第七章MOS反向器教材课件

第七章第七章 MOS反相器反相器第一部分 MOS晶体管的工作原理第二部分 MOS反相器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 CMOSHSCMOS：High Speed CMOS（硅栅CMOS）CMOS/SOS：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Lutch-Up效应）第一部分第一部分:MOS晶体管的工作原理晶体管的工作原理MOSFET（Metal Oxide Semi-conduction Field Effect Transistor），是构成VLSI的基本元件。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、MOS晶体管的结构一个典型的NMOS晶体管结构图 器件被制作在P型衬底(bulk或body)上，两个重参杂的n区形成源区（S）和漏区（D），一个重参杂的多晶硅(导电)作为栅（G），一层薄二氧化硅层使删和衬底隔离。器件的有效作用就发生在删氧化层下的衬底区。注意这种结构的源（S）和漏（D）是相同的。源漏方向的尺寸叫删长L，与之垂直方向的细的尺寸叫做栅宽W，由于在制造过程中，源/漏结的横向扩散，源漏之间实际的距离略小于L，为了避免混淆，我们定义Leff=Ldrawn-2LD,Leff称为有效沟道长度，Ldrawn是沟道总长度，LD是横向扩散长度。Leff和氧化层厚度tox对MOS电路的性能有着重要的作用。衬底的电位对器件特性有很大的影，也就是说，MOSFET是一个四端器件。由于在典型的MOS工作中，源漏结二极管都必须反偏，所以我们认为NMOS晶体管的衬底被连接到系统的最低电压上。例如，如果一个电路在03V工作则把衬底连接在最低的0V电位上，实际的连接如下图所示，通过一个p欧姆区来实。三、MOS管的符号教材中的教材中的NMOS耗尽型：耗尽型：四、MOS管的I/V特性1.阈值电压删氧化层电容删氧化层电容耗尽区电容耗尽区电容 NMOS管的管的VTH通常定义为界面的电子浓度等于衬底的多子浓度时通常定义为界面的电子浓度等于衬底的多子浓度时的删压的删压。可以证明：可以证明：是多晶硅删和衬底间的功函数差是多晶硅删和衬底间的功函数差q是电子电荷，是电子电荷，Nsub是衬底参杂浓度，是衬底参杂浓度，dep是耗尽区电荷，是耗尽区电荷，Cox是单位面积是单位面积删氧化层电容删氧化层电容是半导体衬底费米势影响阈值电压的因素：1）删电极材料2）删氧化层质量，厚度3）衬底参杂浓度PMOS导通现象类似于导通现象类似于NMOS，但其所有极性都相反，但其所有极性都相反2.I/V特性的推导首先，分析一个载有电流首先，分析一个载有电流I I的半导体棒：的半导体棒：沿电流方向的电荷密度是沿电流方向的电荷密度是Qd（C/m）,电荷移动速度是电荷移动速度是v（m/s）源和漏等压时的沟道电荷源和漏等压时的沟道电荷其次，考虑源和漏都接地的其次，考虑源和漏都接地的NMOS，反型层中的电荷密度是多少？，反型层中的电荷密度是多少？我们认为我们认为VGSVTH时开始反型，所以时开始反型，所以VGSVTH时，沟道中电荷密度（单位长度时，沟道中电荷密度（单位长度电荷），其值等于：电荷），其值等于：源和漏不等电压时的沟道电荷源和漏不等电压时的沟道电荷当漏极电压大于当漏极电压大于0时，沟道电势将从源极的时，沟道电势将从源极的0V变到漏极的变到漏极的VD，删于沟道之间的，删于沟道之间的局部电势差将从局部电势差将从VG变到变到VGVD，因此沿沟道的电荷密度表示为：，因此沿沟道的电荷密度表示为：V（x）为）为X点的沟道电势。点的沟道电势。电流可表示为：电流可表示为：载流子为电子，所以有负号对于半导体，对于半导体，是半导体载流子迁移率，是半导体载流子迁移率，E为电场为电场由于由于，电子迁移率用，电子迁移率用表示我们得到：我们得到：对应的边界条件是对应的边界条件是两边积分：两边积分：ID沿沟道方向是常数，得到：沿沟道方向是常数，得到：这里的这里的L是有效沟道长度。是有效沟道长度。MOS管漏电流与漏源电压关系管漏电流与漏源电压关系右图给出了不同右图给出了不同VGS时的得到时的得到的的ID与与VDS的关系，每条抛物线的关系，每条抛物线的极值发生在的极值发生在VDS=VGS-VTH峰值电流为：峰值电流为：当当VDS较小时，有较小时，有这种关系表明源漏之间可以用一个线性电阻表示，其阻值：这种关系表明源漏之间可以用一个线性电阻表示，其阻值：深三极管区的线性工作深三极管区的线性工作 当漏电压大于当漏电压大于VGS-VTH会怎样？会怎样？实际上不会遵从抛物线特性，且实际上不会遵从抛物线特性，且ID相对恒定，这时器件相对恒定，这时器件工作在饱和区工作在饱和区漏电流饱和漏电流饱和原因：其电流表达式：其电流表达式：L近似等于近似等于L，则，则ID与与VD无关无关工作于饱和区工作于饱和区饱和区与三极管区分界点饱和区与三极管区分界点可推导出另一种非饱和区电流表达式：可推导出另一种非饱和区电流表达式：饱和区电流表达式：L计算时可用L代替：对于PMOS管，其电流：三极管区：饱和区：VGS0时，IDS由S流向D，IDS随VDS变化基本呈线性关系。（3）当VDSVGS-VTH时，沟道上的电压降（VGS-VTH）基本保持不变，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。所以，IDS=(VGS-VTH)/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。总结：总结：4种MOS管：（1）N沟增强：(2)N沟耗尽：（3）P沟增强:（4）P沟耗尽:第二部分 MOS反相器 反相器是反相器是MOS数字集成电路中最基本的单元电数字集成电路中最基本的单元电路。由于路。由于CMOS技术已经发展成为大规模集成电技术已经发展成为大规模集成电路（路（VLSI）的主流技术，因此本章以）的主流技术，因此本章以CMOS为主，为主，在这之前先介绍在这之前先介绍NMOS和其他类型的反相器。和其他类型的反相器。MOS反相器简介：MOS反相器可分为：静态反相器、动态反反相器可分为：静态反相器、动态反相器。相器。其结构如右图：其结构如右图：驱动管通常为增强型驱动管通常为增强型NMOS，即，即E-NMOS。负载元件可以是：负载元件可以是：电阻（电阻（E/R反相器），增反相器），增强型强型MOS（E/E反相器），耗尽型反相器），耗尽型MOS（E/D反相器），反相器），P沟沟MOS（CMOS）。）。有比反相器：有比反相器：P113无比反相器：无比反相器：P113负载驱动管MOS静态反相器的一般结构NMOS反相器NMOS反相器简介：反相器简介：1.饱和增强型负载饱和增强型负载NMOS反相器反相器饱和增强型负载饱和增强型负载NMOS反相器反相器教材中的增强型NMOS管M1M1M2M2工作状态工作状态?饱和增强型负载饱和增强型负载NMOS反相器反相器Vi为低电平时，根据为低电平时，根据M1M2可知，当可知，当时时，其输出高压比电源其输出高压比电源VDD少了一个阈值电压少了一个阈值电压:这就叫阈值损失。这就叫阈值损失。由由ID1=ID2的条件可以得到输出低电平：的条件可以得到输出低电平：2.非饱和增强型负载非饱和增强型负载NMOS反相器反相器为了克服饱和负载反相器输出高电平有阈值损失的缺点，可以把负载管为了克服饱和负载反相器输出高电平有阈值损失的缺点，可以把负载管M2的栅极的栅极接一个更高的电压接一个更高的电压VGG，且，且VGGVDD+VT，使负载管，使负载管M2由饱和区变为线性区。由饱和区变为线性区。由线性区电流方程：由线性区电流方程：可得当可得当Vout=VDD时才使时才使ID0，因此输出高电平可，因此输出高电平可达到达到VDD由于要增加一个电压源由于要增加一个电压源VGG，给使用带来不便，给使用带来不便或或3.耗尽型负载耗尽型负载NMOS反相器反相器(VTD0)M2永远导通。永远导通。输出高电平时，输出高电平时，M1截止，截止，M2工作在线性区，得到工作在线性区，得到所以有所以有输出低电平时，输出低电平时，M1工作在线性区，工作在线性区，M2工作在饱和区工作在饱和区当当时，得到输出低电平时，得到输出低电平（VG-VT-VS）VGS-VT4.电阻负载NMOS反相器容易看出 输出高电平后M1导通，输出开始下降当时，7.1 自举反相器自举反相器自举反相器只需一个电源自举反相器只需一个电源VDD就能使输出高电平达到就能使输出高电平达到VDD高电平输入时，输出低电平高电平输入时，输出低电平VOL，负载管，负载管栅极电平为：栅极电平为：VGL0=VDD-VTE自举电容自举电容CB两端电压：两端电压：VGSLVDD-VTE-VL输入电平由高变低时，输入电平由高变低时，CB两端电压不能突变两端电压不能突变，负载管删压，负载管删压VGL随输出电压一起升高，这就随输出电压一起升高，这就是是自举效应自举效应。此时此时M ML L工作状态？工作状态？此时此时M ML L工作状态？（关键问题）工作状态？（关键问题）输出达到高电平输出达到高电平VDD自举电容的大小对特性有很大影响自举电容的大小对特性有很大影响MB作用：使作用：使ML栅压不低于栅压不低于VDD-VTECB作用：输出电压上升时，作用：输出电压上升时，CB反偏到反偏到ML的栅极，的栅极，使使ML的栅压的栅压Vo升高而升高自举效应升高而升高自举效应注意：注意：CB的大小对特性影响很大的大小对特性影响很大影响自举反相器性能的因素：影响自举反相器性能的因素：1）寄生电容）寄生电容用用C0加以等效，自举过程中加以等效，自举过程中C0与与CB上的电荷总量恒定上的电荷总量恒定（见（见P114图图7.3b）得到：得到：定义：定义：称作自举效率称作自举效率VGL的升高低于的升高低于VO的升高的升高2）反偏）反偏PN结漏电流结漏电流 由于由于ME的反偏的反偏PN结漏电流的存在，结漏电流的存在，CL上的电荷会不断上的电荷会不断减少，导致减少，导致VGL下降，直到下降，直到ML截止，输出电压截止，输出电压Vo也逐渐降也逐渐降低。低。采取措施：增加辅助上拉元件采取措施：增加辅助上拉元件MA或或RA 如图如图7.4所示（所示（P115）MA的的W/L比比ML小很多；小很多；（这能怎样？）（这能怎样？）RA阻值也比较高。阻值也比较高。7.2 耗尽负载反相器（E/D反相器）（前面介绍过）属于有比反相器。7.3 CMOS反相器 P管N管Vi为低电平时：为低电平时：N管截止，管截止，P管导管导通，通，Vo=VDDVi为高电平时：为高电平时：N管导通，管导通，P管截管截止，止，Vo=07.3.1CMOS反相器的直流特性反相器的直流特性电流方程如下：电流方程如下：截止饱和线性截止饱和线性A区：N管截止，P管工作于线性区输出Vo=VDDB区：P管工作在线性区，N管饱和C区：区：N管和管和P管都处于管都处于饱和区饱和区 当当可得：可得：，N管饱和：管饱和：P管饱和：管饱和：合并后有：合并后有：D区：区：P管饱和，管饱和，N管线性管线性E区：区：P管截止，管截止，N管线性管线性输出输出Vo=07.3.2 噪声容限噪声容限低噪声容限：低噪声容限：NML高噪声容限：高噪声容限：NMH（教材（教材P119）7.3.3 开关特性开关特性 在在CMOS电路中，负载电容电路中，负载电容CL的充放电时间限的充放电时间限制了门的开关速度。制了门的开关速度。负载电容的构成：下级输入电容，本级输出电负载电容的构成：下级输入电容，本级输出电容，连线电容。容，连线电容。上升时间上升时间tr：波形从它的稳态值的：波形从它的稳态值的10上升到上升到90所需时间。所需时间。tr=?（公式（公式7.25）下降时间下降时间tf：波形从它的稳态值的：波形从它的稳态值的90下降到下降到10所需时间。所需时间。tf=?（公式（公式7.27）1.下降时间下降时间两部分组成：两部分组成：1）：电容电压）：电容电压Vo从从0.9VDD下降到下降到VDD-VTN所需时间所需时间 2）：电容电压）：电容电压Vo从从VDD-VTN下降到下降到0.1VDD所需时间所需时间2.上升时间上升时间与下降时间类似与下降时间类似7.3.4 功耗分为：1）静态功耗PD CMOS反相器静态功耗几乎为零 2）动态功耗PS ，动态功耗又可分为：开关的瞬态电流造成的功耗PA 负载电容的充电放电造成的功耗PT7.4 静态内部反相器的设计静态CMOS反相器的设计：1）对称波形设计准则要求kp=kn2）准对称波形设计准则要求kp与kn满足一定的比例7.5 动态反相器7.5.1动态有比反相器DD和和同时为同时为1 1，M1,M2M1,M2同时导通同时导通Y Y的值为的值为M1,M2M1,M2的宽长比决定的地的宽长比决定的地电平电平V VOLOL值值7.5.2动态无比反相器1 12 2D1 和和2是两个互不重迭的时钟是两个互不重迭的时钟1叫预充时钟叫预充时钟2叫求值时钟叫求值时钟7.6 按比例缩小理论按比例缩小理论分为分为CE理论，理论，CV理论，理论，QCV理论理论7.6.1 CE理论（恒定电场理论）理论（恒定电场理论）基本特点：器件尺寸，电源电压缩小为基本特点：器件尺寸，电源电压缩小为1/倍倍衬底浓度增加为原来的衬底浓度增加为原来的倍。倍。7.6.2 CV理论（恒定电源电压按比例缩小）理论（恒定电源电压按比例缩小）是是CE理论的修正，主要特点是保持电源电压不变。理论的修正，主要特点是保持电源电压不变。7.6.3QCV理论（准恒定电源电压理论）理论（准恒定电源电压理论）也是也是CE理论的修正，电源电压及其他量按理论的修正，电源电压及其他量按 变化变化