（微电子学与固体电子学专业论文）两种新型神经mos晶体管的模拟方法研究.pdf

摘要 两种新型神经m o s 晶体管的模拟方法研究 摘要 神经m o s 晶体管，简称n e u m o s ，是1 9 9 1 年爿发明出来的一种具有高功能度 的多输入栅控制的浮栅m o s 器件。在它十年的发展过程中，一些新的结构被陆续 提出。本论文则主要研究了n e u m o s 的两种改进结构即钟控n e u m o s 和开关共点 耦合n e u m o s 的建模和应用。其目的是建立一个可用于指导神经电路设计和模拟验 证的模型。 在建模部分，在n e u m o s ( 长沟道和短沟道) 伏安特性的基础之上，从其改进结 构的等效电容模型出发，采用模拟行为建模的方法建立一个基于通用电路模拟器 p s p i c e 的子电路模型和子电路模型库。、为验证所建子电路模型的准确性和实用性， 采用该子电路模型对一些文献中发表的相关电路进行了模拟，并与实验测试结果进 行对比。结果表明，所建的子电路模型可以作为今后神经电路设计和模拟验证的有 效手段。 在应用部分，主要运用所建模型对文中两种改进结构的特性进行了模拟分析， 这也从另一个角度证明了所建模型的准确性，弥补了用于验证模型的电路不够多的 不足。并对两种改进结构的应用方向作了初步探讨。 关键词：神经m o s 晶体管钟控神经晶体管开关共点耦合神经 晶体管建模子电路模型模拟行为建模功能柔性电路 上海交通大学硕士学位论文 a n a l y s i s a n ds i m u l a t i o no f t w o n e w l yd e v e l o p e d n e u r o nm o st r a n s i s t o r a b s t r a c t t h en e u r o nm o st r a n s i s t o r ，a l s oc a l l e d “n e u m o s ”f o rs h o r t ，w a si n v e n t e d i n1 9 9 1 i ti sah i g h f u n c t i o n a lf l o a t i n g - g a t em o s f e tw i t hm u l t i p l e - i n p u tc o n t r o l - g a t e s d u r i n gi t sh i s t o r yo f1 0y e a r s ， s o m en e wa r c h i t e c t u r e sh a v eb e e nd e v e l o p e d t h i sd i s s e r t a t i o ne m p h a s i z c st h es t u d i e so nt h em o d e l i n ga n da p p l i c a t i o no ft w on e w a r c h i t e c t u r e so fn e u m o si e c l o c k - c o n t r o l l e dn e u m o sa n dc o m m o np o i n ts w i t c h - c o u p l e dn e u m o s t h ep r i m a r yo b j e c t i v e so ft h es t u d i e sa r et od e v e l o p am o d e lt h a t c a nb eu s e dt og u i d e d e s i g na n d s i m u l a t i o no fn e u m o s i n t e g r a t e dc i r c u i t s i nm o d e l i n g p a r t ，b yu s i n gt h em e t h o do fa n a l o gb e h a v i o rm o d e l i n g ， a s u b c i r c u i tm o d e la n di t sl i b r a r yf o rn e u m o sa r ed e v e l o p e d ，w h i c hc a nb eu s e di n p s p i c e b a s e dc i r c u i ts i m u l a t o r i na d d i t i o n ， b yu s i n gt h en e w l yd e v e l o p e ds u b c i r c u i tm o d e la n di t sl i b r a r y ，s o m en e u m o si cc o n s i s t i n go f t h ea b o v ea r c h i t e c t u r e s p u b u s b e di n l i t e r a t u r e sa r es i m u l a t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t h m e a s u r e dr e s u l t si no r d e rt oe x a m i n et h ea c c u r a c ya n dp r a c t i c a l i t yo ft h ep r o p o s e d s u b c i r c u i tm o d e la n di t s l i b r a r y t h ec o m p a r e dr e s u l t s s h o wt h a tt h e n e w l y d e v e l o p e ds u b - c i r c u i tm o d e la n di t sl i b r a r yc a nb eu s e da se f f e c t i v et o o lf o rd e s i g n a n ds i m u l a t i o no fn e u m o si c i na p p l i c a t i o np a r t ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ea b o v et w on e wa r c h i t e c t u r e s a r es i m u l a t e da n da n a l y z e du s i n gt h en e w l yd e v e l o p e ds u b c i r c u i tm o d e l a n dt h e a c c u r a c yo ft h ea b o v em o d e i si sv e r i f i e a t i o nf r o ma n o t h e ra s p e c t a tt h es a m et i m e t h ei n s u f f i c i e n c yo f c i r c u i tf o rm o d e lv e r i f i c a t i o ni sm a d eu p 。f i n a l l y ，t h ea p p l i c a t i o n d i r e c t i o no ft h et w oa r c h i t e c t u r e si sd i s c u s s e dp r i m a r i l y 。 k e y w o r d ：n e u r o nm o st r a n s i s t o r ，c l o e k - c o n t r o l l e dn e u m o s ， c o m m o n p o i n ts w i t c h - c o u p l e d n e u m o s ， m o d e l i n g ， s u b c i r c u i t m o d e l ， a n a l o gb e h a v i o rm o d e l i n g ， f l e x w a r ec i r c u i t 上海交通大学硕士学位论文2 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 自从1 9 4 7 年贝尔实验室的威廉肖克利发明晶体管，几十年来微电子技术尤 其是硅集成电路已取得了非常惊人的进步。器件的最小尺寸不断缩小。据统计自五 十年代以来，器件的最小尺寸以每四年5 0 的速率缩小，已从最初的2 5 微米缩小到 目前的0 2 5 微米乃至0 1 8 微米，据最新报道0 1 3 微米的工艺已进入量产阶段。与 此同时，芯片的单片集成度按摩尔规律不断提高；从小规模集成时代到超大规模集成 时代，由于工艺设计以及器件和电路设计的改进，已使得单片集成度每一年半到两 年就提高到原集成度的两倍：并且硅圆片的尺寸和芯片面积不断增大，硅圆片的尺 寸每五年便提高到以前尺寸的2 倍，芯片面积每八年便提高到以前面积的4 倍。在 此过程中按比例缩小理论发挥着巨大的作用，在增强器件性能方面取得很大的成功。 但不能不看到，随着器件尺寸进入深亚微米阶段，相当多的严重问题也陆续暴露出 来，如材料特性，小器件尺寸的性能等。许多因素使得集成电路的性能不再得到明 显改善。它们包括：互连线电阻与电容，沟道电容，寄生接触电阻，载流子速度饱和， 热载流子注入，亚阈值电流，电离粒子辐射，漏击穿，栅氧化层击穿，穿通电压下 降，沟道掺杂及氧化层厚度的起伏，以及工艺参数的控制等。所有这些问题的出现 都是由于v l s i 系统的实现都是基于单一晶体管功能，即控制电压高于阈值电压则 器件导通，反之截止这一事实。为了保持住集成效率不断提高的趋势，必须在电路 和器件的设计概念上有新的突破。三维集成( 3 d - i n t e g r a t i o n ) ，多芯片组件( m c m ) ， 整片集成设计( w s i ) 以及本文将要研究的神经m o s 晶体管( n e u r o n m o st r a n s i s t e r ) 及其改进结构就是例子。 1 2 神经m o s 晶体管的发明及特点 神经m o s 晶体管是日本东北大学的柴田值( t a d a s h is h i b a t a ) 和大健忠宏 ( t a d a h i r oo h m i ) 两位教授基于浮栅m o s 结构，经过两年多的潜心研究而发明出 来的。它是基于晶体管功能度的提高，尤其是智能化的概念而提出来的。这种器件 能计算多个输入信号的加权和，并且以这个加权和来控制晶体管的导通与截止。由 于这种器件在结构和功能方面类似于人工神经元细胞，故被命名为“神经m o s 晶 体管”。相对于普通m o s 晶体管来说，它有以下主要特点： ( 1 ) 多输入信号控制。 ( 2 ) 可变阈值，即阈值可控。 ( 3 ) 兼容结构兼容工艺。神经m o s 晶体管是建立在常规m o s 晶体管基础上的多输 入端的浮栅m o s 器件，因此不同于e e p r o m 等特种浮栅器件，它由标准的双层 多晶- 双层金属c m o s 或双层多晶三层金属c m o s 工艺加工而成，并不需要额外 的特种工艺。 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 f 4 ) 用在模拟电路中功耗低。由于神经m o s 晶体管实行输入信号加权和操作，是利 用电容耦合效应，通过“电压模”方式实现的，因此除了充放电时有电流流动以外， 其余时间没有电流流动i ”，这就比通常的利用电阻，通过“电流模”实现加权求和 的方式有很大的优越性。 ( 5 ) 可简化电路结构，节省芯片面积。 这两个特点对与实现高密度集成，尤其是神经网络系统有着极其重要的意义。 为了更加形象地说明这一点，在下面表1 - 1 中给出分别采用常规m o s 与神经m o s 晶体管实现逻辑电路时所采用的晶体管数目的对比情况。 麦! ：! 掏建塑塑电监压孟鳆晶盐笸数旦笪过丝 t a b l e1 - 1 c o m p a r i s o no f t h en u m b e ro ft r a n s i s t o r s 电路名称常规m o s 设计神经m o s 设计 3 b i t a 巾e o n v e r t e r1 7 4 t r1 6 t r 4 b i t a 巾c o n v e r t e r3 9 8 t r2 8 t r f u l l a d d e r5 0 t r8 t r c o i n c i d e n c e2 0 t r 6 1 r r e l e m e n t 值得一提的是，一个八并行输入对称软硬件逻辑电路( 8 - p a r a l l e l i n p u ts y m m e t r i c s o f t h a r d w a r el o g i cc i r c u i t ) 仅由2 0 个n e u m o s 和2 个常规m o s 管组成【l u j ，对于 八输入变量，通过实时改变外接的控制信号，它可以实现5 1 2 种对称的布尔逻辑功 能：而5 1 2 种逻辑功能之一的八输入“异或( x o r ) ”功能，如果采用普通c m o s 一“与 非”和“或非”门组合来实现的，则需要2 0 0 0 个以上的常规m o s 管。此外，在模拟 电路设计中，采用n e u m o s 同样比采用常规m o s 所用晶体管数量要少得多，达到节省 芯片面积的目的，面积节省率在3 0 5 0 左右。 此外，据发明人柴田直教授称，他们采用n e u m o s 实现了用于硬件识别的p c a ( p r o o f - o f - c o n c e p ta s s o c i a t o r ) 电路。传统的基于典型c i s c 处理器，采用软件压缩 的办法处理一个v g a ( 6 4 0 4 8 0 p i x e l s ) 图像需要约2 0 秒的时间，而采用这种p c a 电路则只需3 0 毫秒i l “。盥坠m q s 卫望盛凶查望垃土塞现堕l s ! 级功能塞盛的经进 直熟友式：这正星盟坠丛q s 婴窥的纶焦逝在坐! 1 1 3 神经m o s 晶体管及其电路的研究现状和研究趋势 1 3 1 研究现状 自从1 9 9 1 年神经m o s 晶体管问世以来，以日本为主，先后有几个国家和地区 的学者参与了这一领域的研究工作，并且从两年来所问世的文献来看，参与研究的 人员有扩大的趋势。 神经m o s 晶体管当然最适合在神经网络电路系统中应用，但 上海交通大学硕士学位论文 笙二! 堕堡 一 又不仅限于此。 n ) 日本：以东北大学为主，先后有东京大学，九州大学等五所大学的研究人员 参与到神经m o s 晶体管的研究领域。主要有4 名正教授，1 名副教授以及1 0 多名 博士研究生、硕士研究生、中国留学生和访问学者参加这项工作。已发表论文三十 余篇。研究内容主要是面向智能化电子系统尤其是神经网络系统应用的电路开发和 研制。大部分的研究成果已有芯片样品，如6 输入栅和1 6 一输入栅的单管器件p j ，1 6 一 输入栅的神经电路【1 引，( 3 ：2 ) 全加器f 9 ，1 列， 3 b i tf l a s ha dc o n v e r t e r 9 1 ，软- 硬件逻辑 电路( 实时可重构逻辑电路) 【h j ，自学习神经突触 2 们，通用文字功能发生器f 1 7 1 ，竞争 全胜( w i n n e r t a k ea 1 1 ) 电路1 1 3 ，联想存储器( a s s o c i a t i v em e m o r y ) 1 鲋， 联想 d r a m ( a s s o c i a t i v ed r a m ) 训，9 - 输入c o m ( c e n t e ro fm a s s l 探测器f 5 纠，时钟控制 神经m o s 逻辑门f j l 】等。 另外，从英特网上获悉，为了探讨m o s 晶体管器件小型化的可行性，即器件 的尺寸做到很小时，原有的大尺寸器件内部的容性关系是否依然存在，它们目前的 一个研究项目是采用s a p s 模拟器( s i l v a c oa t h e n ap r o c e s ss i m u l a t o r ) 去模拟神经 m o s 晶体管的制造工艺并精确提取可用于电路模拟的s p i c e 参数。以神经m o s 晶体管为核心的“硅微电子系统智能化的极限集成”项目受到日本文部省两项科学 基金的资助。 ( 2 ) 美国：一名华裔博士生的学位论文就是采用神经m o s 晶体管实现多输入差分 运算放大器和多输入跨导运算放大器，并已流片成功，制出了芯片样品，同时他还 完成了一级物理模型( 包括亚阈值区模型) 的建模工作，并通过c a z m 电路模拟器将 这个模型嵌入到b s i m 模型 3 5 】。 此外，还有一名美国研究人员在他的一篇论文中系统地研究了采用神经m o s 晶体管实现低压模拟电路的方法f 8 j 。 ( 3 ) 德国：已发表论文2 篇，研究内容主要集中在神经m o s 晶体管逻辑电路的设 计，研究成果有高速乘法器的芯片样品【3 8 ，3 9 1 。 ( 4 ) 澳大利亚：n e ws o u t hw a l e s 大学的一名博士研究生的学位论文内容是采用神 经m o s 晶体管实现四像限模拟乘法器和伪对数整流器，并有芯片样品 4 。基于学 位论文，他已发表论文3 篇。 和这名博士同实验室的研究人员还采用神经m o s 晶体管实现了0 9 v5 m s s 的 6 - b i td a 转换器，有芯片样品 训。此外，还有3 名研究者发表了一篇关于神经m o s 上海交通大学硕士学位论文 苎二童堕堡 晶体管在模拟设计中的应用论文，设计了两个可控增益放大器和一个s c h m i t t 触发 器，并给出了模拟结果。 ( 5 1 希腊：发表论文一篇，内容是采用神经m o s 晶体管实现了平方器和四像限 模拟乘法器 6 l l 。 ( 6 1 台湾：台湾工业大学的l i u 。s h e n i u a n 博士和c h e n 。j i a n - j o n g 博士等多年 来一直致力于c m o s 模拟乘法器的研究工作，1 9 9 8 年他们又采用神经m o s 晶体管 研制了单一电源供电( 2 5 ) 的四像限模拟乘法器芯片样品【6 “。 1 3 2 研究趋势 以上提到的大部分研究成果主要是基于神经m o s 晶体管的浮栅“浮置”( 不外 接信号) 而实现的。但也有一部分研究成果是基于浮栅编程或时钟控制的思想而完成 的( 作为本论文工作的重点，研究工作也将围绕这一思想而展开) 。在1 9 9 7 年的国际 电子会议上，神经m o s 晶体管的发明人柴田值和大健忠宏提出了“神经微电子学” ( n e u r a lm i c r o e l e c t r o n i c s ) 这一新学科概念，并建议从生物系统和生物模型中学 习“经验”，将其应用于目前的硅技术中，以实现智能化的v l s i 系统。新学科概念 的提出对神经m o s 晶体管的研究工作起到了极大的促进作用。总结目前诸多的有 关神经m o s 晶体管的研究成果，我认为其研究趋势将有以下几个方面： ( 1 ) 币l j 用神经m o s 晶体管及其改进结构( 钟控n e u m o s 和开关共点耦合n e u m o s ) 简化常规m o s 晶体管所能实现的数字和模拟电路。虽然在这方面已有人作了很多 有开创性的工作，但其前景仍然是光明的。 ( 2 ) 利用神经m o s 晶体管及其改进结构( 钟控n e u m o s 和开关共点耦合n e u m o s ) 的高功能度的特点开发出具有简单结构的新型逻辑电路。作为本论文内容之一，笔 者在以后的内容中将提出一种新型电路二值一三至编码器。 ( 3 ) 利用神经m o s 晶体管及其改进结构( 钟控n e u m o s 和开关共点耦合n e u m o s ) 多输入和可变阈值的特点开发出大输入范围的低压低功耗的模拟电路。 ( 4 ) 利用神经m o s 晶体管及其改进结构( 钟控n e u m o s 和开关共点耦合n e u m o s ) 实现实时可编程的，面向神经网络和其他信号处理系统的单元电路。 ( 5 ) 利用神经m o s 晶体管改进结构( 钟控n e u m o s 和开关共点耦合n e u m o s ) 浮栅 可编程的特点，利用时钟控制浮栅等方法开发出结构简单的数模混合电路。 ( 6 ) 开发出具有完整功能的智能化硅微电子系统。 ( 7 ) 正如双极技术和v d m o s 结构组和形成i g b t ，基于神经m o s 晶体管的概念 和思想，开发出功能度更为强大的器件，如神经m o s 晶体管结构和s o i 器件的结 合，神经m o s 晶体管概念和e e p r o m 概念上的重组，以及神经m o s 晶体管的 思想与现有硅技术的结合等。 1 4 本文的结构和主要内容 本论文主要由以下几部分组成：建模、模拟、应用。 主要内容如下： 1 4 1 子电路模型的建模 t 海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 在建模部分中，在n e u m o s 电压一电流特性基础之上( 第二章) ，基于n e u m o s 两种改进结构即钟控n e u m o s 和开关共点耦合n e u m o s 的等效电容模型和p s p i c e 模拟器的模拟行为建模功能，采用子电路的方法建立了它们的子电路模型和子电路 模型库( 第三章) 。该模型是今后开发神经电路的主要模拟验证工具。 1 4 2 子电路模型的验证 在验证部分中，利用子电路模型和子电路模型库对已发表的神经电路进行了模 拟验证，并将模拟结果与文献中发表的试验测试结果进行了对比，以验证新建的子 电路模型的准确性和实用性( 第四章) 。 1 4 3 应用子电路模型的应用 在应用部分中，基于所建模型，对文中两种n e u m o s 改进结构的特性进行探 讨，并提出了两种结构在柔性电路和可编程器件方面的应用方向( 第四章) 。 1 4 4 结论 在本部分中对全文进行了总结性的论述。 t 海交通大学硕士学位论文 第一章神经m o s 晶体管的基本结构与特性分析 2 1 概述 第二章神经m o s 晶体管的基本结构与特性分析 从结构和行为方面来讲，除了浮栅和多输入控制栅以外，神经m o s 晶体管 和常规m o s 晶体管是很相似的，这是本论文建模工作的一个基本出发点，然而正 是这浮栅和多输入控制栅改变了它的特性，又使它具备了常规m o s 晶体管所不具 备的优点。本章内容安排如下，第一部分将首先介绍神经m o s 晶体管的基本结构， 在第二部分中详细推导它的伏安特性，为第三章的建模提供理论基础。 2 2 单管的基本结构 首先来看一个如图2 。1 所示的简单人工神经元模型。人工神经元是多输入、 单输出的信息处理单元。在神经元模型中，x ，代表来自它第i 个神经元触突的信号 强度；s f 代表来自非神经元的直接由外部输入的信号，简称外部刺激；臼。代表兴奋 的闽值；嵋代表神经元与x f 的触突结合权；y 代表神经元的输出信号。生物神经从 多个源接受信息输入，并按照每个信息源的重要程度进行“加权”，当加权和值大于 阈值，则处理器产生一个兴奋信号“1 ”；否则产生一抑制信号0 怕j 。 x 1 x 2 x n s 该模型的表达式为 图2 - 1 一个简单人工神经元模型示意图 f i g 2 1a s c h e m a t i cd i a g r a m o f s i m p l e a r t i f i c i a ln e u r o n y = ( 甜) = 厂( w i x ，+ j ，一只) 上海交通大学硕士学位论文 第二帝神经m o s 晶体管的基本结构与特性分析 一个n 沟道的神经m o s 晶体管的基本结构示意图如图2 2 所示u j ，图中同时也 一并给出了它的版图以及用于电路设计中的表示符号。从中可以看出，这种神经m 0 s 晶体管与神经元模型是非常相似的，而且在下面将会看到这种新结构器件与神经元 模型在功能表达式上也是相似的。 神经m o s 晶体管包含有两层多晶硅和两层氧化层。浮栅由第一层多晶硅组成， 浮栅下面是第一层氧化层( 即常规m o s 晶体管的栅氧化层) ；第二层多晶硅形成一组 多控制的输入栅。两层多晶硅之间有第二层氧化层隔离开来。第二层多晶硅与浮栅 之间形成一组理想的电容器( 成为”输入栅耦和电容”) 。加到多输入栅上的信号通过 电容耦合和电荷感应到浮栅上。根据输入栅耦和电容的不同，即电容耦合和电荷感 应程度的不同，从而使得栅输入信号的加权率不同，最终由经过加权求和的信号利 用浮栅控制晶体管的导通与截止。因此，不同于常规m o s 晶体管的是，在神经m o s 晶体管中，浮栅充当晶体管的“沟道”角色。当输入信号通过加权求和超过了相对 浮栅的阈值电压时，晶体管导通，反之则截止。可见神经m o s 晶体管不仅仿制了神 经元的多输入结构，而且模拟了神经元的功能。 缓缢黝p o l y 2 区图p o l y 1f l o a t i d i f i _ u s i o n 回c 。n f a c f 武r 。l i 厂一 ( b ) g 1 d _ 一 g 2 叫 g a 砰i g n 叫 图2 2 神经m o s 晶体管的结构示意图、版图和符号 f i g 2 - 2s c h e m a t i cd i a g r a m 、l a y o u t a n ds y m b o lo f n e u r o nm o s f e t ( c ) b 需要指出的是：由于整个多晶硅浮栅被热氧化层所覆盖，因此浮栅具有较好的 电荷长期保持特性，这使得整个器件在工作中，泄漏电荷将不会引起电荷损失。这 一点和一些研究者所采用的使用常规m o s 器件，外连接电容器作为权值( 电荷) 存储 的方式是完全不同的，这是因为普通电容器中电荷的长期保存是不可能的。 利用电荷守恒的关系，浮栅上的感应电位”可以近似地表示为 3 ： e 海交通大学硕士学位论文 6 第一二章神经m o s 晶体管的幕奉结构与特性分析 = z c 百i v i + 一q f c ( 2 2 ) 在式( 2 2 ) 中，总电容c ，= c 丹+ c ，。一般情况下，浮栅中存储的电荷q f g 可 作为零来处理，这在热平衡条件下是有效的，并且在实际电路中，可以象e e p r o m 那样，利用紫外光除去浮栅中电荷的方法来实现。但在有些情况下，浮栅中的电荷 是有意引入的，如以后内容将要介绍的钟控神经m o s 管和开关共点耦合神经m o s 管。 一旦浮栅电位。超过了相对于浮栅的阂值电压p 0 时，神经m o s 管就会 导通，即： c ，l 。 等2 善彬p ( 2 - 3 ) 在上式中，彬= c 名c t 既是上面提到的“栅输入信号加权率或称之为输入 栅电容耦合率”。 ( 2 3 ) 式又可改写为： 旷 盟一翌 1 c 1c l ( 2 - 4 ) 如果一个n - 输入栅的神经m o s 晶体管作为一个单输入栅的m o s 晶体管来使 用，其中栅l 是唯一的信号端，其它( n - 1 ) 个输入栅作为闽值控制端，则这个n 输入 栅神经m o s 晶体管相对于栅1 的阈值电压为： 一：盟一翌。 c lc 1 ( 2 - 5 ) 显然”是由、巧、k 决定和控制的。考虑最简单的2 输入栅的情 况，则有下面的表达式： t 海交通大学硕士学位论文 笙二兰塑丝竺q ! 曼堡笪竺苎查堕塑皇堑丝坌堑 以- ) = c t v 一盟 。 c lc l ( 2 - 6 ) 从上式可以看出，如果适当选择和c 2 c l ，并使得c l c b 和c 2 c 日【m ( c 。可以合理地采用浮栅氧化层电容c 。来近似，所以c 。 c 一。这个条件是很 容易满足的) ，则一1 可以等于零甚至小于零。在这种情况下，本来是增强型的神经 m o s 晶体管可以在耗尽模式下工作【3 1 。作为一个典型例子，图2 - 3 中分别给出了一 个2 一输入栅神经m o s 晶体管的，【4 】和，。k 【3 】( 作为阈值电压控制端) 的 特性曲线。从中我们不难看出神经m o s 晶体管的优势所在，这些优势不是常规增 强型耗尽型m o s 管或双栅晶体管乃至c m o s 或若干个常规m o s 晶体管组合所 能实现的。 神经m o s 晶体管本身的基本结构并不很新，它是业内人士熟知的浮栅e p r o m 和e e p r o m 单元结构的自然扩展【6 1 ，但它作为一种多输入阂值逻辑元件的思想和概 念( 真正意义上的“四端器件”【7 】) 是有独创性和新颖性的。 f o u r t h p o r t ( a ) v 6 c 工上v 。1 。厂 。 s 1 一 d 1 d s - v g ci n c r e a s e 图2 - 3 一个2 一输入栅神经m o s 晶体管的( a ) s 和( b ) ，w l 的特性曲线 f i g 2 - 3c u r r e n t v o l t a g e c h a r a c t e r i s t i c so fa2 - i n p u t g a t e sn e u r o nm o s f e t 2 3 互补管的基本结构 l ：海交通大学硕士学位论文 第一章神经m o s 晶体管的基本结构与特性分析 为了降低功耗、提高速度，采用互补结构是必要的。不同于常规的c m o s 结构， 在互补型神经m o s 晶体管中，n 沟和p 沟器件共用一个浮栅，其结构简图如图2 - 4 所示，图中同时给出了它的版图和用于电路设计中的表示符号。 眩琵囫p o l y 2 蕊鋈圆p o l y lf l o a t i n gg ( a )( b ) v 1 0 _ 一 v 2 0 _ - 1 v 3 叶一| v n 叫 v s s 图2 - 4 互补型神经m o s 晶体管的结构示意图、版图和符号 f i g 2 4s c h e m a t i cd i a g r a m ，l a y o u t a n d s y m b o lo f c o m p l e m e n t a r y n e l r o nm o s f e t ( c ) 为方便起见，以后把神经m o s 晶体管( n e u r o nm o s f e t ) 简称为”n e u m o s ”， n n e u m o s 和p n e u m o s 分别表示n 沟和p 沟器件；把互补型神经m o s 晶体管 ( c o m p l e m e n t a r y n e u r o n m o s f e t ) 简称为”c n e u m o s ”；其改进结构钟控神经m o s 晶体管和开关共点耦合m o s 晶体管简称为nn e u m o s f g 、p n e u m o s f g 和 c n e u m o s f g ，所不同之处只是后缀不同。 2 4n e u m o s 伏安特性的分析 为了使下一章的建模工作有更加完善的理论基础，这里先对n e u m o s 的伏安特 性作一分析。在本章中，按照推导常规m o s f e t 的漏电流电压的方法，分析长沟 道n e u m o s 的漏电流电压特性和短沟道的漏电流一电压特性。在下面的推导中，主 要参考了e e p r o m 器件的一个解析模型的推导方法1 6 3 】。本部分将以增强型nn e u m o s 做为典型例子进行讨论，且暂不考虑对浮栅的注入情况。 2 4 1 长沟道特性分析 为了方便起见，先作以下几个假定： ( 1 ) 漏区和源区的电压降可以忽略不计； ( 2 ) 在沟道区不存在复合一产生电流； 上海交通大学硕士学位论文 v o , 一 8 一 等州上一 帆哪! 一么 笙三兰塑丝坚旦! 曼竺笪竺薹查堕塑皇堑堡坌塑 一 ( 3 ) 沿沟道区的扩散电流比由电场产生的漂移电流小得多； ( 4 ) 在沟道内载流子的迁移率为常数： ( 5 ) 沟道与衬底问的反向饱和电流为零； ( 6 ) 缓变沟道近似成立，即跨过氧化层的垂直于沟道方向的电场分量e ，与沟道 中沿载流子运动方向的电场分量e 。无关，且沿沟道方向电场变化很慢，即有： 8 e y 。a ex l 2 砂 缸 2 4 1 - 1 非饱和区的电流一电压特性 根据上面的假定，可以认为电流在沟道中的流动是一维的。 常规m o s 的非饱和工作区的漏电流一电压表达式： i 。：胁c o 。w i 一巧) 一 吃】 由于c 0 表示浮栅氧化层的单位面积电容，即：c 厶= c 。( l w ) ，所以n e u m o s 的非饱和工作区的漏电流一电压关系可以表达为： 。= 以器等 ( 一) 一喙】 = 心三芋( 一。一 ) ( 2 7 ) 由于单位面积的沟道输运电荷可以表示为： g ( 加一铬一一( 卅】 ( 2 8 ) x 表示沿着沟道方向的距离，v 。( x ) 表示沿着沟道方向的电压降。则沟道中的总 输运电荷可表示为： q c h = w q n ) d x ( 2 - 9 ) 又： 上海交通大学硕士学位论文 兰三兰翌丝竺q ! 曼堕笪塑茎查笙塑量堑丝坌堑 d v c ( x ) = ，c ( x ) d r = 一i d s d r i d s p d x w d y id s d x q u 。n w d y jd s 击c 脚。姨( x ) ( 2 1 0 ) 把( 2 - 8 ) 式代入( 2 - 1 0 ) 式，经整理得： 出2 铬 嵋+ v s 矾 ( 2 _ 1 1 ) 把( 2 - 8 ) 、( 2 - 1 1 ) 式代入( 2 - 9 ) 式后进行积分求值，并且注意到：v c ( o ) = v 。，v c ( l ) = v 。， = r + ，则： 陆一学雌v 2 ，吲j _ m 2 ) 浮栅中的电荷应由五部分组成： ( 1 ) 与输入栅耦合电容c 。相关的电荷； ( 2 ) 与漏耦合电容c ，。相关的电荷； ( 3 ) 与源耦合电容c 。相关的电荷； ( 4 ) 与衬底耦合电容c ，。相关的电荷； ( 5 ) 沟道电荷的镜像电荷。即： 广l q m = i 一c ，( k 一) l c f d ( 一) l t = lj c 舟( 以一y 品) 一c 邱( 一珏) 一 把( 2 1 2 ) 式代入( 2 1 3 ) 式，则经整理得： q 。= 一c ，一c f d - c 。一c 。 + fz c ，+ c 。+ c 。+ c 。y 品，+ 巧，) + 哗魄，一，+ 略) id s c ”j “i r 海交通大学硕士学位论文 ( 2 - 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) 塑兰兰塑丝兰竺! 曼堡笪塑苎查笙塑兰堑堡坌堑一 由于：一，= 一v s ，则由( 27 ) 式可得出 = 丽i l o 磊s l 2 + + k + ， ( 2 - 1 5 ) 把( 2 - 1 5 ) 式代入( 2 - 1 4 ) 式，并且令肚从1 o s l 2 ，同时注意到 ，= 一，则经整理可得 q 。= 爿c ，一c j ( k 一一 一吉 + a c f d c 。( 一，一 一 ) + a c 。一c 。( k y 。一号一 ) + 爿c k c 。( 一y 矗一 一号) + 爿c 。+ 鲁嵋+ 鲁曙+ 百c o x 蚝 一署一鲁昧+ 鲁哝 + c v d + c 0 x y s c y ” 进一步整理得到一个关于a 的一元二次方程： c r a 2 一m a + n = 0 其中，c ，表示系统总电容： c ，= z c 。+ c f d + c 口+ c f b + c o x t = l m = q 阳+ c ，( _ 一一 一) 滢l 上海交通大学硕士学位论文 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 一1 9 ) 1 2 一 ：z 一 一 略略吲 + 一 略一2一2 一 一 上2一2 一 一 一 一 阳 阳 c c + + 兰= 兰塑丝坚竺! 曼竺笪塑苎查丝塑皇堑丝坌塑 n ：古眙一2 v d v s + 1 3 v s z ) ( 2 - 2 0 ) ( 2 1 7 ) 式这个h - 程的最大解为： m + 一m 2 4 n c t a = j 二 ( 2 2 1 ) 把4 = 瓦撩代入( 2 - 2 1 ) 式并整理，从而得到了长沟道n e u m o s 在非饱和 区的漏电流一电压特性关系为： k 警( 牢 一v 。l ( m + , ：c 2 ，- 4 n c , ： ( 2 2 2 ) 其中，k = “c 。三2 表示跨导参数。 ( 2 - 2 2 ) 式的近似解为： l 。= k y d s 乙m 如果假定存储在浮栅中的初始电荷为零，并忽略器件工作中的电荷注入，那么 长沟道n e u m o s 在非饱和区的漏电流一电压关系可以近似地表达为： ，wi 善c f 一捣一j k “1 等一盟斧 + k ( _ 塑等玉 = k ( 窆i = 1 彬_ 一矿。一k + 一 = k i 彬_ 一矿。一k + 一i 其中，电容耦合率定义为：篡誊篡z 云菇三掣荡肛r 上海交通大学硕士学位论文 ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 等等 苎三主塑丝坚旦! 曼堡笪竺苎查堕塑皇堑壁坌堑 2 4 1 2 饱和区的电流一电压特性 由( 2 7 ) 式可知，当饱和刚发生时： = 。，= 一 ( 2 - 2 5 ) 和： ( j u s t - s a t u r a t e ) ：睁 ( 2 2 6 ) 当， 。，n e u m o s 器件工作于饱和模式。假定沟道长度l 远大于速度饱和 ( 高场) 区，以致于沟道长度调制效应可以忽略。随着v 。的增加，v 。将要通过漏 耦合电容c 。影响浮栅电位v 所以沟道夹断( p i n c h o f f ) 位置的电压( v m ) 与 ( 2 2 5 ) 式中的v 。并不一样，然而下面这种关系仍然存在： v p = v s v ” ( 2 - 2 7 ) 把( 2 1 5 ) 式中的v 。和( 2 2 6 ) 式中的v 。 均用v d s ，来代替，利用( 2 1 2 ) 式，并注意到( 2 2 5 ) 式的关系，经整理得到： q c h ( a t - s a t u r a t e ) = 一去( ( 2 _ 。) 把( 2 2 8 ) 式代入( 2 1 3 ) 式，则可求一个关于浮栅电位的一元二次方程： c ，v ，2 g + ( 2 c 甜珞一c r 一c r 一p ) + p + p k - 2 c o x = 0 ( 2 - 2 9 ) 其中，c ，表示系统总电容： c r = c ，+ c f d + c 雕+ c 一詈 ( 2 - 3 0 ) 尸2 9 m + 蕃c j _ + c m + c 一+ c m + c o f s + ) ( 2 3 1 ) ( 2 - 2 9 ) 式的一个近似解为： = 业五型望型洲坚秀掣盟避盥型型幽 塑三主塑丝坚旦! 曼签笪塑苎查堕塑皇竺丝坌塑 一 j p c ， q ，。+ 蕃nc ，+ c 。+ c k + c m ! ；三竺! ! ：竺! 饱和区的漏电流 征： n c ，+ c f d + c 聒+ c 邝+ 专c 。x ( 2 3 2 ) 电压关系可以由s e h i m a n h o d g e s 模型( m o s f e t 一级模型) 来表 u 沪訾( 一) 2 ( 2 - 3 3 ) 把( 2 3 2 ) 式代入( 2 3 3 ) 式，注意到。= 。一，则经整理可得出长沟道n e u m o s 在饱和区的漏电流一电压特性公式为： k = 瓦l n c 厂o x + 訾小等等 + 等一( 1 - 2 ，c 引。x 、i v 叫 2 ( 2 3 4 ) 同样，如果假定存储在浮栅中的初始电荷为零，并忽略器件工作中的电荷注入， 那么长沟道n e u m o s 在饱和区的漏电流可以近似地表达为： k = k l 彬k + 一+ 一i ( 2 3 5 ) 其中，k = 肌c o x l 2 表示跨导参数； 电容耦合率被定义为： 彬= c ，c r 、= c ，d c ，、= 1 一c b c ，一；c c 7 w b = c f b c t 、w t = 1 一专c o x | c t ( 2 3 6 ) 2 4 2 短沟道特性分析 对于短沟道和亚微米器件，上面推导的漏电流一电压特性要进行修正。当沟道长 度小于5 i jm 时，在商场区的电子速度开始达到饱和。在这种情况下，长沟道伏安 上海交通大学硕士学位论文 警私下堕g 苎三兰塑丝坚旦! 曼竺笪塑苎查苎塑皇堑丝坌堑一 特性的推导要进行必要的修正。 2 421 非饱和区的电流一电压特性 引入一个方便且通用的迁移率模型 2 i 丁t u n 瓦 l + 二卫 e c d y ( 2 - 3 7 ) u 。是低场迁移率，e 。是速度饱和和临界电