集成电路设计基础课件：04 Mos1

MOS逻辑集成电路晶粒測試及切割 長 晶晶圓切割設計導線架 測試 封裝 製造 光罩 晶圓 光罩設計邏輯設計封 裝化學品 CADCAE材料材料設備儀器設備儀器資金人力資源資金人力資源服務支援服務支援貨運貨運海關海關科學園區科學園區 1804 15 45 36 8 4 19成品測試基板 15这一节主要对这一节主要对MOSFET作一简要复习。作一简要复习。MOSFET是是一种表面场效应器件，是靠多数载流子传输电流的单极一种表面场效应器件，是靠多数载流子传输电流的单极器件。器件。一、一、MOSFET的基本结构：的基本结构：Chapter 1 导论导论1-1 MOSFETn+n+SGDWLBPLMOS衬底电极S：源极：源极 G：栅极：栅极D：漏极：漏极载流子：载流子：SD阈值电压阈值电压VT：S表面达到强反型时的表面达到强反型时的VGS栅源电压：栅源电压：VGS漏源偏置电压：漏源偏置电压：VDS二、MOSFET的基本类型按导电沟道中的载流按导电沟道中的载流子的类型子的类型n沟：衬底为沟：衬底为P型型 VDS0P沟：衬底为沟：衬底为n型型 VDS0由于导电沟道是反型层，故与衬底的类型是相反的由于导电沟道是反型层，故与衬底的类型是相反的按按VGS0时是否存在时是否存在导电沟道导电沟道无无 增强型增强型有有 耗尽型耗尽型因此，因此，MOSFET共有共有4种基本类型种基本类型 电学符号电学符号 转移特性转移特性 输出特性输出特性GDSID已有导电沟道VTVGSVT0VT0VGS-0 +VT+VGSVTIDVDSGDSVDS0VGS-0 +IDVDS VTVGS=0 -0IDGDSVDS0VTVGS-0 +IDVTVGSVT PMOS：VDSVGSVT 即：即：VDS 大大饱和饱和 VDS再增加，再增加，IDS也不变也不变 非饱和区：非饱和区：VDS 小小非饱和非饱和 IDSk2（VGSVT）VDSVDS2 条件：条件：NMOS：VDSVGSVT12 MOS IC的主要特点的主要特点一、一、MOSFET的主要特点的主要特点 1、MOSFET是电压控制元件功耗小是电压控制元件功耗小 2、MOSFET之间自然隔离工艺更简单，之间自然隔离工艺更简单，面积可以做得更小面积可以做得更小 3、可以多层布线便于元件的紧凑排列、可以多层布线便于元件的紧凑排列和版图的布局设计和版图的布局设计 4、单元面积小组成基本逻辑门电路和、单元面积小组成基本逻辑门电路和触发器等所用的触发器等所用的MOS管较少，因此，完成管较少，因此，完成一定逻辑功能的电路所占的芯片面积小，一定逻辑功能的电路所占的芯片面积小，特别适和大规模集成。特别适和大规模集成。二、NMOS的特点 1、np，速度快，速度快 2、VTn较低，较低，VDD小，易于与双极型电小，易于与双极型电路匹配路匹配 3、工艺复杂，问世较、工艺复杂，问世较PMOS晚晚 随着工艺水平的不断提高，随着工艺水平的不断提高，NMOS电路得到了广泛应用。我们也只讨论电路得到了广泛应用。我们也只讨论NMOS，所以除，所以除CMOS外，不再标出符外，不再标出符号中的衬底电极号中的衬底电极三、分析方法的特点三、分析方法的特点 1、多子器件：瞬态分析时主要考虑电容的、多子器件：瞬态分析时主要考虑电容的充放电，无少子存贮效应充放电，无少子存贮效应 2、压控器件：主要是电容负载问题、压控器件：主要是电容负载问题Chapter2 NMOS IC 倒相器是倒相器是MOSIC中最基本的单元电路，输中最基本的单元电路，输入管入管总总是是EMOS。因为。因为EMOS在在0输入下保持输入下保持截止，不需要额外的电压偏置电路。前级输出截止，不需要额外的电压偏置电路。前级输出电平的范围与后级要求的输入电平范围是一致电平的范围与后级要求的输入电平范围是一致的，故前后级可以直接连接，使电路简化的，故前后级可以直接连接，使电路简化。21 MOS倒相器倒相器一、一般形式：一、一般形式：ViVDDVo负载元件负载元件驱动元件驱动元件（输入管）（输入管）(a)（b）（c）ViVo二、分类：二、分类：根据负载分类根据负载分类电阻负载倒相器（电阻负载倒相器（E/R）增强负载倒相器（增强负载倒相器（E/E）耗尽负载倒相器（耗尽负载倒相器（E/D）互补负载倒相器（互补负载倒相器（CMOS）按负载与输入管之间的关系分类按负载与输入管之间的关系分类有比反相器有比反相器无比反相器无比反相器VOHVDDVoLRELRON输入高电平时，输入高电平时，T1导通，其导通电阻为导通，其导通电阻为RON，REL为负载为负载的等效电阻的等效电阻 那么：那么：为了保证为了保证VOL足够低，足够低，RON和和REL必须保持一定的比例，必须保持一定的比例，这就是这就是有比反相器有比反相器DDELONONOLVRRRVVoViVolVOH理想情况下理想情况下VOL0不需要两个管子保持一定比例，这就是不需要两个管子保持一定比例，这就是无比无比反相器反相器三、性能指标 1、输出特性：、输出特性：导通时：导通时：ION，VON（VOL）；）；截止时：截止时：IOFF，VOFF（VOH）2、传输特性：输出电压与输入电压的关系、传输特性：输出电压与输入电压的关系 3、直流噪声容限、直流噪声容限 4、直流功耗、直流功耗 5、瞬态特性、瞬态特性 6、占用芯片面积、占用芯片面积 7、工艺难度和兼容性、工艺难度和兼容性22 E/R MOS倒相器倒相器一、输出特性一、输出特性DDLOVRRmosRmosVViIDGSDRLTIVLVoVDS把把TI等效为可变电阻等效为可变电阻Rmos,当当Vi=0,TI截止截止,RmosRc，则，则VoVDDVOH当当ViVDDVT时，时，TI导通，电阻为导通，电阻为RONDDLONONOLVRRRV下面求下面求Ron：这时这时VDSVGSL-VT TL永远饱和永远饱和忽略衬底偏置效应，认为忽略衬底偏置效应，认为TL的源与衬底同电位，那么的源与衬底同电位，那么VTIVTLVT。(实际上实际上VB=0，VS=VO)在在TL的输出特性上连接的输出特性上连接VGSLVDSL各点，得各点，得TL的伏安特性曲线的伏安特性曲线5040302010 02 4 6 8 10 12由于由于TL的跨导小，所以线较密的跨导小，所以线较密负载线的方程为负载线的方程为IDSLKL（VDSLVTL）2抛物线抛物线VGSL13V121110 9 8 7 6 VTL3.5VVDSL（V）ID（uA）TL的输出特性的输出特性500400300200100 40 02 4 6 8 10 12VL13V 987654 ID（uA）VO（V）TI的跨导大，线稀的跨导大，线稀把负载线画到把负载线画到TI的输出特性曲的输出特性曲线中线中IDSLIDSIIDVOVDDVDSL方程为方程为IDKL（VDDVTVO）21210 8 6 4 2 0 2 4 6 8 10 12VO（V）Vi（V）倒相器的输出特性倒相器的输出特性根据上图的交点可得到电压传输曲线根据上图的交点可得到电压传输曲线:特点：特点：1、高电平最大值为、高电平最大值为VDD-VTL 2、TI跨导跨导 TL跨导跨导 低电平低电平 过渡区越窄过渡区越窄二、特性分析二、特性分析1、输出特性：、输出特性：TL永远饱和：永远饱和：IDSLKL（VGSLVTL）2KL（VDSLVTL）2 KL（VDDVOVTL）2 抛物线抛物线 导通状态：导通状态：VOVDDVTL 导通电流：导通电流：IONKL（VDDVTL）2 （VDDVTL）gml 导通电压：导通电压：VONVOLIDSI（ron）非饱非饱 截止状态：截止状态：VOFFVOHVDD VTL IOFF忽略忽略21ViVDDGGDTIDVoSSTL2、传输特性：讨论的是输出电压与输入电压的关系、传输特性：讨论的是输出电压与输入电压的关系 前面由图解法已经得出电压传输曲线，要分析传输特性，实质前面由图解法已经得出电压传输曲线，要分析传输特性，实质是写出这个曲线的曲线方程。由于饱和区和非饱和区的电流方程是写出这个曲线的曲线方程。由于饱和区和非饱和区的电流方程是不同的，所以必须进行分区。由于是不同的，所以必须进行分区。由于TL总是饱和的。所以主要根总是饱和的。所以主要根据据TI的饱和情况进行分区的饱和情况进行分区 前面已经讲了怎样判断前面已经讲了怎样判断TI是否饱和：是否饱和：ViVTVo 非饱和非饱和 可见分区线是可见分区线是ViVTVo 因为只有因为只有Vi VT时，时，TI才导通，所以还有一根线是才导通，所以还有一根线是ViVT1210864 2 02 4 6 8 10 12ViVTVo（V）Vi（V）VDDVTViVTVOTI、TL饱和饱和TI非饱和非饱和TL饱和饱和这样，就把电压传输曲线分成了三个区这样，就把电压传输曲线分成了三个区区：区：ViVTVo ViVT TI 非饱和非饱和区：区：ViVTVT TI 饱和饱和 区：区：ViVT TI 截止截止3、直流噪容：、直流噪容：VoVi VOHVOHminVOLmax VOLVNMLVNMH0 VOL VIL VIH VOHVIL：最大输入低电平，关门电平：最大输入低电平，关门电平VIH：小小 高高 开开低电平噪容：低电平噪容：VNMLVILVOL高电平噪容：高电平噪容：VNMHVOHVIH逻辑摆幅：逻辑摆幅：VLVOHVOL过渡区宽度：过渡区宽度：VWVIHVIL 计算方法：计算方法：VIL用用区方程区方程 VIH用用区方程区方程例题：例题：N沟饱和负载沟饱和负载E/E 倒相器，倒相器，VDD=7v，VT=2v，R=25，求其逻辑摆幅求其逻辑摆幅VL及及VOHMIN=0.9VOH，VOLMAX=0.1VOH条件下的条件下的VNML和和VNMH。（不考。（不考虑衬底偏置效应）。虑衬底偏置效应）。4、瞬态特性、瞬态特性 分析静态特性不考虑负载电流，分析静态特性不考虑负载电流，IIIL。分析瞬态特性。分析瞬态特性仅考虑负载电容的充放电。仅考虑负载电容的充放电。VoViVDDTLTIViVoVi的波形IDSKIVDS2IDS非饱和 饱和P1P2P3P40 “0”“1”VDSVGSVi“1”TI的输出特性5、速度功耗乘积、速度功耗乘积 静态功耗：不接负载而处于导通状态的功耗静态功耗：不接负载而处于导通状态的功耗 PCIOnVDD 平均静态功耗：平均静态功耗：PC IonVDD21三、三、E/E饱和负载饱和负载MOS倒相器的设计倒相器的设计1、要求由速度，输出低电平、要求由速度，输出低电平设计设计2、根据、根据VOH、VOL、PC设计设计