第四章-MOS逻辑集成电路-1..ppt

第四章MOS逻辑集成电路 学习要求 MOSFET结构及工作原理 补充 CMOS基本逻辑单元静态逻辑和动态CMOS电路BiCMOS逻辑集成电路MOS存储器 参考书 数字CMOSVLSI分析与设计基础 北京大学出版社 1996 2002年12月第2次印刷Sung MoKang YusufLeblebici CMOSDigitalIntegratedCircuitsAnalysisandDesign McGrawHillThirdEdition2003 数字VLSIC的内容 设计中所涉及的内容 FET FieldEffectiveTransistor Thejunction gatefieldeffectivetransistorTheinsulatedMOS FETgatetransistorThedeletiontypetransistorsTheenhancementtypetransistors 补充知识 MOS的结构 工作原理MOS的阈值电压VTMOS中应注意的问题 MOS管概述 MetalOxideSemiconductorFieldEffectiveTransistor MOSFET特点制造工艺简单成品率高功耗低 体积小输入阻抗高 可利用栅源电容进行动态存储N沟MOS较P沟MOS速度快 但工艺复杂CMOS输入阻抗更高 没有静态功耗Voltage controlledsemi conductorcomponents MOS晶体管的分类 MOS晶体管的结构 版图 剖面图 B 关键参数 沟道长度L沟道宽度W栅氧化层厚度Tox衬底掺杂浓度Nsub源漏pn结结深xj S source G Gate D Drain B Bulk 栅一定要全部覆盖沟道区分清S G D B区 CMOS标准门的例子 CMOS的微观照片 MOS管工作原理 以NMOS为例 栅源形成正向电压驱赶衬底的多数载流子空穴 吸引少数载流子电子 在栅极下形成一个耗尽层 称之为反型层 在正向电压大于阈值电压 N 扩散层中的多数载流子被吸引到栅极之下 衬底的少数载流子也被吸引到栅极之下 称之为N型感生沟道 感生沟道与衬底之间依靠耗尽层进行绝缘 施加正VGS电压的nMOS晶体管 图中显示出耗尽区和感应沟道 阈值电压定义 MOS的阈值电压VT在栅极上施加一个正电压 相对于源极 时 栅极和衬底会形成电容的极板 而栅极氧化物则充当电介质 耗尽层类似于pn结二极管中所产生的耗尽区使MOS结构半导体表面产生强反型层所需要外加的栅 源电压 称为 阈值电压 开启电压 VT的计算电压 电容和电荷量关系式耗尽层中的电荷理想MOS结 费米势 金属 半导体功函数差氧化膜中的电荷 表面态电荷 注入 Implants VFB 通常把实现平直能带条件所需要的栅电压称为平带电压 VFB 电流 电压关系 沿x轴积分得到下式 MOSFET的电流电压关系假设在整个沟道内沟道电压值高于阈值电压根据Q CV 电荷守恒定律以及电流的计算 得出右式W 垂直于沟道长度的有效源漏区尺寸L 两块源漏掺杂区之间的距离 MOS管工作原理 续 器件的增益系数ProcessTransconductanceParameter 其中 长沟道器件输出特性曲线 如果在源极和漏极之间有连续的沟道存在 那么器件将工作在线性区VDS VGS VTID 2Kn VGS VT VDS 2 VDS 2Kn VGS VT VDS位于感应沟道上的电势差固定为VGS VT 得ID Kn VGS VT 2类似于一个受电压控制的可变电阻 非线性 如果漏极和源极电压出现迅速增长 则有VGS V x VT发生 在这样的条件下 晶体管工作在饱和区由于耗尽区的存在长度系数L减小和沟道长度调制效应 得ID Kn VGS VT 2 1 VDS 称为沟道调制因子 典型值在0 01 0 1 V之间相当于一个受电压控制的电流源注意 当VGS VT时 电流不会突然降为零 在那一点器件将进入亚阈值工作状态 为了使器件完全停止工作 栅极 源极电压必须比VT低得多 MOSFET的工作过程及I V特性 VG 以上所有推导获得的等式 对于pMOS晶体管均同样适用 唯一的区别是 对于pMOS器件 所有电压和电流的极性均是相反的 课后练习试推导pMOS的性质 总结 关闭区 VGS远低于VT 亚阈值区 VGS VT 线性电阻区 VDS VGS VT 饱和区 VDS VGS VT 沟道电位由于源漏的电位而出现电位梯度 靠近源极电位差最大 靠近漏极电位差最小当VDS VGS VT时沟道出现夹断 进一步增加VDS 沟道电场几乎不再增加 压降几乎全部落在夹断区内 ID趋于饱和 MOSFET的主要参数开启电压 取决于VTNMOS大于零 PMOS小于零当IDS为定值 源漏电流为10 50微安时的VGS值 VT跨导 交流小信号 由端电压和端电流的偏导数来定义 右上角公式1 线性区 gm knVDS饱和区 gm kn GS VT 2CoxuWiDS L 1 2输入电阻 RGS 1010 以上输出电阻 右上角公式2线性区 数十 数百欧姆饱和区 趋近于无穷大击穿特性P N结击穿电压 源漏电压穿通组成的源漏击穿电压BVDS栅极击穿电压BVGS 不可恢复 一般100 200V MOS器件与BJT的比较 多子器件 少子器件导电载流子电压控制 电流控制I V特性PhysicalArchitecture MOSFET的阈值电压VT 栅极材料栅极绝缘材料栅极绝缘层厚度沟道掺杂的浓度源极与衬底之间的电压 主要参数 MOSFET的阈值电压VT 在低电源电压的情况下 较低的阈值电压有利于保持性能的变化趋势 根据门控延迟时间与VT VDD之间的相互关系 当阈值电压达到VDD 2时 延迟时间迅速增加 MOSFET电流的急剧降低以及CMOS反相器门限的相应增高 影响阈值电压变化的其它因素沟道长度 VT会随着L的减小而减小源 漏电压 阈值会随着VDS的增大而减小热载流子效应 引起nMOS器件的阈值增大 而pMOS晶体管的阈值下降 一 阈值电压分析 金属M 半导体S功函数差对阈值电压的影响一种材料的功函数 把一个电子从该材料的费米能级上移到真空中去成为自由电子所需要的能量 ms M S M q Eg 2q B B KT q ln NA ni B KT q ln ND ni 表面固定电荷Qsf由于杂质 陷阱以及共价键的不完备 在氧化层和体硅的介面存在电荷 Qsf Cox衬底和源之间有电压差 修正公式 得体效应因子COX OX tOX 栅介质的介电常数除以栅介质厚度 二 例题与讨论 在N型Si上制备MOSFET ND 1015 cm3 tox 500埃 AL栅表面电荷Qsf 6 8X1011q cm2 求阈值电压 课堂练习 若衬底材料改为P型Si 其余条件同上 计算其阈值电压 首先推断是PMOS 接着计算平带电压 费米势 氧化层电容 Cox 0 ox tox 耗尽层电荷 最后 代入VT的计算公式 2 58伏 推断为增强型PMOS结构 1 61伏 推断为耗尽型NMOS结构 上题的计算公式 结论 AL栅PMOS一般为增强型 而NMOS易为耗尽型 主要受到平带电压的影响AL栅MOS管的金属 半导体功函数差N衬底 0 06伏P衬底 0 66伏制备增强型NMOS 降低PMOS阈值电压的绝对值 使VTn VTp 是CMOS对器件工艺的基本要求 VT的控制 QI Implants 课后问题 Qsf界面固定正电荷正离子快界面辐照 禁带宽度 三 阈值电压控制原理 离子注入调整阈值电压离子注入硼 VT QI Cox qNI CoxNI 1 36X1012 cm3 VT 1 72伏 增强型 通过对VT的控制实现了5微米工艺 NMOS 1伏 PMOS 1伏2微米工艺 NMOS 0 7伏 PMOS 0 7伏CMOS由初期的P阱工艺转变为双阱工艺硅栅MOS 多晶硅 改变金属和半导体功函数差值重掺杂P型多晶硅 P Si 0 25伏 N Si 0 85伏重掺杂N型多晶硅 P Si 0 84伏 N Si 0 26伏薄栅工艺 调控Cox调控Cox 减小SiO2界面态的影响厚度下降到50埃 P Si 0 96伏 N Si 0 33伏提高Si SiO2界面和SiO2层的质量采用100晶向 界面太少 VTH的比较 其它参数 k因子 器件的导电能力 器件设计尺寸 W L 工艺制造及材料的电子和空穴迁移率迁移率随温度的升高而下降 所以高温导致漏极电流ID下降 电路速度下降 温度升高100度 k因子要下降40 栅极电压带来迁移率的变化 所以需用有效迁移率修正有效沟道长度 参数 器件的饱和区特性 饱和区中ID电流随VDS变化的斜率器件设计 工艺 dXd Leff dVDS 数字电路设计可不计 但在模拟电路中是其关键的器件参数 体效应因子 当MOS器件的衬底和源之间存在偏置时 通常反偏 就会使沟道和衬底之间的耗尽层增宽 使耗尽层中包含更多的电荷 晶体管的阈值电压也将增加对电路的影响 高电平下降电路工作速度下降采用高电阻率衬底 以减低衬底偏置效应的影响 几点注意的问题 小尺寸MOS器件 小于2微米 前面的公式必须修正关于IDS VDS特性短沟道不成立NMOS的性能比PMOS好表面迁移率的纵向电场效应 eff n p沟道长度调制效应亚阈电流 低压 低功耗 当VGS VT时 源漏之间的漏电流长沟道 源漏漏电流短沟道 扩散形式为主采用深而重的栅下沟道注入 以减低漏区对源区的影响衬底偏置 体效应 的影响热载流子效应 电场增强 载流子速度加快 电子进入氧化层 NMOS的阈值电压增加空穴进入氧化层 PMOS的阈值电压减小 短沟道带来的影响 饱和电流IDSAT和VGS不呈平方律关系 而呈线性关系饱和区特性曲线不平坦 而呈明显上翘趋势器件跨导不随VGS的增加而增大 而是随着载流子运动速度饱和而趋于不变转折点电压发生变化 EarlySaturation 热载流子效应改变了阈值电压 ID VDS MOSFET的器件模型 在SPICE中包含着五种基本的MOSFET模型 以供用户按具体情况选用 其中 Level 1Shichman Hodges模型 MOSFET一级模型 Level 2基本几何图形的解析模型 MOSFET二级模型 Level 3半经验短沟道模型 MOSFET三级模型 Level 4BSIM模型 MOSFET四级模型 Level 6BSIM3模型 MOSFET八级模型 BSIM4模型 工艺电学参数 0 25