数字集成电路课后习题1-4章作业解析

P1 1 先构建真值表 再依据真值表画出卡诺图 然后找到 1作为积之和 找到 0作为和 之积 a FCBACBACBACBA A B C F 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 Table 1 C AB 00 01 11 10 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 Table 2 可算得 FABACBCABACBC b FDCADCADACD CA D AC 00 01 11 10 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 Table 3 可算得 FDADAADAD P1 3 a FABBC ABBC ABBC A B C b FABC ABCABCABCABC ABCABCABCABC ABC ABC ABC ABC P2 1 a 零偏压阈值电压 VT0计算公式为 0 2 B TFBF OX Q VV C 计算每个部分得到 NMOS阈值电压 17 10 1362 OX0 7 72 0 0 6 1119 6 3 10 ln0 026ln0 44 V 1 4 10 0 440 550 99 V 43 5 10 F cm1 6 10 F cm 3 10 3 10 0 188 V 1 6 10 6 101 6 10 0 1 6 10 i Fp A GCFpG gate OX B B OX OX OX nkT qN C Q QC cm C Q C T0 06 V V0 99 0 88 0 188 0 0600 018 V 计算 PMOS器件的阈值电压 17 10 7 72 0 0 6 1119 6 T0 3 10 ln0 026ln0 44 V 1 4 10 0 440 550 99 V 3 10 3 10 0 188 V 1 6 10 6 101 6 10 0 06 V 1 6 10 V0 99 0 88 0 188 0 0600 138 V D Fn i GCFnG gate B B OX OX OX NkT qn Q QC cm C Q C b VT0的幅值将变大 也就是说阈值电压会变小 更负 发生变化的是多晶硅栅的掺 杂 以上计算过程中唯一发生变化的是 G 新的阈值电压 VT0为 0 0 11 0 88 0 188 0 061 24 T VV c 调整阈值电压需要注入 QI 6 0 40 018 0 382 1 6 10 0 382 I OX I OX I Q C Q V C Q 阈值注入量 NI满足 II I I qNQ Q N q 对于 a 中的 NMOS 器件 6 122 19 0 6 10 3 82 10 1 6 10 I I Q Nions cm q P 型型 对于 a 中的 PMOS 器件 6 122 19 1 6 10 0 40 138 2 62 10 1 6 10 I I Q Nions cm q N 型型 对于 b 中的 PMOS 器件 6 122 19 1 6 10 1 240 4 8 4 10 1 6 10 I I Q Nions cm q P 型型 d 从上面的计算可以看到 NMOS 用 N 型多晶硅栅和 PMOS 用 P 型多晶硅栅算得的阈值 电压比较小 在沟道区使用与衬底相同的离子掺杂即可调整到期望值 NMOS P 型注 入 PMOS N 型注入 如果我们在 MOS 管的栅极中采用跟衬底相同类型的离子注 入 得到的阈值电压很大 偏离期望值很多 调整起来比较困难 另外 源极和漏极 的制作过程采用自对准工艺 如果栅极的注入类型和源漏一致 一步即可完成离子注 入 简化了器件制作的工艺流程 P2 4 指导方针 比较 VGS和 VT决定器件导通与否 此处的 VT可能涉及到体效应 另 外 还要比较 VDS和 VDSAT来判断是在线性区还是饱和区 a 截止 0 0 200 2V 0 4V GSGS TT GST VVV VV VV b 截止 0 1 2 1 10 1 0 4 GSGS TT GST VVVV VVV VV 不在饱和区的判断依据 1 20 460 2 0 48V 1 20 460 2 0 2V GSTC DSAT GSTC DS DSDSAT VVE L V VVE L V VV VT DG VV 肯定工作在饱和区 对于长沟道器件 如果满足这个关系 就工作在饱和区 而发生速度饱和的短沟道器件的 VDSAT比长沟道器件的要 小 如果电压偏置能使长沟道器件饱和 那么肯定能使速度饱和的短沟道器件 饱和 P2 5 先计算 G V 对应的 X V最大值 如果这个值小于漏极电压 VD 那么 maxXX VV 否则 XD VV X V 最大值为 GT VV 由于体效应的存在 此处的 0TT VV max0 0 max 0 max max max 22 22 22 1 20 40 20 880 2 0 88 0 9880 20 88 XGTGTSBFF GTXFF GTXFF X X VVVVVV VVV VVV V V VVX734 0 max a 因为 maxDX VV 所以 max 0 734 XX VVV b 因为 maxDX VV 所以 max 0 6 XX VVV P2 8 a 晶体管截止 IDS Isub b 晶体管截止 IDS Isub c 晶体管工作在线性区 2 1 eoxDS DSGSTDS DS c CVW IVVV V L E L 6 270 1 6 10 0 2 4 1 20 4 0 2181 0 2 2 1 0 6 DS IA d 晶体管工作在饱和区 2 GST DSsatox GSTc VV IWC VVE L 2 466 0 80 4 0 4 10 8 10 1 6 10 82 0 80 4 0 6 DS IA P3 11 促使互连线从 Al 转换到 Cu 的主要因素是互联电阻和电迁移 Electromigration 因 为铜的电阻率更小 同时不易受电迁移的影响 但铜也有自身的问题 它容易氧 化 因此铜线需要包覆起来 防止氧化 开发低 K 电介质 主要是为了减少信号延迟和互连线间的电容耦合 目标值为 2 开发高 K 电介质是用来作为 MOS 器件的栅氧化层 它在保持栅电容不变的情况下 允许栅氧化层做得厚一些 因此可以有效地减少栅极与衬底间的漏电流 提高器件 的可靠性 P3 13 运用以下的电阻计算公式来计算长度 L L R TW RTW L 铝 Aluminum 1000 8 m1 m 2963 m2 96mm 0 027 m RTW L 铜 Copper 1000 8 m1 m 4706 m4 71mm 0 017 m RTW L P4 1 见图 P4 1 a 当输入为高电平时 除了 CMOS 反相器以外的其它反相器都需要消耗静态功 耗 对于前三个反相器而言 当输入为高电平的时候 总是有一个静态电流从 VDD流向 GND b 当输入为低电平时 所有反相器都不消耗静态功耗 因为 VDD和 GND 之间是 断开的 c 除了饱和增强型反相器外 其它反相器的 VOH都为 1 2 V d 只有 CMOS反相器的 VOL为 0 V e 除了 CMOS 反相器 其它反相器的工况都取决于晶体管 负载和反相 的尺寸 比 P4 2 见图 P4 2 a 电阻负载型 OHDD VV 63 1 1 1 2 0 034 1 1270 1 6 1010 101 20 4 0 1 DDDD OL LDDT NOXLDDT VV V W kRVV CRVV L V b 饱和增强型 0 0 22 22 1 20 40 20 880 2 0 88 0 9880 20 88 OHDDTDDTSBff DDTOHff OH OH VVVVVV VVV V V 0 734 OH VV 计算 VOL 时忽略体效应 22 2 1 NOLLsatDDOLTLI DDTIOL IDDOLTLCNL OL CNI VWVVVW VVV LVVVELV EL 2 262 270 0 2 8 10 1 20 4 1 2 1 20 4 0 12 1 20 4 0 6 1 0 6 OLOL OL OLOL cm Vmcm sV Vs V VV 0 0286 OL VV c 线性增强型 0 0 22 22 1 60 40 20 880 2 0 88 1 3880 20 88 OHGGTDDTSBff GGTOHff OH OH VVVVVV VVV V V 1 11V OH V 由此可知 VGG 实际要大于 1 6 V 接近 1 7 V 才能使 VOH达到 1 2 V 计算 VOL 时忽略体效应 22 2 1 NoxOLLsatoxGGOLTLI DDTIOL IGGOLTLCNL OL CNI CVWCVVVW VVV LVVVELV EL 2462 0 1 10 8 10 1 60 4 1270 1 20 4 0 12 1 60 4 0 6 1 0 6 OLOL OL OLOL VV V VV 0 03 OL VV d CMOS OHDD VV 0V OL V P4 3 VOH 1 2 V VOL 0 V 4 16 424 1 166 0 80 4 1 0 6 1 1 NP N CNNNCP P PCN CPP S WW W ELW E W W E EL VV VIL and VIH 可以估算为 2 21 20 4 1 0 4 21 2 0 55 1 1 1 2 outDDTPNPTNout out IL NP VVVkkVVV VV kk 2 20 4 1 1 20 4 21 2 0 65 1 1 1 2 outTNPNDDTP outout IH PN VVkkVVVV VV kk 因此可算得 0 5500 55 1 20 650 55 L H NMV NMVV 当把 PMOS 器件尺寸缩小一半时 VTC 向左移 所以 VS也会向左移 重新计算可得到转 换电压 VS 0 566V VIL 和 VIH可大致计算为 0 533V和 0 667V 因此 0 53300 533 1 20 6670 533 L H NMV NMVV P4 9 电阻负载反相器 2 2 1 DDOLNnox OHTOLOL LN OL C VVWC VV VV RLV E L 6 2 1 20 1 270 1 6 10 2 1 20 4 0 1 0 1 0 1100 1 1 0 6 0 2 N N W k Wm 饱和增强型反相器 忽略体效应 22 2 1 NoxoutLsatoxDDoutTLI inTIout IDDoutTLCNL out CNI CVWCVVVW VVV LVVVELV EL mW W N I 174 0 6 04 01 02 1 4 01 02 16 18101 0 21 01 04 02 12 6 0 1 0 1 106 1270 1 0 2 4 2 6 线性增强型反相器 忽略体效应 22 2 1 NoxoutLsatoxDDoutTLI inTIout IDDoutTLCNL out CNI CVWCVVVW VVV LVVVELV EL mW W N I 33 0 6 04 01 06 1 4 01 06 16 18101 0 21 01 04 02 12 6 0 1 0 1 106 1270 1 0 2 4 2 6 线性增强负载型反相器因为上拉器件的电流较大 需要最大尺寸的下拉器件 就下拉器件 尺寸而言 电阻负载型其次 饱和增强负载型最小 P4 10 VOH 1 2 V VOL 0 V 计算 VS 0 4 0 8 0 424 1 41 0 86 0 80 4 1 41 0 566 1 1 41 NP N CNNNCP P PCN CPP S WumWum W ELW E X W W E EL V 计算 VIL和 VIH 2 1 outDDTPNPTN IL NP VVVkkV V kk 21 20 42 0 420 8 123 out out IL VV V VIL大约为 0 533V 2 1 outTNPNDDTP IH PN VVkkVV V kk 20 4 2 1 20 4 22 1 2 3 outout IH VV V VIH大约为 0 667V 当我们把 PMOS 器件尺寸增大一倍 VTC 向右移 VIL VS 和 VIH同时向右移 重新计 算可