压很小,处于线性工作状态。•C区,CMOS反相器中的p管和n管都处于饱和状态。•在D区,当输入电压为VDD/2Vin≤VDD-∣Vtp∣时,p管饱和,n管工作在线性区。这一工作状态与B区相似。CMOS基本电路•CMOS电路中既有nMOS管,又有pMOS管,有两种导电载流子。影响电路传输特性的,不仅是晶体管的形状尺寸比值,而且与管子类型也有关。因此,在CMOS电路中采用晶体管增益因子讨论电路性能。nMOS和pMOS管的ß表示为:nnoxnnLWTppoxppLWTCMOS基本电路•CMOS反相器的传输特性曲线随着βn/βp比值的不同而发生变化,βn/βp比值的改变,是通过改变晶体管沟道的长度L和宽度W来实现的。当βn/βp减小时,传输区域从左向右移动。CMOS基本电路•对于CMOS反相器,比值取为βn/βp=1较好,因在这种情况下,反相器对负载电容的充放电时间相同。•影响传输特性曲线的另一个因素是温度,当温度升高,晶体管沟道中载流子迁移率降低。因而降低了晶体管的β值。电子和空穴同样受温度影响。随着温度升高Vtn和Vtp同时都变小,这意味着,反相器的五个工作区中的A区变小了,而E区变大了。因此,图中整个传输特性曲线随着温度升高,将向左倾斜,并向右略有偏移。如果温度升高50℃,n管和p管的阈值电压都降低200mV,这将造成0.4V的偏移。CMOS基本电路•CMOS逻辑CMOS基本电路•CMOS复合门和传输门CMOS基本电路•练习CMOS基本电路思考题•MOS晶体管基本工作原理?•如何改善MOS晶体管的工作速度?•在传输门设计时,通常选用CMOS而非nMOS的主要原因?•画出下列布尔表达式的CMOS晶体管电路图。F=AB+C
本文标题:数字专用集成电路设计
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