第8章 MOS场效应器件性能与设计(3).ppt

半导体器件原理 南京大学 二 CMOS性能参数集成度 开关速度和功率消耗是VLSI的主要参数 该章内容关注影响开关速度的若干因数 2 1基本CMOS电路元件 半导体器件原理 南京大学 1 CMOS反相器在任何一个状态 仅有一个晶体管导通 没有静态电流与功率消耗 半导体器件原理 南京大学 1 CMOS反相器的传输特性 半导体器件原理 南京大学 Vout Vin曲线的高到低转变区的陡峭度反映了数字电路的性能 高低转变点发生在中点 Vin Vdd 2 IP IN Wp Wn In Ip对短沟道器件 In Ip要小一些 速度饱和效应 A C nMOSFET工作在饱和区 pMOSFET工作在线性区B D pMOSFET工作在饱和区 nMOSFET工作在线性区 半导体器件原理 南京大学 2 CMOS反相器的开关特性开及关的延迟相等 半导体器件原理 南京大学 半导体器件原理 南京大学 3 开关能量与功率消耗 每一循环消耗CV2dd的能量 P CV2ddfnMOSFET pMOSFET 4 准静态的假设 器件的响应时间 或电荷重新分布的时间小于电压变化时间 寄生电容决定 电流随电压瞬速变化 开关时间仅由寄生电容决定 由载流子沟道穿越时间 L2 effVdd或L vsat决定 半导体器件原理 南京大学 2 CMOS与门和或门电路 逻辑计算 在与电路中 nMOSFET串联在输出端与地之间 pMOSFET并联在电源与输出端之间 所有输入端处于高电平时 输出为低 更多地采用于CMOS技术中 半导体器件原理 南京大学 在或电路中 nMOSFET并联在输出端与地之间 pMOSFET串联在电源与输出端之间 所有输入端处于低电平时 输出为高 半导体器件原理 南京大学 双输入CMOS与门电路晶体管N1的工作由Vx决定 开启状态 Vin1 Vx和反向衬底偏压引起的阈值电压的增加 半导体器件原理 南京大学 2 2寄生单元 电阻与电容 1 源漏电阻 半导体器件原理 南京大学 积累层电阻与扩展电阻积累层电阻依赖于栅压 被认为是Leff的一部分 扩展电阻 陡峭的源漏结 注入点接近于沟道的金属结端点 以上二电阻均很小 渐变的源漏结 注入点离开金属结 二电阻较大 半导体器件原理 南京大学 薄层电阻 接触电阻 短接触长接触 自对准硅化物工艺中的电阻 薄层电阻和接触电阻均大大减小 半导体器件原理 南京大学 半导体器件原理 南京大学 2 寄生电容 结电容与交迭电容 结电容 半导体器件原理 南京大学 交迭电容 半导体器件原理 南京大学 3 栅电阻 0 25um以下器件中栅RC延迟不能忽略 对大电流器件 多指形的栅版图设计与源漏区的交叉分布 半导体器件原理 南京大学 4 互连电阻与电容 1 互连电容 在CMOS反相器或与门中可忽略 但在VLSI芯片或系统中 互连电阻与电容将对性能起重要的作用 半导体器件原理 南京大学 半导体器件原理 南京大学 当金属线或间距尺寸与绝缘或线厚度大致相等时 总电容显示一较宽的最低值 半导体器件原理 南京大学 2 互连的等比例缩小所有线性尺寸 金属线长度 宽度 厚度 间距和绝缘层厚度均等比例缩小 半导体器件原理 南京大学 半导体器件原理 南京大学 3 互连电阻局域的互连 尺度的缩小不导致RC的问题 4 大尺度互连的RC延迟 不同的等比例缩小规则 半导体器件原理 南京大学 半导体器件原理 南京大学 2 3CMOS延迟对器件参数的依赖开关电阻 输入电容和输出电容延迟传递和延迟方程 1 CMOS反相器链的延迟传递 半导体器件原理 南京大学 2 延迟方程 开关电阻 输入与输出电容 有负载 三级输出 半导体器件原理 南京大学 3 CMOS延迟等比例变化 理想情况下将等比例减小 电阻减小两倍 而电容基本不变 单位电容增加 但实际并非如此 因阈值电压与关断电流的矛盾 半导体器件原理 南京大学 2 延迟对沟道宽度 长度和栅氧化层厚度的依赖 1 CMOS延迟对pMOSFET nMOSFET宽度比的依赖 半导体器件原理 南京大学 2 器件宽度效应与负载电容 增大宽度将减小开关电阻 改善延迟 插入一缓冲区 宽度k 或驱动器 以提高驱动能力 减小负载延迟 半导体器件原理 南京大学 3 延迟对沟道长度的依赖速度饱和 半导体器件原理 南京大学 反相器的延迟随沟道长度线性地改善 在设计范围内 半导体器件原理 南京大学 4 延迟对栅氧化层厚度的依赖薄氧化层对延迟影响较小 但可减小沟道长度 提高器件性能 半导体器件原理 南京大学 半导体器件原理 南京大学 3 延迟对电源电压和阈值电压的影响 半导体器件原理 南京大学 电源电压与阈值电压设计平面中的功率与延迟的折衷 半导体器件原理 南京大学 4 延迟对寄生电阻和电容的依赖 1 延迟对寄生电阻的依赖 半导体器件原理 南京大学 2 延迟对交迭电容的依赖 半导体器件原理 南京大学 3 米勒效应 电容两边的充电电压随时间而改变所引起 半导体器件原理 南京大学 4 延迟对结电容的依赖 半导体器件原理 南京大学 5 两路与门的延迟与体效应 1 两路与门的高和低开关高开关 N1和P1由input1的逻辑传输驱动 而input2保持Vdd 这样N2处于开态而P2处于关态 半导体器件原理 南京大学 低开关 N2和P2由input2的逻辑传输驱动 而input1保持Vdd 这样N1处于开态而P1处于关态 半导体器件原理 南京大学 半导体器件原理 南京大学 输入电容与反相器相同 但输出电容较大 同时开关电阻也较大 使延迟增大 半导体器件原理 南京大学 2 延迟对体效应的依赖 漏区体效应系数的增大将导致器件饱和电流的减小 体效应和电流的减小导致阈值电压的增大 特别当源电势高于体电势时 如与门电路中 半导体器件原理 南京大学 2 4先进CMOS器件的性能参数SOICMOS 0 1umCMOS中的速度过冲 SiGeMOSFET和低温CMOS SOICMOSSOI衬底由氧离子注入 SIMOX 和键合技术 材料技术与现有CMOS兼容性的进步 使之特别适合于VLSI的应用 半导体器件原理 南京大学 特性 很小的结电容 源漏的结电容几乎被消除 无体效应 如双端与门中 N1的阈值电压不会由于体效应而下降 因为它们的体电势会随源而变化 Vx 免除软偏差 结端积累的少数载流子 硅中高能辐射产生 会扰乱逻辑存储态 而埋藏的氧化层将大幅度减少受离化辐射的体积 1 部分耗尽和全部耗尽SOIMOSFETS 部分耗尽 硅层厚度大于最大栅耗尽层厚度 全部耗尽 硅层厚度小于最大栅耗尽层厚度 半导体器件原理 南京大学 长沟道器件FDSOIMOSFETS的亚阈值斜率接近理想值 体效应系数接近1 Wdm很大 低阈值电压和工作电压 短沟道器件中 埋层氧化层象一宽的栅耗尽区 使源漏电场极易穿过而导致差的短沟道效应 在PDSOIMOSFETS中 中性区的存在导致浮置的体效应 在一特定情况下会提高电路速度 但漏电流的过冲则总是存在的 中性区的电位依赖于开关频度 2 SOICMOS性能参数 强烈依赖于负载 半导体器件原理 南京大学 半导体器件原理 南京大学 2 SiGe或应变硅MOSFETSiGe或应变硅中载流子的迁移率较体硅中有一增加 空穴迁移率在张应力或压应力下均增加 简并度的解除和传导质量的减小 电子迁移率在张应力下增加 传导质量的减小导致较低的两个能谷的电子数量的增加 寄生电阻和速度饱和效应会减少CMOS性能的改进大小 技