（电路与系统专业论文）基于标准cmos工艺的电压型多值逻辑电路设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 y8 7 7 0 1 摘要 多值逻辑电路在提高信号线携带信号量方面。显示了强大的优势，为解决 集成电路中互连线增多带来的一系列问题提供了一条有效的解决途径。而在电压 型多值逻辑电路中为了实现多级开启阈，普遍采用控制杂质原子的离子注入到 m o s 管的沟道区中来实现，不仅增加了工艺和工序的难度，也增加了制造的成 本。多输入浮栅m o s 晶体管( n e u m nm o s f e t ，简写为n e u m o s 或v m o s ) 具 有在栅上对所有输入信号进行加权求和的功能，以其强大的单元晶体管功能、可 在标准c m o s 工艺条件下实现多级阈值控制等特点，日益受到重视。本文在对 器件的特性进行分析的基础上，对多输入浮栅m o s 晶体管在电压型多值逻辑电 路中的应用进行了研究。 从基本性能、基本结构、基本电路、浮栅比例因子等方面，对多输入浮栅 m o s 晶体管的特性进行了较系统的分析。利用多输入浮栅m o s 的s p i c e 模型， 对可变闽值特性进行了深入研究，重点分析了互补结构的阈值可变的特性，为多 输入浮栅m o s 晶体管在多值逻辑电路中的设计与应用提供了理论指导。 以开关信号理论为指导，建立了描述多输入浮栅m o s 开关栅极输入、传 输源以及电路电压阑值三者之间相互作用关系的传输运算表达式，对于每个多输 入浮栅m o s 管的逻辑功能均采用公式化表示。以此理论为设计指导，采用多输 入浮栅m o s 实现了三值逻辑电路的基本逻辑器件。 进一步提出一种类似于d p l ( d o u b l ep a s s t r a n s i s t o rl o g i c ) 结构的静态和 动态电压型c m 0 s 三值电路设计方案。由于电路中同时采用d m o s 和r l m 0 s 两 种传输管，从而保证了输出信号具有完整的逻辑摆幅和高噪声容限。 文中所有设计方案皆基于标准c m o s 工艺而无需修改阈值电压，且结构较 简单。对所设计的电路采用t s m c0 3 5 岍双层多晶硅工艺参数进行了h s p i c e 模拟，大量的模拟结果都表明这些设计的正确性。 关键词：集成电路，多值逻辑，多输入浮橱m o s 晶体管，开关信号理论，d p l 塑垩查兰要圭兰竺鲨兰 a b s t r a c t t h em u h i 】a l e - v a l u e dl o g i cc i r c 血t sh a v ev e r ys 订o n g 甜咄g e sa ti n c r e a s i l l g 也e s i g n a l 锄o u n tt a l ( e ni nt h es i g n a l 埘r e s ，w 1 1 i c hp r o v i d ea i le 虢c t i v e 印p r o a c hf o r s 0 1 v i n gt h ep r o b l e m sb r o u g h tb ym ei n c r e a s eo fm ei i l t e r c o n n e c t i o nw i r e si n 也ei c s i no r d e rt or e a l i z et h em u l t i l e v e ls 谢t c hm r e s h o l di nt l ev 0 1 饵g e m o d em u l t i p l e - v a l u e d i o 舀cc i r c u i t s ，m et c c h l l i q u eo fi o ni m p l a n t a 廿o ni n t o 血ec h a n n e lr e g i o no f 砒e m o s f e tb yc o n 打o l l i l l gm ei n l p u r i t ya t o m sh a sb e e na p p l i e di nt l l ep r e v i o l l s l i t e r 籼e s ，w 1 1 i c hc a nn o t0 1 1 1 yi n c r e a s em ed i 伍c u l t yo ft h ep m c e s s i n ga n d 也e w o 蹦n gp m c e d u r e ，b u ta l s oi i l c r e a s et h em a n u f a 删n gc o s t t h em u l t i p l e i n p u t n o a t i n g 唱a t em o s f e t ( n e l l r o nm o s f e t ，a b b ln e u m o so rv m o s ) h a sm e c a p 曲i l 时o fw e i 曲t e da d d i t i o n o fa l l 也ei 印u ts i 印a l so nt 1 1 eg a t e i th a sb e e n r e g a r d e da sam o r ea n dm o r ei m p o r t 趾tt e c h l l i q u e ，w m c hb e a r sm ec h a r a c t e r i s t i c so f s 订o n g1 1 1 1 i tt r a i l s i s t o rc 印a b i l i 锄a n dc a i lr e a l i z c 1 r e s h o l dc o n 仃0 1u n d e rt l l es 锄d a r d c m o sp r o c e s s i n gc o n d i t i o n s 1 1 1t h i sm e s i s ，b a s e do n 血ea n a l y s e so ft h ed e v i c e c h a r a c t e r i s t i c s ，t l l ea p p l i c a t i o no ft h en c u m o si n 也ev o l t a g e - m o d em u l t i p l e - v a l u e d 1 0 百cc i r c u i t sh a sb e e nr e s e a r c h e d i nt 1 1 i st h e s i s ，s y s t e m a t i ca 1 1 a l y s e so n 廿l ec h a r a c t e r i s t i c so ft 1 1 en e u m o sh a v e b e e ne l a b o r a f e d ，i n c i u d i n gt 1 1 eb a s i cs t n j c 乜l r e ，t h eb a s i cc 矗c u i t ，a n dt l l ef l o a t i n g g a t e g a i l lf a c t o r ，e t c b yu s i n gt h es p i c em o d e lo ft h en e u m o s ，血ev a r i a b l et 1 1 f e s h o l d c h a f a c t e s t i ch a sb e e nr e s e a r c h e dd e e p l y ，a n dt h ev a r i a b l et 1 1 r e s h 0 1 dc h a r a c t e r i s t i co f t h ec o m p i e m e n t a r ys t n l c t u r eh a sb e e na n a l y z e de m p h a t i c a l l mw h j c hp r o v i d e sa m e o r e t i c g u i d a n c e f o r 吐1 e d e s i g l l a n d 印p l i c a t i o n o ft h en e u m o si nt h e m u l t i p l e v a l u e d1 0 9 i cc i r c 伍t s b a s e do nt h es w i t c h s i g n a l 也e o r y ，t h e 仃a n s p o r t a t i o nc a l c u l a t i o nf o m m l a eh a v e b e e nb u i l t ，w h i c hc a nd e s c 曲e 血ei m e r a c t i o nr e l a t i o n sa l l l o n gt h en e u m o ss w i t c h 鲥de l e c t r o d ei n p u t ，t r 趾s p o r t a t i o ns o u r c ea n dt h ec i r c u i tv o l t a g et h r e s l l 0 1 d t h el o g i c f u n c t i o n so fe v e r yn e u m o sh a v eb e e na l ld e s c r i b e di nt h ef b n n u l a e b a s e do nt 1 1 e a b o v er e s u l t s ，b y 心n gt 1 1 en e l l m o st e c 肺q u e ，t h eb a s j cl o g i cd e v j c e so ft 】1 et 咖a d ， 1 0 9 i cc i r c u i t s 上l a v eb e e nd e s i g n e ds u c c e s s m l l y f u r t h e m o r e ，as t a t i ca n dd y i 埘：1 1 i cv o l t a g e m o d ec m o st e m a r yc h c u i td e s i 四 s c h e m es i m i l a rt ot h ed p l ( d o u b i ep a s s t r a i l s i s t o r l o g i c ) s n u c t l l r eh a sb e e n p r e s e n t e d i nt h i sc i r c u i ts t m c t u r e ，t h em ot y p e so f t r a n s i s t o r s p m o sa n dn m o s i i 翌垩銮主2 圭兰竺丝兰 l l a v eb o 也b e e nu 廿l i z e d ，w 1 1 i c hc a ng l l a 埘1 t e et h a t 也eo u t p ms i g l l a l sh a v ef u l l l o g i c s 、i n ga 1 1 dh i 曲n o i s em a r g i n s t h ed e s i g l ls c h e m e si 1 1t l l i s 也e s i sa r ea l lb a s e do n 也es t a l l d a r da o sp r o c e s s i n g t e c l l i l i q u e s ，w 1 1 i c hn e e dn o tt om o d i 母血et l l r e s h o l dv o l t a g e ，a 1 1 dt h es t m c t t l r e sa r e s i m p l e n eh s p i c es i m u l a t i o n 谢t h 也et s m co 3 5 岬d o u b l e - p o l y s i l i c o nc m o s t e c h n j q u ep a r a m 酏e r sh a sb e e ni m p l e m e n t e df o r 血ec i r c u i t sd e s i 宴工l e d t h em a n v s i i n u l a t i o nr e s u l t sh a v ev e r i f i e dm ec o m c m e s so f 血e s ed e s i g ns c h e m e s k e y w o r d s ：i c ，m u l t i p l e v a l u e dl o g i c ，n e u r o nm o s f e t ，s 州t c h s i 鲈a 1t h e o 吼d p l i i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 本章简要的介绍了多值逻辑研究现状和多输入浮栅m o s 器件在电压型多值逻辑 电路中的应用的背景。最后给出了全文的结构安排。 1 1 。引言 由于集成技术和大规模系统设计的飞速发展，电子工业在过去的几十年里得到 了惊人的进步。集成电路在高性能计算、通信以及消费类电子等领域中的应用一直 在飞速发展。各种数据处理和通信设备功能越来越复杂，将众多功能集成在一小 块芯片上的需求一直在增加。在过去的三十年中，每个芯片所包含的晶体管数量呈 指数增长，这证明了摩尔在2 0 世纪6 0 年代早期关于芯片复杂度增长速度的预言( 摩 尔定律) 。 随着器件尺寸的减小，功耗与互连线问题已越来越严重的限制着集成电路的集 成效率。多值逻辑的显著特点是多值数字信号携带信息能力强，它能有效地减少信 号处理的级联数，增加数据处理速度，同时也能相应地减少各种器件的数量及其之 间的连线，从而达到降低芯片功耗及面积的目的。因此以多值逻辑为基础的电路设 计是集成电路研究和发展的一个方向口 。 1 2 研究背景 随着集成电路技术向超深亚微米技术的发展，电路中的芯片越来越小，而晶体 管的数量则越来越多。集成电路在集成密度、芯片面积、速度、功耗、互连线复杂 度等方面不断提高”】。虽然二值逻辑具有简单、可靠等很多优点，但其逻辑信号所 能表示的信息含量最低。随着计算机和微电子技术的发展，集成电路的规模越来越 大，需要的引出线越来越多，二值信号信息含量低已成为制约集成电路规模和外部 封装尺寸的主要因素。多值逻辑信号的信息含量高，是进步提高集成电路规模的 浙江大学硕士学位论文 有效途径，使得多值逻辑的研究受到进一步重视f 4 f 。 所谓多值逻辑系统，是相对于二值逻辑而言，是指其逻辑信号的取值较多的逻 辑系统。多值逻辑电路中单根连线传递信号数目的增加，使其能携带更多的信息量， 因而比二值逻辑电路具有明显的优越性f 5 j 。目前基于c m 0 s 工艺的多值逻辑电路， 在实现方式上主要有两种，即电流型电路和电压型电路。电流型电路具有基于标准 c m 0 s 工艺，结构简单，且易于实现算术运算电路等特点，其主要缺点是存在直流 功耗i 。 电压型电路则可以有效减小直流功耗，比电流型电路具更低的功耗。但由于电 压型多值逻辑电路需应用具有多级开启闽的器件，这一点目前普遍采用控制杂质原 子的离子注入到m 0 s 管的沟道区来实现，增加了带l 造工艺的复杂度和制造成本。且 在有的电路设计中需要同时采用增强型及耗尽型两种m o s 管器件”】，因而也需要增 加额外工艺。因此，对于电压型多值逻辑基本电路的结构实现依然是值得研究的对 象。 多输入浮栅m o s 器件是近年来提出的一种具有单个器件功能性强、闽值控制灵 活等特点的新型器件。多输入浮栅m o s 器件或电路的加工工艺与标准的双层多 晶硅c m o s 工艺完全兼容，器件的阈值可受外部控制栅信号的控制。这有效克服了 传统电压型多值逻辑电路为实现具有多个阙值电压的m o s 管，采用离子注入工序或 同时采用增强型和耗尽型两种m o s 管，而增加工艺复杂度和提高制造成本的问题。 因此多输入浮栅m o s 器件在电压型多值逻辑电路的设计中已显示出了很好的应用 前景。 1 3 多值逻辑研究现状和优点 1 3 1 多值逻辑研究现状 1 9 2 1 年p o s t 提出一个对任何基数均满足完备性的代数系统，开辟了多值逻辑这 浙江大学硕士学位论文 一新的研究领域。由于多值逻辑的信息含量高，是遂一步提高集成电路规模的有效 途径，使得多值逻辑的研究受到重视。多值逻辑的研究主要有阻下几个方面：多值 逻辑的基础理论、电路实现、在其它领域的应用研究等。 在多值逻辑的基础理论研究方面，以格代数与摸代数为基础的多值代数系统及 函数最小化理论已经比较完善4 1 。而寻找能够构成完备运算集的基本算子，使多值 逻辑函数能够较容易地分解成这些基本算子并使之具有较简单的电路实现形式，是 多值逻辑发展的一个重要方向。 就电路实现形式而言，与二值逻辑相比，多值逻辑存在逻辑复杂，硬件实现困 难且抗干扰能力低等缺点。多值逻辑电路按信号形式可分为电压型、电流型、电 荷型三大类。电压型有t t 乙电路、电压型多阚值c m o s 宅路，电压型多润值n m o s 电路等：电流型有e c l 电路、1 2 l 电路、电流型c m o s 电路等：电荷型有c c d 电路。 在这些电路中，电荷型电路目前技术上尚不成熟，1 2 l 电路、电流型c m o s 电路是目 前国内辨研究最多的多值逻辑电路实现形式。 多值逻辑的概念引入自动控制、模式识别等领域，为这些领域的研究注入了新 的活力。多值逻辑的逻辑变量信息含量高，组成的逻辑函数表达非线性的能力强， 因此，多值逻辑在自动控制、模式识别等领域的应用研究越来越受重视，发展成为 多值逻辑应用研究的重要分支。 1 3 2 多值逻辑优点 从数字信号的传输与存储来看，由于二值信号是信息量最少的数字信号形式 因此多值信号由于能携带更多的信息量而显得较使用二值信号具有明显的优越性。 图1 1 ( a ) 表示了一个八位二进制数0 1 l l 0 0 1 0 并行传输时采用二值信号与四值信号 的比较，很明显，采用四值信号将节约一半的信号线。另一方面，图1 1 ( b ) 表示了该 数串行传输时采用四值信号要较二值信号节约一半的时间。 浙江大学硕士学位论文 0 1 1 1 一 o o 一 1 。一 o 1 0 ( a ) 并行传输 l11 1 1 厂 ! ! r ! ( b ) 串行传输 图l 一1 二值与四值并、串传输比较 下图为处理多值信号的多值数字系统( 或部件) 的优点示意图，而所有这些理 论上的优点均促使研究人员对多值逻辑研究给予相当的重视，井进行了长期不懈的 努力。 浙江大学硕士学位论文 厂、磊鬲磊i 【 图l _ 2 多值数字系统优点 1 4 多输入浮栅m o s 在多值逻辑电路中的研究现状 自从1 9 9 1 年浮栅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，并且从近两年所出版的文献来看，参与研究的人 员有逐步扩大的趋势。 国外以日本为主，研究内容主要有浮栅m o s 的特性研究、软硬件逻辑电路、用 于电压模多值全加器的多输入浮栅m 0 s 运算放大器【1 5 】、通用文字功能发生器、电 流型多值逻辑电路旧、m u l l e r c 函数发生器”i 、采用多输入浮栅的多值 d r a m 限o m 及多输入浮栅m o s 传输门的应用【2 0 r 2 3 1 等等。 国内有报道的研究单位主要有浙江大学、上海交通大学微电子所、清华大学微 电子研究所、西安电子科技大学、西安理工大学等。研究主要集中于多输入浮栅m o s 的s p i c e 模型研究洲吲【2 6 】、多输入浮栅在二值逻辑电路中的应用眇3 1 1 及钟控浮栅 m o s i ”l 的研究。国内多输入浮栅m o s 器件在多值逻辑电路中的应用研究还很少，见 浙江大学硕士学位论文 诸报道的仅有4 2 编译码电路和电流型四值t 门的研究。 1 5 本文的内容安排 为了继续保持集成效率不断提高的趋势，并开发现有工艺加工设备的内在潜力， 必须在器件和电路的设计概念上有新的突破。本文将我们已很熟悉的二值逻辑与多 值逻辑联系起来进行类比研究，根据砒c h a r d s 提出的理论，当数字信号取值数为 r = e - 2 7 1 8 时，电路成本有极小值，因此我们重点研究三值逻辑。在此基础上，根据 多输入浮栅m o s 晶体管所具有的可变阈值的特点，采用多输入浮栅m o s 器件对三值 逻辑电路的基本器件进行研究与设计。 全文共分五童： 第一章绪论，简要的介绍了多值逻辑研究现状和多输入浮栅m o s 在电压型多值 逻辑电路中的应用背景，最后给出了全文的结构安排。 第二章浮栅m o s 器件的分析，包括对多输入浮栅m o s 晶体管的基本结构、特性、 二种基本电路结构进行分析，重点对该器件的可变阈值特性进行研究。 第三章以开关一信号理论为指导，对多输入浮栅m o s 在多值逻辑电路中的应用 进行研究与设计。建立控制信号、传输源、及电路闽值三者间的作用关系的传输运 算表达式，对每个浮栅m o s 晶体管的逻辑功能均采用公式化表示。 第四章提出一种由多输入浮栅m o s 构成阈值辨别电路，采用双传输管逻辑结构 的双轨三值电压型c m o s 电路。 第五章总结与展望，对本文研究内容进行总结与展望。 其中第二、三、四章为作者研究内容与重点。 浙江大学硕士学位论文 第二章多输入浮栅m o s 器件分析 本章从介绍多输入浮栅m o s 器件的基本结构及基本电路出发，对器件性能、 基本电路进行了分析。重点对多输入浮栅m o s 的可变阈值的特点进行研究，使 用h s p i c e 对相关器件、电路进行了模拟，对利用多输入浮栅m o s 器件进行多值 逻辑电路设计做好理论准备。 2 1 多输入浮栅m o s 基本结构和性能分析 1 9 8 9 年，日本东北大学的两位教授柴田直博士和大见忠弘博士基于浮栅 m o s 结构，提出了多输入浮栅m o s 晶体管的概念。经过两年多的研究，他们在 1 9 9 1 年提出一种具有新功能的单元晶体管一多输入浮栅m o s 晶体管f 8 】。这种器 件可以对从其栅极输入的多个输入信号进行加权求和并以此加权和来控制晶体 管的导通与截止。由于其功能类似于人工神经单元模型，因此称其为“多输入浮 栅m o s 晶体管”或“神经元m o s 晶体管”( n n m o s f e t ) ，简写为n e u m o s 或v m o s 。 2 1 1 多输入浮栅m o s 基本结构 多输入浮栅m o s 晶体管与普通m o s 晶体管的区别在于在其栅级增加了电 学悬空的浮栅和通过电容与浮栅相联的多输入控制栅，然而正是浮栅和多输入控 制栅的增加改变了它的特性，使其在电路的应用中具有器件功能强、闽值控制灵 活、可采用标准c m o s 工艺制造等特点。 图2 1 | 2 ”为n 沟多输入浮栅m o s 晶体管结构、版图及符号。其中版图为 双层多晶硅标准c m 0 s 工艺下的版图。浮栅和多个输入门极均为多晶硅，浮栅 与输入门极之间的绝缘层为氧化层。 浙江大学硕士学位论文 耋囊筹 扩教区 输”髓 上上土i 一 匝丑可 ! 兰璺l ( a ) 图2 1n 沟多输入浮栅m o s 晶体管结构、版图及符号 g l 一 盘p 一 。s 铲一 g r 【叫 d 为更方便的讨论，我们将多输入浮栅m o s 管的各种电气参数表示于图 2 2 ，并在此图基础上进行讨论和分析。 图2 2 浮栅m o s 电气参数示意 图2 2 中办表示浮栅电压，k ，k k 表示各输入信号的电压， c 1 ，c 2 e 是各输入端与浮栅的电容耦合系数，g 是浮栅与衬底之间的电容耦 合系数，q ，q 1 ，q q 为各个电容上存储的电荷。 一8 b 好赫 墨一 浙江大学硕士学位论文 定义g 为浮栅上的净电荷，其值由下式定义 月月月 鳞= f 2 0 + ( 一q ) = c l 坼一k ) = 办c j 一c ( 2 1 ) f - lj = oj ；oj - 0 假设浮栅在工作中没有电荷注入，那么q ，等于浮栅上的初始电荷量。为了 简化公式，假设初始电荷为o ，衬底和源极接地，即t = = 0 则( 2 1 ) 式简化为： 办= 业盟 式中： c 。，= c ( 2 2 ) f 2 3 1 从( 2 2 ) 式中我们可以很清楚的看到多输入浮栅晶体管一个最重要的特性 即浮栅电压办是所有输入信号的加权求和，各个信号的权重由各个电容的耦合 系数决定。这是一种电压模式的求和，除充放电电流外，没有其它电流，因此功 耗很低。这个特点在实现高密度集成时非常关键。 在这里，我们定义参数y 如下： y 皇生掣：每墨 4 ) l 阳r0 7 0 r 因为丫v d 。代表当所有输入端电压都为v d d 时，浮栅上通过输入端电容藕合所 能达到的最大电压，所以称7 为浮栅比例因子。y 在器件和电路设计中是一个非 常重要的参数。 2 1 2 多输入浮栅m o s 性能分析 电路的功耗分为静态功耗和动态功耗【3 3 j f 3 4 1 。由于浮栅m o s 晶体管中，输入 电压利用电容的耦合效应在多个输入电容上进行加权和操作，通过“电压模，方 浙江大学硕士学位论文 式实现对晶体管开关的控制，没有电流的产生，所以整个过程中几乎没有任何静 态功耗。功率损耗只发生在输入端电容的充放电过程中。这一点比通过“电流模” 方式实现加权和的方式有很大的优越性。 从上一节我们得到可知，参数y ，即浮栅比例因子是多输入浮栅m o s 的一个 重要参数，因为它直接决定了浮栅上所能达到的最大电压。理论上来讲，当外加 输入电容之和取足够大，即c 0 c 。时，衬底与浮栅之间的电容相对于总的电 容来说可以忽略不计，浮栅上电势将趋近于。，也就是说增益因子接近于1 。 从另一个角度来说，如果我们想提高多输入浮栅m o s 的浮栅比例因子，则需要 增加输入端的电容。无庸置疑，输入电容的增加将直接导致芯片面积的增加。通 过分析我们不难发现，因为多输入浮栅m 0 s 在场氧上的浮栅面积随着输入端电 容的增大而增大从而导致浮栅与衬底之间的寄生电容变大，最终影响浮栅比例因 子著不会随着输入电容的增加无限地趋近于1 ，因而是会存在一个饱和值。浮栅 比例因子y 达到饱和值，此后再增加输入电容只会导致芯片面积的增加，对增益 因子的提高几乎不会有任何贡献。 多输入浮栅m o s 为多输入端浮栅m o s 。从理论上来说，器件的输入端子数 可以为任意多个，但事实上由于计算精度、速度和电源电压等各方面因素的影响， 使得器件的输入端子数受到限制。多输入浮栅m o s 的工作状态取决于浮栅电势 的大小，因此浮栅电势对各输入端电压的感应灵敏程度决定了其电路的运算精 度。多输入浮栅m o s 的浮栅电压为多个输入端电压加权作用的结果，因此每一 个输入端电压的变化最终都体现在对浮栅电势的影响上。为了分析简单起见，我 们假设有n 个输入端的多输入浮栅m o s ，每个输入端的电容耦合系数c 相同，其 总的输入端电容为 ，c ，设岛c ，则某一个输入端的电压变化n y 时引起的 浮栅电势力的变化a 办必为： c 。肌咖毒6 t ，5 赢彬。专6 l ( 2 5 ) 由上式可知，输入端子数越多( n 取值越大) ，每一个输入端子上的电压变化 浙江大学硕士学位论文 对浮栅电势的影响则越小，从而使得对每一个输入端的计算精度减小，如当输 入端子数变为原来的2 倍时，则浮栅电势对于每一个输入端子的电压增益变为原 来的1 2 。从上面的的讨论，我们得知在具体设计电路时，应根据电路的实际要 求精度和器件的工艺精度来权衡输入端子数的多少。 2 1 3 多输入浮栅m o s 的s p l c e 等效电路模型 从浮栅m o s 晶体管诞生之目起，其等效模型就一直是研究人员所关心的问 题。时至今日，各种各样的等效模型层出不穷。这里将就其中最常用、最接近于 实际情况的两种模型作个详细介绍。 根据文献【2 4 】所提出的浮栅m o s 管的s p i c e 等效电路模型，以两输入端为 例，其结构就是在一个普通晶体管的基础上，在栅极上增加两个电容，即多了两 个输入端，其中之一为阈值控制端p 乙，另一端为电压输入端k 。，其等效电路如 图所示： p k 。 图2 3 浮栅m o s 的等效模型 由此模型我们可以建立互补结构的s p i c e 模型，如图： 浙江大学硕士学位论文 讲 图2 4 互 结构的等效模型 另一种模型是多输入浮栅m o s 晶体管等效电容模型，如图2 5 所示。 其中，c 沩第i 个输入栅级；c 沩第i 个输入栅和浮栅之闻的电容：场、您和 分别为漏、源和衬底对地电压；c b 和c 砖分别是浮栅和漏、源之间的覆盖电容； c b 是浮栅和衬底之间沿着沟道边缘的覆盖电容；c 次是栅氧化层电容；q 孵堤耗 尽层电容；。是硅衬底的表面电势。 利用电荷守恒定律，我们可得到如下式子： 如= g ( 一k ) + ( 一) + ( 一屹) - 1 十l ：k ( - 一) 十c ( f ，f g k 一2 弗) ( 2 6 1 其中，为第i 个输入栅级的对地电压，办表示衬底硅的本征费米势，其它 符号的含义与前面介绍的相同。这里忽略了耗尽层电容c d 盱，且有： 疵= 屹一+ 2 靠 式( 2 6 ) 的另一种表示方法如下： ：学+ 警+ 警+ 掣 ( 2 7 ) ( 2 8 ) !1一j一l 浙江大学硕士学位论文 其中： g = c f + c f d + c 砖+ + f i c 玎。c f b l 绉 图2 5多输入浮栅m 0 s 晶体管等效电容模型 2 1 4 多输入浮栅m o s 主要特点 ( 2 9 ) 综上所述，多输入浮栅m o s 晶体管的主要特点是： ( 1 ) 在模拟电路中功耗低。 由于多输入浮栅m o s 的基本操作是利用电容耦合效应，对输入信号进行加 权和，是通过“电压模”的方式实现的，因此除了充放电时有电流流动外，没有 电流流动，这种加权和的方式比通过“电流模”实现加权和的方式在功耗方面有 很大优越性。 ( 2 ) 制造工艺与现有c m 0 s 工艺完全兼容，不需要额外工序，降低了工艺复 杂度和制造成本。 多输入浮栅m o s 是建立在常规m o s 器件基础上的多输入端的浮栅m o s 器 丁 c 丑丁 c 吒 浙江大学硕士学位论文 件，因此不同于e e p r o m 等特种浮栅器件。它由通用的双层多晶n m o s 工艺或双 层多晶硅一三层金属工艺即可加工，不需额外的特种工艺。 ( 3 ) 多输入信号控制，阈值可控。 相对于输入端而言，多输入浮栅m o s 器件或电路的闽值电压可受外部控制 栅信号控制，使得器件本身从浮栅看入的阈值为固定值。但对于输入端而言，阈 值在控制端的控制下可以任意的改变。这特点使得多输入浮栅m o s 在多值逻辑 电路设计中具有良好的应用前景。 ( 4 ) 可简化电路结构，节省芯片面积。 下表为采用常规m o s 设计与采用多输入浮栅m o s 设计的几种逻辑电路所需 晶体管数目的对比i 引】。可以从表中看到采用多输入浮栅m o s 的设计大大减少了 晶体管的使用数量，这一点对实现高密度集成有着重要的意义。 表2 1常规m o s 设计与采用v m o s 所需晶体管数目对比 电路名称常规m o s 设计n e u m o s 设计 3 b i t a d 转换器 4 b i t a d 转换器 二值全加器 1 7 4 3 9 8 5 0 1 6 2 8 8 2 2 两个基本电路结构 大量多输入浮栅m o s 的独特特性可以用两个基本的电路结构来实现，这就 是所谓的“源一地”结构和“漏一地”结构。“源一地”结构也就是v ，反相 器，它是二值电路和多值逻辑电路设计中最基本的逻辑门。“漏一地”结构称为 源极跟随器，它是二值一多值转换电路和大量模拟信号运算中的重要基础。 浙江大学硕士学位论文 2 2 1 互补管基本结构 为了减小电路功耗和增加电路速度，经常需要采用互补结构。互补多输入 浮栅m o s 结构简图如图2 6 所示，它的n 沟和p 沟器件共用一个浮栅。 图2 6 互补浮栅m o s 结构 v l o i 垤。一 v 5 0 v n o 利用多输入浮栅m o s 反相器可以构成多个输入端的各种逻辑电路，多输入 浮栅m o s 的可变闽值这一特性使得可以通过多输入浮栅m o s 反相器构造“柔 性电路”，即在电路的硬件结构不变的前提下，只需改变电路的某些输入端控制 信号就可以实现不同的逻辑电路如与、或、与非、或非等，同样可以简单地实现 a d 转换与传统的数字逻辑电路相比，用多输入浮栅m o s 构成的逻辑电路具有 器件数目大大减少的特点。值得注意的是，由于多输入浮栅m o s 的输入端可以 直接处理模拟信号，因此输入信号可以是模拟信号也可以是数字信号，这一特性 使得多输入浮栅m o s 电路可以实现诸多模拟运算以及数模混合的运算。 浙江大学硕士学位论文 益接近1 ，在输出节点放电过程中则p m o s 导通，使放电过程加速，因此c - v m o s 源极跟随器电路能够获得很好的速度性能。另外，如果输入端保持为一个固定电 压值，则p m o s 和n m o s 均处于截止状态，因而c v m o s 源极跟随器电路同样 能得到较低的功耗。利用c - v m o s 源极跟随器除了进行模拟信号的运算外，同 样利用它很容易实现d a 转换。另外，通过利用c v m o s 反相器和源极跟随器 两个基本电路进行适当的组合，可以实现在神经网络、大规模集成电路等方面的 应用| 3 5 1 f 3 6 】。 下面是采用t s m c 0 3 5 “埘双层多晶硅c m o s 工艺参数，对图2 9 所示源 极跟随器的h s p c i e 模拟结果，其中两个输入端电容q 宅0 0 c 2 = 1 0 0 = 3 v e 3 =2 5 o 2 ：l5 ：2 5 d o f f 一一。j j _ - - - _ - _ - _ i n t l m d l n ) c r 工雌) 图2 1 0c v m 0 s 源极跟随器模拟结果 我们考虑如果p m o s 和n m o s 为增强型，则要使输出电压跟随浮栅电势变 化，至少有一个管子应该处于导通状态，而p m o s 和n m o s 处于导通状态的条 。，。 ：。，m。 浙江大学硕士学位论文 件分别为一。 和一。 ，说明输出电压和浮栅电势之间至少 存在一个阈值的偏差，再考虑到衬偏效应后，其阀值会进一步增大，从而偏差会 进一步增加，且会表现出定的非线性特性。如果让n m o s 和p m o s 为耗尽型， 且忽略其衬偏效应时，则当 f k + p 知时，n m o s 和p m o s 都工作在饱 和区，由前面5 - 2 1 节的分析可知此时有吃。= p k ，说明在很大范围内输出电压 能够完全跟随浮栅电势，因此，为了能够得到较好的电压跟随特性，应该选n m 0 s 和p m o s 为耗尽型。 2 3 多输入浮栅m o s 可变阈值研究 在多值逻辑电路设计中，通常需要具有多种不同阈值电压的反相器和晶体 管来实现多种阈值，这需要诸如离子注入等复杂的工艺。例如，对n 型沟道注入 p 型离子( 如硼) 可以提高阈值，而注入n 型离子( 如磷) 可降低阈值。下表中 表示了可以用高浓度与低浓度的硼离子组合注入n 型沟道得到四种不同开启阈 值的n m o s ，因此，在三值c m o s 门电路中，通常采用多级离子注入在同一基 片上制作开启闽值为一0 ，5 ，一1 5 的p m o s 管及开启闽为0 5 ，1 5 的n m o s 。弘7 j 表2 2 具有四种开启闽值的n m o s 管 高浓度硼低浓度硼开启闽值电压 无无 0 7 v 无有 2 2 v 有无 3 2 v 有有 4 1 v 而多输入浮栅m o s 器件具有器件功能性强、阈值控制灵活等特点。这种器 浙江大学硕士学位论文 件的加工工艺与标准的双层多晶硅c m o s 工艺完全兼容，可在现有工艺上，完 成不同的阈值控制，大大降低了工艺复杂度和制造成本。相对于输入端而言，多 输入浮栅m o s 器件或电路的阚值电压可受外部控制栅信号控制，这点使得多输 入浮栅m o s 器件在多值逻辑电路的设计中显现出了很好的应用前景。 2 3 1 多输入浮栅m o s 可交阈值特性 将( 2 2 ) 式改写成左边为h 的式子 p 鲁哧一鲁吒一鲁k 一鲁k c ：坨， 假设一个”输入的v d s 被看做只有1 端为输入端，而其它 一1 个输入端都 是阈控控端的话，那么，从1 端看入的m o s f e t 的阈值为： 嘴= 鲁一鲁k 一暑_ 一一鲁k c 。，s ， 从上式中我们可以看到，嘴是控制信号k ，吩圪的函数。 为了分析简单起见，我们先假设器件为两输入端的晶体管，则两输入的 1 ， 彻f 的开通电压与k 的关系可由下式得到： p 鲁嚅一鲁k ( 2 1 4 ) 如果将两输入的v m o s 晶体管看作是个其门极输入端1 为信号输入端， 门极2 为闽值电压控制端的普通晶体管的话，则从门极1 看，当前的阈值电压为： ， 嘴= 孚嘛一k ( 2 1 5 ) l 1 因此，从1 端看入的阈值可以通过改变控制端电压任意改变。这就是所说的 可变阈值电压晶体管的概念。这个概念在多值逻辑电路的设计中具有重要的意 义，因为在多值逻辑的电路设计中需要具有多种开启阈值的m o s 管，这点可以 浙江大学硕士学位论文 通过对m o s 管沟道进行离子注入来实现，但这种方法不仅工艺复杂而且制造成 本高，阻碍着多值逻辑电路的发展。相对于采用离子注入实现多阈值，多输入浮 栅晶体管所具有的可变阈值特点有着很好的应用前景。 2 3 2 互补结构可交阈值特性 通过调整m o s 管的器件参数，互补结构从浮栅看入的阚值一般为五p 0 ，2 。 但如果选择适当的输入数和输入电容耦合系数，我们可以得到不同的从输入端看 入的阈值电压。我们以下面的二输入浮栅m o s 晶体管来进行说明。其中我们的 输入端为，而控制端为形，电源电压为。，电路如图： c 1 叫 c2 呢叫 v d d 图2 11二输入的互补结构浮栅m o s 图2 一1 1 显示了一个二输入的v 彻，两个输入端的电容耦合系数分别为c 1 和c 2 ，那么从看入的阈值为： 哪= 等一_ ( 2 1 6 ) 浙江大学硕士学位论文 从式( 2 1 6 ) ，可以有两种方法改变上图所示电路从看入的阈值电压。第 一种方法是：固定输入端和控制端的电容耦合系数值，改变控制端的电压来实现 阈值的控制。 设两个输入端的电容耦合系数分别为c 1 和巴相等t 即c 1 = c 2 。 为从浮栅看入的阈值电压，通常我们设为五2 ，所以有： 蠕= 一圪 ( 2 1 7 ) 即从输入端看入的阈值电压是控制端电压巧的函数。如果我们选择不同的 控制电压，就可得到不同的从输入端看入的阚值电压。因此，对于一个单独反相 器的阈值电压的控制，可以通过不同的偏置电压来实现。 图2 1 2 为图2 1 1 电路采用固定电容耦合系数改变控制电压方法时的直流 传输特性。取= 3 v ，c 。= c 2 = o 1 ，如果不考虑浮栅与衬底之间的电容c 。( 值 很小，相比于g ，c ，来说可以忽略) 的影响，该反相器的阈值可表示为 1 k 。= 2 一，其中z - 当，分别取巧= l v ，1 5 v ，2 v 。从模拟结果可以看出， 该反相器的阈值与理论值( 2 v ，1 5 v ，1 v ) 相符。 l5 踮h v 图2 1 2 控制端电压变化时的直流传输特性 第二种改变从输入端看入的阈值方法是：固定控制端的电压，而通过改变 浙江大学硕士学位论文 电容耦合系数来实现。由式( 2 1 6 ) 可以看到，如果不变，而改变c l 和c 2 的 值，那么嵋将会是c 1 和g 的函数。 取巧= 1 v ，c i = o 1 ，同样不考虑浮栅与衬底之间的电容c 。的影响，该反 相器的阈值可表示为z 鱼言垒一1 ，其中* 圭。分别取c ：2 0 5c 1 ， c ，1 5 c 。，该电路的直流传输特性如图2 1 3 所示，从模拟结果来看，其闽值也 与理论值( 1 7 5 v ，2 v ，2 7 5 v ) 相符。 05 0 0 mii 52 2 5s k 、， 图2 1 3 控制端电容耦合系数改变时的直流传输特性 2 4 ，本章小结 本章对多输入浮栅m o s 晶体管的基本结构和性质进行了介绍，对、， 抑s 的 两个基本电路，互补结构反相器和源极跟随器详细分析了其工作原理和特性，并 采用t s m c o 3 5 “州双层多晶硅c m o s 工艺参数对有关电路进行模拟。电压型多 值逻辑电路实现的基础一阈值控制在采用现有c m o s 工艺的条件下，可以用 多输入浮栅m o s 晶体管的可变阈值特性很好的完成。多输入浮栅m o s 晶体管 的变闽值特性的讨论和实现，为下一章采用多浮栅m o s 晶体管进行多值逻辑电 路设计，提供了理论基础。 浙江大学硕士学位论文 第三章基于开关信号理论的m v l 电路设计 本章电路设计方法上以开关一信号理论为指导，对多浮栅m o s 在多值逻辑 电路中的应用进行设计与研究。建立控制信号、传输源、及电路阈值三者间的作 用关系的传输运算表达式，对每个浮栅m o s 晶体管的逻辑功能均采用了公式化 表示。以此理论为指导设计了三值逻辑电路的基本门电路。 3 1 开关一信号理论基础 根据第二章的的讨论和二值电路设计的经验，可以得到以下传统的电路设计 步骤： 1