第二章-MOS晶体管

集成电路设计导论云南大学信息学院电子工程系梁竹关第一部分理论课第一章绪言1．1集成电路的发展1．2集成电路分类1．3集成电路设计第二章MOS晶体管2．1MOS晶体管结构2．2MOS晶体管工作原理2．3MOS晶体管的电流电压关系2．4MOS晶体管主要特性参数2．5MOS晶体管的SPICE模型第三章MOS管反相器3．1引言3．2NMOS管反相器3．3CMOS反相器3．4动态反相器3．5延迟3．6功耗第四章半导体集成电路基本加工工艺与设计规则4.1引言4.2集成电路基本加工工艺4.3CMOS工艺流程4.4设计规则4.5CMOS反相器的闩锁效应4.6版图设计第五章MOS管数字集成电路基本逻辑单元设计5.1NMOS管逻辑电路5.2静态CMOS逻辑电路5.3MOS管改进型逻辑电路5.4MOS管传输逻辑电路5.5触发器5.6移位寄存器5.7输入输出（I/O）单元第六章MOS管数字集成电路子系统设计6.1引言6.2加法器6.3乘法器6.4存储器6.5PLA第七章MOS管模拟集成电路设计基础7.1引言7.2MOS管模拟集成电路中的基本元器件7.3MOS模拟集成电路基本单元7.4MOS管模拟集成电路版图设计第八章集成电路的测试与可测性设计8.1引言8.2模拟集成电路测试8.3数字集成电路测试8.4数字集成电路的可测性测试第二部分实验课1、数字集成电路（1）不同负载反相器的仿真比较；（2）静态CMOS逻辑门电路仿真分析；（3）设计CMOS反相器版图；（4）设计D触发器及其版图；（5）设计模16的计数器及其版图（可选）。2、模拟集成电路设计一个MOS放大电路（可选）。章次题目教学时数第一章绪言2学时第二章MOS晶体管4学时第三章MOS管反相器6学时第四章半导体集成电路基本加工工艺与设计规则6学时第五章MOS管数字集成电路基本逻辑单元设计4学时第六章MOS管数字集成电路子系统设计4学时第七章MOS管模拟集成电路设计基础6学时第八章集成电路的测试与可测性设计4学时总计36学时教学进度表参考文献[1]王志功，景为平，孙玲.集成电路设计技术与工具.南京：东南大学出版社，2007年7月（国家级规划教材）.[2]（美）R.JacobBaker,HarryW.Li,DavidE.Boyce.CMOSCircuitDesign,LayoutandSimulation.北京：机械工业出版社，2006.[3]陈中建主译.CMOS电路设计、布局与仿真.北京：机械工业出版社，2006.[4]（美）WayneWolf.ModernVLSIDesignSystemonSilicon.北京：科学出版社，2002.[5]朱正涌.半导体集成电路.北京：清华大学出版社，2001.[6]王志功，沈永朝.《集成电路设计基础》电子工业出版社，2004年5月（21世纪高等学校电子信息类教材）.第二章MOS晶体管一、MOSFET的结构MOS晶体管是一种场效应管（英文全称为Metal-Oxide-SiliconFieldEffectTransistor），它是电压控制电流器件，既可以用于模拟电路，也可以用于数字电路。在模拟电路中，由于MOS晶体管具有很高的输入阻抗，从而可提高它作为电压放大器的性能。而在数字电路中，MOS晶体管广泛用作基本存储器件或逻辑器件。可以说MOS晶体管是MOS管集成电路的主要器件。2.1MOS晶体管结构和工作原理一、MOSFET的结构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可以分为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。用跨导描述其放大能力。2.1MOS晶体管结构根据导电沟道的不同，MOS晶体管可分为P沟道MOS晶体管（简称为PMOS管）和N沟道MOS晶体管（简称为NMOS管），而根据在没有外加电压条件下导电沟道形成与否又可分为耗尽型MOS管和增强型MOS管。图2.1.1所示的是一只增强型NMOS管，它是在适度掺杂的P型衬底上制作两个掺杂浓度较高的N型区，分别作为漏区和源区，在漏区和源区之间的区域上面制作一层绝缘层（一般是二氧化硅物质），绝缘层上面沉积一层多晶硅作为栅区。我们把源区和漏区两个掺杂区之间的距离称为沟道长度L，而垂直于沟道长度的有效源漏区尺寸称为沟道宽度W。图2.1.1NMOS晶体管图2.1.2NMOS管截面图图2.1.3实际的NMOS管衬底引线（a）增强型（b）耗尽型图2.1.4MOS管在电路中的符号耗尽型MOS管与增强型MOS管不同之处在于，耗尽型MOS管在vGS=0时，导电沟道已经存在，它是通过加工过程中的离子注入方式形成的。图2.1.5PMOS晶体管2.2MOS晶体管工作原理图2.2.1导电沟道没有形成当MOS管栅极上没有外加电压时，MOS管的漏区和源区被两个二极管隔开，如图2.2.1所示，源区和漏区之间没有导电沟道形成，呈现出高阻状态。这时候，如果在漏极和源极间外加电压vDS，漏区到源区之间始终不会有电流流过。图2.2.2栅-源电压vGS控制导电沟道宽窄TGSDSVvv（a）TGSDSVvv（b）TGSDSVvv（c）图2.2.3NMOS管的工作状态示意图2.3MOS晶体管的电流电压关系1、非饱和区（线性电阻区）221DSDSTGSDvvVvLWKI（2.3.8）22TGSDVvLWKI（2.3.9）2、饱和区（线性放大区）3、输出特性曲线图2.3.2NMOS晶体管输出特性曲线2.4MOS晶体管主要特性参数1、阈值电压FSBFV22VVT0ToxSSoxBFmsCQCQ0T2VqNCinsox021一种形式：另一种形式：2、跨导常数DSvGSvdimg