（电子科学与技术专业论文）数字电路高功率微波hpm效应研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a t t h ec m o si n v e r t e r sa r en o r m a l l yc h o s e ni nd i g i t a lc i r c u i td e v i c e sa n di ti st h e f o u n d a t i o no fc m o sd i g i t a lc i r c u i ta n a l y s i sa n dd e s i g n s o ，t h es t u d yo fm i c r o w a v e i n t e r f e r e n c ee f f e c t so nc m o sd i g i t a lc i r c u i t l e v e ld e v i c ea r em o s t l yc o n c e n t r a t e di n c m o si n v e r t e r i no r d e rt oh a v eab e r e ru n d e r s t a n d i n go ft h e s ed i g i t a lc i r c u i t se f f e c t s o ft h ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea n di t si n t e r f e r e n c em e c h a n i s m , i ti sn e c e s s a r yt o s t u d yt h ei n t e r f e r e n c ee f f e c t so fm i c r o w a v eo nt h eb a s i cu n i ti ni n t e g r a t e dc i r c u i t ss u c h a sc m o si n v e r t e r i nt h i sp a p e rw ec a r d e do u taf o c u s i n gs t u d yt od i s r u p ta n df l i p e f f e c t so ft h es n 7 4 a h c 0 4c a s c a d ec m o si n v e r t e rb yd i r e c t l yi n j e e t i o no fm i c r o w a v e p u l s eo ni t t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tw e r ec a r r i e do u ta n d t h er e s u l t sw e r es t u d i e d t og e tt h ep r i n c i p a ll a w s ac i r c u i ts i m u l a t i o nm e t h o do fm i c r o w a v ei n t e r f e r e n c eo nc m o si n v e r t e ri s a d o p t e di nt h i sp a p e r t h ec e n t r a lw o r ko ft h es i m u l a t i o na r eo nt h er e s p o n s e so ft h e i n v e r t e rt ot h ei n j e c t e dm i c r o w a v ep u l s ep o w e r , f r e q u e n c y , p u l s ew i d t h , p u l s ef r o n te d g e , p u l s eb a c ke d g e ，a n dt h eo p e r a t i n gv o l t a g e al a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t sw e r es t i l l c a r r i e do u tt os t u d yt h ei n t e r f e r e n c ee f f e c t sw h e nc a s c a d e dc m o si n v e r t e r sw o r k e di n 1 1 i g ho rl o wi n p u tv o l t a g e ，r i s i n ge d g eo rf a l l i n ge d g ea n di n j e c t e dm i c r o w a v ew i t h d i f f e r e n tf r e q u e n c yo rp o w e r 1 h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa g r e e dw i t he a c h o t h e rv e r yw e l l ，w h i c hm e a n st h es i m u l a t i o np r o g r a mw i t hi n t e g r a t e dc i r c m te m p h a s i s ( s p i c e ) m o d e l si se f f e c t i v ei ns t u d y i n gt h em i c r o w a v ei n t e r f e r e n c ee f f e c t so nc m o s d i g i t a lc i r c u i t s b o t ho ft h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w nt h a ti n p u tl o g i cl e v e l s ( i n p u t h i g ho rl o wv o l t a g e ) o fc a s c a d e dc m o s i n v e r t e ra n dt h ew o r kv o l t a g ew i l la f f e c t t h r e s h o l dv a l u eo fi n t e r f e r e n c e0 1 r e v e r s e s e e nf r o mt h ei n j e c t e dm i c r o w a v ep o w e r , b e t w e e nt h ei n v e r t e ro u t p u tv o l t a g ea n di n j e c t e dp o w e rd o e s n te x i s ts i m p l el i n e a r r e l a t i o n s h i p ，i ti st os a y , w i t ht h ei n c r e a s eo fi n j e c t e dp o w e rt h ei n v e r t e rl o g i cl e v e li s n o tm o n o t o n i c a l l yi n c r e a s i n go rd e c r e a s i n g b e s i d e s ，t h eu p s e tt h r e s h o l dp o w e ra l s o d e p e n d so ni n j e c t e df r e q u e n c y t h e s ef i n d i n g sc a r lp r o v i d e sag o o dr e f e r e n c ev a l u ef o r t h es t u d yo fh i 曲p o w e rm i c r o w a v e ( h p m ) i n t e r f e r e n c ee f f e c t st o w a r d st h ec m o s i i d i g i t a lc i r c u i td e v i c e sa n ds y s t e m s k e y w o r d ：c m o si n v e r t e r , c a s c a d e ，h p m ，u p s e tt h r e s h o l d ，e f f e c t i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：刍段劢 日期：z o l # - 月日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：圣丝星赵导师签名：圭：塾鱼鱼 日期：扣ip 年 月f ) 曰 第一章绪论 第一章绪论 电子战是2 0 世纪初出现的一种作战方式。自进入2 1 世纪以来，电子战在诸 多方面取得了令人瞩目的新发展，如：对抗技术、对抗目标及对抗手段等。电子 战技术将朝着高精度、大功率、宽频带等方向发展，而硬杀伤手段将是电子战更 侧重于采用的手段之一【1 1 。自1 9 7 3 年制造出第一台真正的高功率微波( h i 醢p o w e r m i c r o w a v e ，h p m ) 器件以后，军事需求的强大牵引推动使得h p m 在这一领域取得 了巨大进步，器件输出峰值功率超过1 g w ，平均功率大于1 k w ，并逐渐走向商业 化。高功率微波是一个界限比较模糊的学术用语，各种定义有一些细节上的差异。 美国空军科学顾问委员会( s a b ) 对h p m 的定义是，功率( 0 0 1 - - - 1 0 0 ) g w ，频 率( o 1 3 0 0 ) g h z 的电磁波【2 】。微波尤其是高功率微波( h p m ) 能影响电子系统 的正常工作，h p m 对电子系统的作用主要是通过“前门 或“后门”等耦合方式 把能量传递到系统内部的敏感元器件上。所谓“前门 耦合是指高功率微波能量 通过天线、传输线等耦合；而“后门”耦合通道包括接缝、裂缝、舱口等【3 4 1 。在 h p m 各种潜在的军事与商业需求中，h p m 武器是一个重要的军事应用背景，其主 要特点是非致命性、光速进攻、全天候、费效比高等。然而h p m 能否成为有效的 军事武器最基本的就在于对h p m 效应的研究。因此开展高功率微波对电子系统作 用机理研究，对电子系统的防护具有重要的实际意义，而实验是一种有效的研究 途径。 1 1 数字电路微波效应研究意义 近年来h p m 、超宽带( u w b ) 电磁脉冲辐射对计算机和数字电路扰乱与毁伤 效应以及相关的防护技术研究日益为广大学者所关注，电子系统的电磁干扰效应 成为微波研究十分重要的课题。随着社会技术的迅猛发展，各种数字电路在人们 生活中的应用也越来越广泛，以计算机为代表的数字电路在诸如军事安全、自动 控制、实时通信、信号处理等军用与民用商业系统中的应用越来越广泛，各种外 界可能的有意或无意的强电磁干扰脉冲可能经过各种耦合途径导致计算机在工作 过程中产生扰乱出错、重启、死机等短期失灵，严重时甚至会造成有些硬件永久 性损坏。这些故障都会对整个电子系统造成很大的破坏作用【5 】5 ，其后果可能会造成 电子科技大学硕士学位论文 巨大的经济损失与社会不稳定等灾难性后果，因此是要加以防护的。但有时这种 电磁效应却是我们要利用的，如在战争中利用这种效应来损坏敌方的电子设备从 而削弱对方力量。所以，有必要对这种微波效应机理规律进行研究。 电子技术的日益发展促进了其在现代战争中的广泛应用，研究高功率微波对 电子系统的效应是h p m 武器研究的重要组成部分，也是研究h p m 武器电子系统 在高功率微波环境威胁下的生存能力和加固的基础，而电子器件是电子系统的重 要组成部分，所以对电子器件的高功率微波效应研究显得尤其重要【6 】。 本课题主要是研究级联c m o s 反相器高功率微波效应。c m o s ( 互补金属氧 化物半导体) 数字集成电路已成为当今信息时代一种领先的创新技术，由于其具 有低功耗、大噪声容限以及易于设计等固有的优点，使得c m o s 集成电路在微处 理器、数字信号处理( d s p ) 和专用集成电路( a s i c ) 芯片诸多方面得到了广泛 的应用1 7 1 。在c m o s 数字电路器件中，最典型的基本单元门电路为反相器，它是 c m o s 数字电路分析设计的基础。c m o s 基本逻辑门电路( 如基本与非门，基本 异或门) ，包括c m o s 反相器本身，构成了绝大多数数字逻辑器件的基础，对这种 元件的电磁干扰的研究可以更好地了解u w b e m p 是怎样影响数字电路与系统的。 因此，对c m o s 数字电路器件级微波扰乱效应的研究大多集中在c m o s 反相器 【5 8 - 9 】。开展数字电路的h p m 效应研究，对开展h p m 对电子系统损伤机理研究具 有基石性意义。本工作就是在这种需求背景下开展的。 1 2 国内外研究现状 随着h p m 技术的不断发展，微波作为武器的潜力越来越大，世界上很多国家 已经对h p m 这一领域开展了一系列的研究，如：美国、俄罗斯( 前苏联) 、英国、 法国、乌克兰、日本、以色列、印度、瑞典等。其中以美国、俄罗斯对h p m 研究 的重视程度与投资力度最大，取得的研究成果也最丰富【5 】。瑞典在m t f 实验系统 上对军民用飞机，小汽车，陆军电台等系统开展了各种效应实验，得出脉冲重频 大小、脉冲长度及辐照脉冲串长度对效应结果都有重要影响的结论；对于无屏蔽 措施的电子设备，微波脉冲低频段( l ，s 波段) 扰乱效应较高频段明显得多，其 永久损伤阀值为( 1 5 2 5 ) k v m 。英国花了十多年时间来对大量电子设备扰乱 翻转实验数据进行统计，得出微波扰乱场强阀值与微波频率近似为线性关系，具 体比例系数由系统屏蔽效能取决于系统所采用的敏感器类型等相关结论。从相关 文献来看，法国在高功率电磁效应研究方面的思路是采用高、低电磁实验系统， 2 第一章绪论 近场测试技术及数值模拟计算等。德国在s u p r a 实验平台上对计算机网络进行窄带 h p m 和u w b 效应实验，实验采用的是脉冲串方式并改变重频、场强、极化方式 等参数观察其对实验结果的影响，得出很多有用的结论：各种效应最低阀值与当 前所使用的辐照重频没有关系，但若继续增大辐照场强，则可适当降低重频大小； 对于相同的效应结果，窄带与u w b 辐照场强相差不会很大【l o 1 l 】。 美国的科学家们一直致力于高功率微波各种效应问题的研究，较早、较全面 的i - i p m 效应研究及物理机理细致阐述是t a y l o r 所作的h p m 电子效应及h p m 生 物效应研究，其中的许多效应分析总结具有很高的参考价值。此外，g e s i e g e r 等人利用计算机模拟方法计算了小缝隙的高功率微波的非线性耦合问题，讨论了 耦合与场强度，微波频率，脉冲宽度以及小缝隙尺寸等因素之间的关系。而 a n t i n o n e 和w c n g 等人采用微波注入方法从实验上对电子元器件进行了大量的 效应实验研究并总结其中规律，得出不同器件微波能量损伤阀值【1 2 】。2 0 0 1 年美国 m u r i 计划正式启动了“r f 脉冲对电子电路的效应( t h ee f f e c t so f r a d i of r e q u e n c y p u l s e so ne l e c t r o n i cc i r c u i t s ) 研究计划，且于2 0 0 6 年结题。 近年来，美国、英国、俄罗斯等西方国家大力研究电磁脉冲以及高功率微波 能量对半导体器件以及集成电路可靠性的影响，取得了一些新的失效模式【1 3 q 4 1 。 电磁脉冲、高功率微波能使半导体器件和集成电路产生性能的劣化、功能的丧失， 甚至器件与系统的烧毁。国内外均有报道由单脉冲信号引起的半导体器件、集成 电路的失效，这种脉冲作用失效效应往往需要较高的脉冲功率。国内工作大多集 中于实验效应数据采集和统计分析研究，电路层次效应机理分析研究工作不多【1 5 】。 由于效应问题是高度保密的，使得美国、俄罗斯有关方面的文献很少向外公 开，欧洲一些国家从电磁兼容的角度对高功率微波的效应进行过研究，从中我们 可以得到一些相应的信息【5 j 。f o i 和瑞典国防工业部门在过去几十年已经进行了 h p m 效应以及其它电磁效应的研究并且已经获得了相当全面的知识，给出了未屏 蔽的设备有关扰乱和永久损伤的故障水平、它们的频率相关特性、入射角的相关 性等方面的结论【l 引。 最近几年，关于c m o s 反相器的微波脉冲扰乱效应机理国外研究较多，主要 研究单位有美国m u r i 计划中几个大学，研究了输出电压、输出短路电流、延迟 时间以及功耗等动态响应过程，包括简单电路模型器件级电路模拟和注入实验数 据比较。美国伊利诺伊大学的h d a v i dy a n g 与r k o l l m a n 等人对单个反相器与4 位加法器进行了高功率r f 干扰效应的研究，采用的方法是改变注入r f 脉冲的频 率与电压幅值来观察实验结果。通过实验研究，他们发现当电磁干扰( e m i ) 频率 3 电子科技大学硕士学位论文 比器件正常工作信号频率大得多时误码率大大减小，而e m i 频率与信号频率很接 近时误码率增加；e m i 与工作信号相位的差异也会影响到误码率大小；器件在工 作信号的上升或者下降时间内对e m i 很敏感【1 4 】。 为了更有效地研究高功率微波对c m o s 反相器产生的影响，美国马里兰大学 帕克分校的k y e c h o n gk i m 和a g i s a i l i a d i s 等人提出了一种新的研究微波效应的分 析参数提取方法，这种方法可以用来获得c m o s 反相器在h p m 干扰下的动态特 性。实验中他们构造了宽长比为3 2 1 6a m 的n 沟道m o s 管和9 6 1 6u l t i 的p 沟 道m o s 管进行研究，为了得出器件的尺寸与抗扰度之间的关系，又构造了宽长比 分别为1 2 0 6 u m 与3 6 0 6 u m 的n 和p 沟道m o s 管进行相关实验，从实验测量 得到c m o s 反相器的电压电流及负载特性曲线，计算出反相器在电磁干扰下的输 出电压，输出短路电流，传播延时以及动态功率损耗【1 7 _ l 钔。 尽管我国的高功率微波事业相对其他国家起步要晚，但也已经取得了许多重 要喜人的成果，重要研究单位有中国工程物理研究院、西北核技术研究所、国防 科技大学、电子科技大学等【2 】。 1 3 论文的研究方法 h p m 效应所涉及到的知识面非常广，因此对它进行研究往往比较复杂，如果 全面开展h p m 效应实验研究花费的人力、物力太高，本论文只是选定级联c m o s 反相器作为研究重点。h p m 效应研究传统的技术研究方法通常可分为两大类：第 一种方法是以得到效应阀值数据统计作为主要目的，它主要的研究思路是大量开 展实验研究，这是h p m 效应研究不可缺少的一个至关重要的环节。第二种方法是 用一些非常简化的特定理想模型进行效应理论模拟与数值分析，其主要目的是研 究各种电磁计算方法的有效性。这两种方法各有优缺点，都对h p m 效应研究工作 的发展具有重要的意义。相比之下，前者比较贴近实际，但实验费用较高，且缺 少有效的效应机理分析作支撑；后者容易实现，但缺点在于其研究模型过于简化， 其计算结果的适用范围与普遍意义都不强( 1 9 2 0 】。鉴于以上原因，本文采用的是实 验与模拟计算相结合的方法，模拟计算所用模型由半导体产商提供，研究表明这 种高级别反相器s p i c e 模型可以较好用于c m o s 数字电路微波模拟扰乱效应研 究。 研究高功率微波对电子器件的实验方法通常也分为两种：直接注入法与直接 辐照法【2 卜2 2 1 。本课题的模拟与实验采用的是直接注入法，通过计算机仿真计算与 4 第章绪论 做实验的方法进行微波脉冲对c m o s 数字电路的扰乱效应研究，重点研究了微波 脉冲频率、功率、脉宽、上升沿及反相器工作电压等参数对实验结果的影响。论 文同时也改进了反相器直接注入法实验电路设计，动态记录比较反相器输出逻辑 电平扰乱随注入微波参数变化过程，通过反相器输出高、低频信号的分离，可以 更好观察反相器输出扰乱细节与输出谐波非线性响应。 1 4 论文的主要内容及组织形式 本论文主要是为了分析微波脉冲对c m o s 数字电路反相器的作用过程及规律 总结，开展针对数字电路单元器件级的微波扰乱效应研究。论文通过半导体产商 提供的c m o s 反相器h s p i c e 电路模型进行效应的模拟，并与实验结果来进行对 比验证，实验与模拟计算改变注入微波脉冲的频率、功率、脉宽、上升沿、下降 沿及工作电压等参数，观察其对级联c m o s 反相器进输出波形的影响并总结相关 规律。其效应规律研究结果能够反映出一些c m o s 电路本质效应机理规律，可为 了解和掌握c m o s 数字电路器件与系统整体h p m 效应机理规律提供很好的参考 价值。本论文的内容安排如下： 第一章绪论；简单介绍了数字电路微波效应的研究意义、国内外研究动态以 及本课题效应研究所采用的研究方法。 第二章c m o s 反相器相关理论；对数字电路器件中最典型的基本单元门电 路，同时也是本论文实验或模拟所要用到器件c m o s 反相器的工作原理及相关 特性等进行简要的介绍，同时也简单讨论了m o s f e ts p i c e 模型及c m o s 电路的 闩锁效应与e s d 两种重要的失效机理。 第三章c m o s 反相器h p m 效应模拟；通过半导体产商提供的反相器s p i c e 模型对s n 7 4 a h c 0 4 级联反相器进行h p m 效应模拟，模拟过程中改变注入微波脉 冲功率、频率、脉宽、脉冲上升沿及反相器工作电压等参数观察其对效应结果的 影响，从而总结出相关效应规律，为更好地了解和进一步研究c m o s 反相器h p m 效应提供了较好参考。 第四章c m o s 反相器h p m 效应实验研究；为了对第三章模拟计算得到的数 据及相关效应规律进行对比，本章对级联c m o s 反相器高、低电平及上升沿、下 降沿注入微波脉冲进行了效应实验研究，实验采用的反相器型号与模拟计算型号 一致，器件工作电压及负载参数等也与模拟计算相同，这样做的目的是加强模拟 和实验数据对比性。 5 电子科技大学硕士学位论文 第五章微波干扰下反相器动态参数的计算方法；本章引用了美国学者提出的 比较新颖的研究微波效应分析参数提取方法，这种方法可以用来获得c m o s 反相 器存在微波干扰时的输出电压、输出电流、传播延时及动态功耗等，因此此方法 可以更好地对反相器h p m 效应进行研究。 第六章结束语；对本论文的工作及不足之处进行简单总结。 6 第二章c m o s 反相器相关理论 第二章c m o s 反相器相关理论 金属氧化物半导体场效应晶体管( m o s f e t ) 是m o s 和数字c m o s 集成电 路的基本组成单元，由于它占用的硅面积相对较小且制造步骤少，为大规模复杂 电路的生产提供了一条相当经济的途径。m o s 晶体管已成为大规模集成电路( l s i ) 和超大规模集成电路( v l s i ) 中应用最广泛的开关器件四- 2 4 】。 2 1m o s 场效应管( m o s f e t ) 结构 n 沟道m o s f e t 的基本结构如图2 1 所示。由图可知，n m o s 管制作在p 型 衬底之上，形成源、漏两个重掺杂矿扩散区，这两个n + 区形成源端和漏端，而重 掺杂的多晶硅构成栅极，栅极与衬底间有一层薄的二氧化硅隔离层，两个矿区是 器件的电流传导电极，器件关于漏极和源极完全对称，这两个区的不同作用只有 在连接外加的电压和电流方向时才能确定。 图2 - 11 1 沟道增强型m o s f e t 物理结构 在器件漏源扩散区之间的器件中段之上施加栅级电压，最终会形成传导沟道。 漏源扩散区之间的沟道长度为k ，沟道的横向长度( 垂直沟道长) 为沟道宽度 w 。除了沟道的长和宽是控制m o s f e t 电特性的重要参数外，覆盖沟道区的氧化 层厚度t 。，也是一个重要参数。 m o s 晶体管中的电容分布如图2 2 所示，由图可以看出，一个m o s 管中的电 容可以分为如下几类1 7 a 5 ： ( 1 ) 栅极和沟道之间的氧化层电容c 1 ； 7 电子科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 衬底和沟道之间的耗尽层电容c 2 ； ( 3 ) 多晶硅栅与源和漏的交叠而产生的电容c 3 和c 4 ； ( 4 ) 源漏区与衬底之间的结电容c 5 和c 6 。 图2 - 2m o s 管中的电容分布m o s f e ts p i c e 模型简介 2 2m o s f e ts p i c e 模型 i b i s ( t h ei n p u t o u t p u tb u f f e ri n f o r m a t i o ns p e c i f i c a t i o n ) 模型是一种以i 曲 线为基础对i o 缓冲器进行快速准确建模的方法，它非常适合于做振荡和串扰等高 速电路设计中的计算与仿真。s ( s c a t t e r ) 参数则几乎是在高频、大功率、非线性 情况下的唯一选择。这两种模型都不涉及器件的工作原理与电路结构、工艺参数 等，我们称之为行为级模型。只有基于s p i c e 电路模型才有可能完成h p m 器件电 路层次效应机理模拟分析【5 , 1 9 】。因此有必要对s p i c e 电路模型作一个简单介绍。 随着v l s i 电路复杂度与集成度的提高，计算机辅助模拟软件已经成为了电路 设计与分析过程中必不可少的工具。s p i c e ( 集成电路仿真软件) 是一款通用电路 仿真工具，它在微电子工业与教学机构中的应用都非常广泛，由于晶体管的输入 模型决定仿真输出结果的正确性，因此准确地提取和理解器件的模型参数是有效 利用s p i c e 这一工具的关键【2 6 】。 对不同电路模拟软件中较常用的m o s f e t 模型分别介绍如下【7 9 】： ( 1 ) l e v e l l 模型 l e v e l l 模型是对m o s f e t 的电压电流关系最简单的表示，通常应用于准 确度相对计算时间处于次要地位的情况，大多数情况用于大型数字电路系统，它 基本上就是最初由s a h 在二十世纪六十年代初期提出、随后由s h i c h m a n 和h o d g e 发展出来的渐变沟道近似( g c a ，g r a d u a lc h a n n e la p p r o x i m a t i o n ) 平方率模型。因 为该模型中没有涉及短沟道的影响，所以对于当前的电子器件来说，是不适于采 8 第二章c m o s 反相器相关理论 用该模型的，它主要的用途是用来验证手工分析的正确性。 ( 2 ) l e v e l 2 模型 l e v e l 2 模型是一个基于几何构型的模型，它在定义模型方程的过程中详细 地考虑了器件的速度饱和、迁移率衰减和漏极诱导势垒降低等物理参数。由于此 模型具有极高的复杂程度，需耗费大量计算资源，因而是不可取的。事实上， l e v e l 2 模型已经被废弃，但为了简绍模型的完整性，仍将其提出。 ( 3 ) l e v e l 3 模型 l e v e l 3 模型是一个采用半经验方法开发出来的模型，能非常精确地描述沟 道长度至2 p m 以上的m o s f e t 特性，它主要用于解决短沟道和窄沟道效应。该模 型具体的模型参数由测量获得的器件数据来决定，设计该模型的主要目的是为了 克服l e v e l 2 模型在计算机模拟过程中所存在的计算缺陷，将电流方程简化到更 易处理的水平上是该模型采用的具体手段。由于该模型采用的是近似的器件物理 特性，还需要一个与真实物理特性更加紧密的短沟道和窄沟道m o s f e t 模型， b s i m ( b e r k e l e y 短沟道i g f e t 模型，即b s i m ) 应求而生。 ( 4 ) l e v e i a ( b s t m ) 模型 最新提出的四级模型( b e r k e l e y 短沟道i g f e t 模型，即b s i m ) 是另一种短沟 道模型，它以小几何结构型m o s 晶体管的物理特性为基础，同时兼顾到了弱反相 和强反相两种状态，具有分析简单、参数较少且这些参数通常可以从实验数据中 提取的优点。b s i m 模型以其简便、准确、高效的优良特性而成为目前最受欢迎的 s p i c em o s f e t 模型之一。目前，众多公司和硅半导体制造厂家都使用b s i m 3 版 本来实现在不同亚微米c m o s 制造工艺中对亚微米m o s f e t 电特性的模拟。 b s i m i 模型( b e r k e l e ys h o r t c h a n n e li g f e tm o d e l l ) 是一个为l u mm o s f e 技术而发展的模型，能非常准确地模拟出沟道长度l u m 的器件。为了提高模型 的可测量性，b s i m l 模型为每个模型参数引进了几个适应参数，但b s i m l 模型还 是未能达到完全让人满意的要求。而且在此模型中含有没有物理意义的适应参数， 电路设计者也不喜欢。 b s i m 2 模型是在1 9 9 0 年提出的，它是对b s i m 模型的延伸，它以b s i m l 模 型为基础在很多方面进行了改进，如模型的亚阈值电流、连续性、输出电导等。 遗憾的是，b s i m 2 模型仍然不能够用一组参数来对很大尺寸范围的器件进行模拟。 b s i m 3 模型。为了使模型具有很好的可测量性和预测能力，b s i m 3 模型考虑了很 多器件尺寸和工艺变化效应，短沟道、窄沟道效应和高( 电) 场效应都能很好地模拟。 b s i m 3 模型发展了很多版本，其中又以b s i m 3 v 3 模型应用最为广泛。应用于短沟 9 电子科技大学硕士学位论文 道器件、最新的s p i c e 模型就是b s i m 3 第3 版或b s i m 3 v 3 模型，该模型开发于 1 9 9 5 年，它不但考虑了各种短沟道、窄沟道效应，同时也考虑了横向跟垂直方向 非均匀掺杂对阀值电压的影响【2 刀。 2 3c m o s 反相器工作原理及特性 2 3 1c m o s 反相器电路结构及工作原理 在数字电路系统中，c m o s 、b i p o l a r 和b i c m o s 是三种主要的元件类型。功 耗低与集成密度高等优势使得c m o s 使用最为广泛。一个p 沟道增强型m o s 管 和一个n 沟道增强型m o s 管串联组成互补型m o s ( c m o s ) ，它的电路结构为互 补推拉式，如图2 3 所示。需要说明的是，实际应用中使用的反相器电路通常还会 包括众多附属电路，如输入、输出e s d ( e l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g e ) 保护电路、电平 接口电路、闩锁保护电路、输入施密特整形电路等( 5 ，2 8 1 。 从图2 3 中可以看出，在c m o s 反相器电路中，p m o s 与n m o s 器件的栅极 连接在一起构成输入端，两漏极连接在一起构成输出端，n m o s 管的源极连接到地 而p m o s 管的源极连接电源v c c 。其工作原理为：当高电平逻辑“1 输入时，p m o s 管截止而n m o s 管导通，产生一条输出到地通路，使得输出为低电平逻辑“0 ”； 而输入为低电平逻辑“0 时，则p m o s 管导通而n m o s 管截止，产生一条v c c 到输出的通路，输出为高电平逻辑“1 。如果输入电平处于高、低电平之间( 如 v i n 、，c d 2 ) ，则p m o s 与n m o s 管同时导通，此时反相器输入为非正常状态【1 9 刎。 表2 - 1 反相器真值表 场】 v o u t 1 o 0 1 图2 - 3c m o s 反相器电路图与简图 c m o s 反相器有一个很重要的工作参数为电压跳变点v s p ，是指反相器输出从 一个状态变化到另一个状态时( 高电平变化到低电平或者低电平变化到高电平) 的输入电压值。v s p 与反相器工作电压v c c 、器件尺寸以及p m o s 与n m o s 管的门 1 0 第二章c m o s 反相器相关理论 槛电压有关，它的计算表达式为【期： =( 2 1 ) 其中：v 1 硎是n m o s 管的门槛电压，v 斋是p m o s 管的门槛电压，v c c 是反 相器工作电压。 m o s 结构的尺寸特性包括b 。与b p ，分别定义如下： 孱：以q 事( 2 - 2 ) h w 辟= 作巳 ( 2 - 3 u p 其中：如与脚分别表示为在n - 与p - 重掺杂区少数载流子迁移率，c 弧是栅氧 化层电容，而w 。，l n ，w p 及b 分别表示a m o s 与p m o s 管栅极的宽度与长度。 由v s p 的表达式可知，如果组成c m o s 反相器的n m o s 及p m o s 管的门槛电 压相等，而物理尺寸及迁移率分别相等，那么p n = 鲇，反相器电压跳变点v s p 将等 于v c c 2 。 图2 _ 4 典型c m o s 晶体管对横截面示意图 c m o s 器件由于具有尺寸越来越小、需要的工作电流及电压越来越低、大的 噪声容限、输入阻抗高及带负载能力强等优点，在各个数字电路设计领域使得 c m o s 器件成为大众的选择。图2 4 为典型的c m o s 晶体管对横截面示意图，图 中给出了c m o s 管对中寄生二极管及寄生电容3 。 l l 电子科技大学硕士学位论文 2 3 2c m o s 反相器的主要特性 c m o s 反相器的许多优点使得它在数字集成电路中得到广泛应用，这些优点 主要包弭7 , 3 2 】： ( 1 ) 静态功耗极低。在稳定状态工作时，由于c m o s 反相器总有一个m o s 管处于截止状态，流过的电流为极小的漏电流。 ( 2 ) 抗干扰能力较强。由于其阈值电平近似为o 5 ，当输入信号变化时， 过渡变化陡峭，所以低电平噪声容限和高电平噪声容限近似相等，且抗干扰能力 随着电源电压升高而增强。 ( 3 ) 电源利用率高。v o n = v c c ，同时由于阈值电压随v c c 变化而变化，所以 允许v c c 有较宽的变化范围，一般为+ 3 + l8 v 。 ( 4 ) 输入阻抗高，带负载能力强。 对于c m o s 反相器来说，当v 玳为高电平时，n m o s 晶体管开启，而p m o s 晶体管断开，输出为低电平；当v i n 为低电平时，n m o s 断开而p m o s 开启，输出 为高电平。反相器的这种工作过程用开关模型来描述比较直观，如图2 5 所示。 v e t v e c v 斛2v e ev 烈。o v o l 玎 图2 - 5c m o s 反相器的开关模型 使用c m o s 反相器时功耗往往是很受关注的，c m o s 反相器中的功耗由短路 功耗、动态功耗和静态功耗组成【3 3 1 。静态功耗是指在逻辑状态保持不变的各时间 段内所消耗的能量，在不考虑泄漏的情形下，当输入不变化时，电源与地之间不 存在直流通路，因此理想情况下反相器不消耗静态功耗。然而，在实际中由于m o s 晶体管并不是一个完善的开关，并且总会存在漏电流与亚阀值电流，因而在总的 功耗中仍然会有极少量的静态功耗部分f 8 】o 对于反相器来说，静态功耗由下式表示： p s t a t = k ( 2 - 4 ) 1 2 第二章c m o s 反相器相关理论 这里，i g a t 是指在没有开关活动存在时在电源两条轨线上的电流。 o v 0 o j v 叫磁 、md 0 5 v c c v c c 坝 图2 - 6c m o s 反相器电压与电流传输特性 图2 6 为c m o s 反相器电压、电流传输特性曲线，从反相器的电压传输特性 可以看出，在输入电压从0 v 缸区域及输入电压大于v o h 的区域传输特性曲线都 很平坦，中间是过渡区，在两端平坦的区域内，可以得到分离很好的高、低电平 信号，因此在这两个区域内不会受到噪声的影响，而这两个区域正是数字电路工 作的区域。由c m o s 反相器的电流传输特性曲线可看出，只有当输入电压在b c 段中间部分时，会产生一个较大的电流，其余情况下电流都极小。 反相器的动态特性主要包括下面部分： ( 1 ) 传输延迟时间 o o 、 一卜一一 li 一 f ? li 飞| 厂： | 一鞭 一 图2 7c m o s 反相器延时示意图 图2 - 8 为反相器传播延迟时间示意图，由图可知c m o s 反相器的平均传输延 迟时间白= 三( m + ) 。 ( 2 ) 输入端噪声容限 1 3 电子科技大学硕士学位论文 为了阐述噪声对电路可靠性的影响，把三个反相器串联构成的电路( 见图2 8 ) 作为考虑对象，假设这三个反相器是相同的，并且设第一个反相器的输入电压为 v o h ，即逻辑“1 ，则第一个反相器的输出电压就为v ，o l ，对应逻辑“0 ”电平。 由于芯片上互连线很容易感生出噪声，所以第一个反相器的输出信号将在传输过 程中受到噪声干扰，结果使得第二个反相器的输入电压有可能比v o l 大或小。如 果输入电压由于噪声影响比v l l 大，输出就会出错，但如果比v 抚小，信号仍然被 第二个反相器正确地识别为逻辑“0 ，可见，v i l 是保证第二级反相器输出为逻辑 “1 的最大允许电压输入值【8 】。 v o v m 噪声噪声 图2 8 噪声影响下的数字信号传输 假设第二个反相器输出电压为v 0 h ，现在考虑第二个反相器输出到第三个反 相器输入的信号传输过程。输出信号由于噪声干扰会产生失真，造成第三个反相 器的输入电压不是y o n ，如果第三个反相器输入电压低于v 珊，输出就会出错，但 如果输入电压大于v o h ，信号会被第三个反相器正确地识别为逻辑“1 。因此， v 珊是能保证逻辑“0 输出的第三级反相器的最小允许输入电压川。 v i n 丁 v i h i v 吃j v o h v o l 图2 - 9 噪声容限n m l 和n m h 的定义( 阴影部分表示输入输出信号的有效高、低电平) 1 4 第二章c m o s 反相器相关理论 噪声容限的图形表示如图2 - 9 所示。其中，阴影部分表示输入输出电压的有效 区域，噪声容限就是当信号从前一个栅极输出传输到下一个栅极输入时信号电平 允许的变化范围。由上可得数字电路噪声容限( 简写为n m ) 的定义。电路的抗干 扰能力随n m 增加而增强。有些教材把高信号电平噪声容限( n m h ) 与低信号电 平噪声容限( n m l ) 定义为【7 】： 加“= 一 n m l = 吃一 ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 3 ) 动态功耗 反相器从一种稳定状态突然变化到另一种稳态的过程中，将产生附加的功耗， 即为动态功耗。动态功耗包括：负载电容充放电所消耗的功率p c 和p m o s 、n m o s 同时导通所消耗的瞬时导通功耗p t 。在工作频率较高的情况下，c m o s 反相器的 动态功耗要比静态功耗大得多，静态功耗可忽略不计【3 4 1 。 反相器的动态功耗是由反相器中电容充、放电引起的。对于图2 1 0 中的电容 c l ，当它的电压从0 升到v c c 时，它储存的电荷为c l v c c ，而电压从v c c 变到0 时，它储存的电荷被释放。 v 烈n 嗽 图2 1 0 反相器电容的集总表示 这期间，电压需要提供的能量为： = f t o ) g 。d t = 吃j c d q 誓d t = q 吃j c o d = q 吃( 2 - 7 ) 因此，如果一个反相器平均每秒翻转厂次，则一个反相器消耗的动态功耗为 c l v c c 2 f 。 除了电容充、放电引起的功耗，反相器中还存在着短路功耗。短路功耗的存 在是由于反相器的输入波形是非理想的，上升时间与下降时间不为0 ，这样，在开 关过程中，v c c 和g n d 问会在短时间内导通，这会引起短路电流，从而消耗能量。 图2 1 l 给出了短路电流的示例。 1 5 电子科技大学硕士学位论文 ，、，m l。l ，i 一 l 。一 k 图2 - l lc m o s 反相器短路电流不例 假设短路电流为三角形脉冲，且反相器的上升和下降响应对称， 出两晶体管同时导通期间内反相器消耗的总能量： k ：攀乎+ 攀乎气。屹 础 其中，t s c 表示两个器件同时导通的时间。 2 4c m o s 电路的闩锁效应与e s d 则可以计算 ( 2 8 ) c m o s 集成电路具有静态功耗低、扇出能力强、温度稳定性好等特点，给现 代i c 制造业带来了一场革命。随着c m o s 技术时代的到来，一个新的问题也随之 诞生，这就是闩锁效应。闩锁效应( l a t c h - u p ) 与静电放电( e s d