微电子基本知识和技能培训课程

1、微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center1微电子基础知识和基本技能微电子基础知识和基本技能培训课程培训课程 哈尔滨工业大学微电子中心哈尔滨工业大学微电子中心微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center2第一部分第一部分 集成电路基础知识集成电路基础知识 微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-El

2、ectronics Center31.1 CMOS集成电集成电路器件基础路器件基础 微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center41.1.1 MOS结构结构（1）MOS结构的堆积状态结构的堆积状态（Accumulation Mode）P_SubGBVgb Vgb 0N_SubGBVgb Vgb 0Metal Oxide Semicondutor微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics C

3、enter51.1.1 MOS结构结构（2）MOS结构的耗尽状态结构的耗尽状态（ Depletion Mode ）P_SubGBVgb 0Vgb Vgb VtDepletion Region微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center61.1.1 MOS结构结构（3）MOS结构的反型状态结构的反型状态（ Inversion Mode ）N_SubGBVgb Vgb VtDepletion RegionInversion Region微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能

4、培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center7NMOS1.1.2 MOS晶体管晶体管 1. MOS晶体管的结构晶体管的结构P_SubN+N+insulatorconductorSourceGateDrainN_SubP+P+insulatorconductorSourceGateDrainPMOS微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center81.1.2 MOS晶体管晶体管 2. MOS晶体管截止状态晶体管截止状态（以（以NMOS为

5、例）为例） Vgs 0Linear NonsaturatedResistiveP_SubN+GDSGND+Vds+VgsN+BDepletion Region微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center91.1.2 MOS晶体管晶体管 3. MOS晶体管非饱和工作状态晶体管非饱和工作状态（以（以NMOS为例）为例） Vgs VtVds 0Vgd VtLinear NonsaturatedResistiveP_SubN+GDSGND+Vds+VgsN+BDepletion RegionI

6、nversion Region微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center101.1.2 MOS晶体管晶体管 4. MOS晶体管的饱和工作状态晶体管的饱和工作状态（以（以NMOS为例）为例）Vgs VtVds 0Vgd VtSaturatedP_SubN+GDSGND+Vds+VgsN+BDepletion RegionInversion RegionVgs-Vt微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Ele

7、ctronics Center111.1.2 MOS晶体管晶体管 5. NMOS晶体管的伏晶体管的伏安特性安特性IDS=0K (VGS-VT)2K 2(VGS-VT) VDS-VDS2K=WL( ) n ox o2toxLWtoxN+N+P_SubIDSVDSVGSVGS-VT= VDS0IDSVGSVtVDS is fixed0微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center121.1.2 MOS晶体管晶体管 6. PMOS晶体管的伏晶体管的伏安特性安特性IDS=0-K (VGS-VT)

8、2-K 2(VGS-VT) VDS-VDS2K=WL( ) p ox o2toxIDSVGSVtVDS is fixed0IDSVDSVGSVGS-VT= VDS0微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center131.1.2 MOS晶体管晶体管 7. MOS晶体管的符号晶体管的符号GDSBGDSGDSGDSBGDSGDSNMOSPMOS微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center

9、141.1.2 MOS晶体管晶体管 8. MOS晶体管的二阶效应晶体管的二阶效应1.体效应（衬底偏置效应）体效应（衬底偏置效应）2.亚阈值效应亚阈值效应3.沟道长度调制效应沟道长度调制效应4.源漏穿通效应源漏穿通效应5.热电子效应热电子效应微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center151.1.3 MOS电容的电容的CV特性特性GVgBVsP_SubC/CoVgs1.00.20VtLow frequency100Hzhigh frequency堆积堆积耗尽耗尽反型反型Co=A ox o

10、toxCoCoCoCdCd微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center161.2 CMOS集成电集成电路制造工艺路制造工艺（N阱硅栅阱硅栅CMOS集成电路工艺主要流程）集成电路工艺主要流程）微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center171.2.1 衬底准备衬底准备P P+ + 单晶基片单晶基片P PP P单晶片单晶片外延片外延片外延层外延层微电子中心微电子中心HMECHMEC

11、基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center18P-Sub1.2.2 氧化、光刻氧化、光刻N-阱阱(nwell)微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center191.2.3 N-阱注入，阱注入， N-阱推进阱推进, 清洁表面清洁表面P-Sub微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center201.2.4 长薄氧

12、、长氮化硅、光刻场区长薄氧、长氮化硅、光刻场区(active反版反版)P-Sub微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center21P-Sub1.2.5场区氧化（场区氧化（LOCOS） , 清洁表面清洁表面 利用氮化硅抗高温氧化的作用，实现场区氧利用氮化硅抗高温氧化的作用，实现场区氧化化局部氧化，提高场开启局部氧化，提高场开启MOS管阈值电压，降管阈值电压，降低氧化层台阶高度。低氧化层台阶高度。 (场区氧化前可做场区氧化前可做N管场区注入和管场区注入和P管场区注入）管场区注入）微电子中心微

13、电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center22P-Sub1.2.6 栅氧化栅氧化,淀积多晶硅，多晶硅淀积多晶硅，多晶硅N+掺杂掺杂 反刻多晶反刻多晶（polysiliconpoly)微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center231.2.7 P+ active注入（注入（Pplus） （ 硅栅自对准：利用硅栅的遮蔽作用形成硅栅自对准：利用硅栅的遮蔽作用形成PMOS沟道，实现沟道与硅栅自对

14、准，提高沟道，实现沟道与硅栅自对准，提高PMOS沟道尺沟道尺寸的精度，减小寄生电容）寸的精度，减小寄生电容）P-SubP-SubP-Sub微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center241.2.8 N+ active注入（注入（Nplus Pplus反版）反版） （ 硅栅自对准：利用硅栅的遮蔽作用形成硅栅自对准：利用硅栅的遮蔽作用形成NMOS沟道，实现沟道与硅栅自对准，提高沟道，实现沟道与硅栅自对准，提高NMOS沟道尺沟道尺寸的精度，减小寄生电容）寸的精度，减小寄生电容）P-SubP-

15、SubP-Sub微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center251.2.9 淀积淀积BPSG，光刻接触孔，光刻接触孔(contact)，回流，回流 P-SubP-Sub微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center261.2.10 蒸镀金属蒸镀金属1，反刻金属，反刻金属1（metal1)P-Sub微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训20

16、04年年7月月HIT Micro-Electronics Center271.2.11 绝缘介质淀积，平整化，光刻通孔绝缘介质淀积，平整化，光刻通孔(via)P-SubP-Sub微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center281.2.12 蒸镀金属蒸镀金属2，反刻金属，反刻金属2（metal2)P-Sub微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center291.2.13 钝化层淀积，

17、平整化，光刻钝化窗孔钝化层淀积，平整化，光刻钝化窗孔(pad)P-Sub微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center301.2.14 光刻掩膜版简图汇总光刻掩膜版简图汇总N阱阱有源区有源区多晶多晶Pplus Nplus 引线孔引线孔金属金属1通孔通孔 金属金属2 钝化窗口钝化窗口微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center311.2.15 N阱阱CMOS集成电路工艺中集成电路工

18、艺中MOS管的特点管的特点 所有所有NMOS管的衬底都是统一的管的衬底都是统一的P型衬底，型衬底，接电路最低电位（一般为地接电路最低电位（一般为地GND） 同一个同一个N阱中的阱中的PMOS管的衬底都是同一个管的衬底都是同一个N阱，接相应电路的最高电位（一般为电源阱，接相应电路的最高电位（一般为电源VDD）P-SubN-well MOS器件的源漏区是相互对称的，因此源漏器件的源漏区是相互对称的，因此源漏可以互换，源漏只是根据工作电位的高低来区分。可以互换，源漏只是根据工作电位的高低来区分。微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT

19、Micro-Electronics Center321.3 CMOS反相器反相器（inverter）基本原理基本原理 微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center331.3.1 CMOS反相器状态分析反相器状态分析ViVoVDDMPMN（1）ViVTn 时时MN截止，截止，MP非饱和非饱和0= -Kp 2(Vi- VDD -VTN) (VO-VDD ) (VO-VDD ) 2VO=VDD ( VOH ) 微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2

20、004年年7月月HIT Micro-Electronics Center341.3.1 CMOS反相器状态分析反相器状态分析ViVoVDDMPMN（2） VTn ViVO+VTn 且且ViVO+VTpMN饱和，饱和，MP非饱和非饱和KN (Vi-VTN)2 = KP 2(Vi- VDD -VTP) (VO-VDD ) (VO-VDD ) 2微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center351.3.1 CMOS反相器状态分析反相器状态分析ViVoVDDMPMN（3） VTn ViVO+VT

21、n 且且VO+VTp ViVO+VTn 且且VO+VTp ViVDD +VTpMN非饱和，非饱和，MP截止截止Kn2(Vi-VTN) VO-VO2 =0VO=0 ( VOL ) 微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center381.3.1 CMOS反相器状态分析反相器状态分析ViVoVDDMPMN截止截止非饱和非饱和VDD+VTPVi VDD饱和饱和非饱和非饱和VO+VTNVi VDD+VTP饱和饱和饱和饱和VO+VTP Vi VO+VTN非饱和非饱和饱和饱和VTN ViVO+VTP非饱

22、和非饱和截止截止0 ViVTNP管管N管管输入电压范围输入电压范围（6） 状态汇总表状态汇总表微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center391.3.1 CMOS反相器状态分析反相器状态分析ViVoVDDMPMN0VOViV*VDDVDDVDD+ VTPVTN（7）电压传输特性曲线）电压传输特性曲线微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center401.3.2 CMOS反相器噪声容

23、限反相器噪声容限 0VOViVDDVDDVILmaxVIHminVOHminVOLmaxSlope=-1VDDVOHminVSSVOLmaxVILmaxVIHminVNMLmaxVNMHmax（1）噪声容限的定义）噪声容限的定义 VNMmax = minVNMHmax , VNMLmax 微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center411.3.2 CMOS反相器噪声容限反相器噪声容限 0（2） o与噪声容限的关系与噪声容限的关系V* =VDD+ VTP + VTN o1 + o o =

24、KNKP= N(W/L)N P(W/L)PVOViVDDVDDVOHmin o=1 o1V*V*为为Vdd/2时噪声容限最大时噪声容限最大微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center421.3.3 CMOS反相器瞬态特性反相器瞬态特性 （开关特性（开关特性速度）速度）ViVoVDDMPMNCL0VotVDD0VotVDD CL为负载电容，驱动负载为负载电容，驱动负载门数越多，门数越多， CL越大越大微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004

25、年年7月月HIT Micro-Electronics Center431.3.3 CMOS反相器瞬态特性反相器瞬态特性 （开关特性（开关特性速度）速度）（1） 上升时间上升时间tr = tr1 + tr2 ViVoVDDMPMNCL0VotVDD90%10%tr2 VDD KP(VDD |VTP|)CL|VTP| 0.1 VDDVDD |VTP| +1ln (19VDD 20 |VTP| )=微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center441.3.3 CMOS反相器瞬态特性反相器瞬态特

26、性 （开关特性（开关特性速度）速度）（2） 下降时间下降时间tf = tf1 + tf2 0VotVDD90%10%tfViVoVDDMPMNCL= KN(VDD VTN )CLVTN 0.1 VDDVDD VTN +12 ln (19VDD 20VTNVDD )微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center451.3.3 CMOS反相器瞬态特性反相器瞬态特性 （开关特性（开关特性速度）速度）（3） 门延迟时间门延迟时间tpd tpd =(tpr + tpf )/20Vot50%tpr0

27、VotVDDVDD50%tpfViVoVDDMPMNCL微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center461.3.4 CMOS反相器功耗特性反相器功耗特性ViVoVDDMPMN0VOViV*VDDVDDVDD+ VTPVTNIDSn = -IDSpI（1） 静态功耗静态功耗PS 理想情况下静态电流为理想情况下静态电流为0，实，实际情况有漏电（表面漏电，际情况有漏电（表面漏电，PN结结漏电）漏电） PS = Ios VDD微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与

28、基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center471.3.4 CMOS反相器功耗特性反相器功耗特性（2）动态功耗动态功耗Pd Pd = CL c VDD 2ViVoVDDMPMNCL 电路中各个结点都存在电路中各个结点都存在电容，每个结点电位的上升电容，每个结点电位的上升和下降，都伴随着结点电容和下降，都伴随着结点电容的充放电。的充放电。微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center481.3.4 CMOS反相器功耗特性反相器功耗特性0VOViV*

29、VDDVDDVDD+ VTPVTNIDSn = -IDSpI（3） 瞬瞬态电流功耗态电流功耗Pt Pt 2 1(tr+tf) ITmax VDD c0Vit0ITtViVoVDDMPMNCOCI微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center491.3.5 CMOS反相器的最佳设计反相器的最佳设计ViVoVDDMPMN（1） 最小面积最小面积 芯片面积芯片面积 A= (Wn Ln+ Wp Lp) 按工艺设计规则设计最小尺寸按工艺设计规则设计最小尺寸 Lp = Ln Wp = Wn 开关功耗

30、小开关功耗小 非对称延迟非对称延迟微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center501.3.5 CMOS反相器的最佳设计反相器的最佳设计ViVoVDDMPMN（2） 对称延迟对称延迟 tr = tf 根据公式应有：根据公式应有：Kp = Kn一般取：一般取：Lp = Ln 则有：则有：Wp/ Wn = n / p 2微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center511.3.5 CM

31、OS反相器的最佳设计反相器的最佳设计ViVoVDDMPMN（3）对延迟最小）对延迟最小（Tpd最小）最小） 一般取：一般取：Lp = Ln Wp/Wn =12 CL=CE+(Wp Lp + Wn Ln) Cg0TpdWp/Wn00.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4CE增大增大微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center521.3.5 CMOS反相器的最佳设计反相器的最佳设计（4）级间最佳驱动）级间最佳驱动 Cg共共N级级CL0e5 /ln 设：级间尺寸比为设：级间尺寸比为 ，

32、CL/Cg = 驱动相同负载延迟为驱动相同负载延迟为 1 N-2 N-1一般取一般取 = 25则：每级门延迟为则：每级门延迟为，总延迟为，总延迟为N N= ，N=ln /ln 可见：可见： =e时，总延迟最小时，总延迟最小 N = e ln(CL/Cg) 因此有：因此有： N = ln ( /ln )微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center531.3.6 CMOS反相器版图举例反相器版图举例微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年

33、7月月HIT Micro-Electronics Center541.4 传输门电路传输门电路 微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center551.4.1 NMOS传输门传输门 1.工作原理工作原理IOG“0”IOG“1”IOGG为为“1”电平时电平时NMOS开启开启G为为“0”电平时电平时NMOS管截止管截止(1)由由I向向O传送传送“1”时时(假设假设O初始为初始为“0”） O点电容通过饱和导通的点电容通过饱和导通的NMOS管充电，当管充电，当O点电位达到比点电位达到比G点电位低一

34、个点电位低一个VTn时，时， NMOS管截止。管截止。(2)由由I向向O传送传送“0”时时(假设假设O初始为初始为“1”） O点电容通过饱和导通的点电容通过饱和导通的NMOS管放电，管放电，NMOS管逐渐进入非管逐渐进入非饱和，放电加快，最终饱和，放电加快，最终O达到达到“0”。微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center561.4.1 NMOS传输门传输门 2.应用特点应用特点IOG“0”IOG“1”IOG a)能可靠地传送能可靠地传送“0”电平电平 b)传送传送“1”电平有阈值损失

35、电平有阈值损失 c)有衬底偏置效应有衬底偏置效应 d)无驱动传送无驱动传送 e)可实现双向传输可实现双向传输微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center571.4.2 PMOS传输门传输门 1.工作原理工作原理G为为“0”电平时电平时PMOS开启开启G为为“1”电平时电平时PMOS管截止管截止(1)由由I向向O传送传送“0”时时(假设假设O初始为初始为“1”） O点电容通过饱和导通的点电容通过饱和导通的PMOS管放电，当管放电，当O点电位达到比点电位达到比G点电位高一个点电位高一个|V

36、Tp|时，时， PMOS管截管截止。止。(2)由由I向向O传送传送“1”时时(假设假设O初始为初始为“0”） O点电容通过饱和导通的点电容通过饱和导通的PMOS管充电，管充电，PMOS管逐渐进入非管逐渐进入非饱和，充电加快，最终饱和，充电加快，最终O达到达到“1”。IOG“0”IOG“1”IOG微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center581.4.2 PMOS传输门传输门 2.应用特点应用特点 a)能可靠地传送能可靠地传送“1”电平电平 b)传送传送“0”电平有阈值损失电平有阈值损失

37、 c)有衬底偏置效应有衬底偏置效应 d)无驱动传送无驱动传送 e)可实现双向传输可实现双向传输IOG“0”IOG“1”IOG微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center591.4.3 CMOS传输门传输门 1.工作原理工作原理G为为“0”电平、电平、G为为“1”时，时， NMOS管和管和 PMOS管都截止管都截止(1)由由I向向O传送传送“0”时时(假设假设O初始为初始为“1”） O点电容通过饱和导通的点电容通过饱和导通的NMOS管和管和PMOS管放电，管放电，NMOS管管逐渐进入非饱

38、和，逐渐进入非饱和，PMOS管逐渐截止，管逐渐截止，最终最终O达到达到“0”。(2)由由I向向O传送传送“1”时时(假设假设O初始为初始为“0”） O点电容通过饱和导通的点电容通过饱和导通的NMOS管和管和PMOS管充电，管充电，PMOS管管逐渐进入非饱和，逐渐进入非饱和，NMOS管逐渐截止，管逐渐截止，最终最终O达到达到“1”。G为为“1”电平、电平、G为为“0”时，时， NMOS管和管和 PMOS管都开启管都开启OIGGOIGG“0”OIGG“1”微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics C

39、enter601.4.3 CMOS传输门传输门 2.应用特点应用特点 a)能可靠地传送能可靠地传送“0”电平电平 b)能可靠地传送能可靠地传送“1”电平电平 c)有衬底偏置效应有衬底偏置效应 d)无驱动传送无驱动传送 e)可实现双向传输可实现双向传输 f)需要正反信号同时控制需要正反信号同时控制OIGGOIGG“0”OIGG“1”微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center611.5 CMOS逻辑门电逻辑门电路路 微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本

40、技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center621.5.1 CMOS与非门与非门（nand?） 1.电路结构电路结构VDDABFnand4CDVDDABFnand2FVDDABnand3C微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center631.5.1 CMOS与非门与非门（nand?） 2.性能分析性能分析VDDABFPMOS管管NMOS管管ViVoVDDMPMN微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年

41、年7月月HIT Micro-Electronics Center641.5.1 CMOS与非门与非门（nand?） 3.版图举例版图举例微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center651.5.2 CMOS或非门或非门（nor?） 1.电路结构电路结构VDDCBFnor4ADVDDABF Fnor2VDDCBFnor3A微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center661.5.2

42、CMOS或非门或非门（nor?） 2.性能分析性能分析NMOS管管PMOS管管VDDABFnor2ViVoVDDMPMN微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center671.5.2 CMOS或非门或非门（nor?） 3.版图举例版图举例微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center681.5.3 CMOS与或非门与或非门（aoi?）VDDABFCaoi32EDABCDE微电子中心微

43、电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center691.5.3 CMOS与或非门与或非门（aoi?）VDDABFaoi221DABCEEDC微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center701.5.4 CMOS或与非门或与非门（oai?）oai32VDDABFDABCEDCE微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-El

44、ectronics Center711.5.4 CMOS或与非门或与非门（oai?）oai221VDDACFABEBEDDC微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center721.5.5 CMOS三态门三态门 1.驱动三态门驱动三态门VDDAFCCCCFAEnVDDFAEnVDD微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center731.5.5 CMOS三态门三态门 2.钟控三态门钟控三态

45、门VDDACFCVDDABFCCVDDABFCC微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center741.5.6 伪伪NMOS逻辑门逻辑门 利用一个常通的利用一个常通的PMOS代替代替CMOS逻辑中的逻辑中的P型逻辑块，简化单元电路，减小了输入电容。但型逻辑块，简化单元电路，减小了输入电容。但是，增加了静态功耗，提高了输出低电平（有比是，增加了静态功耗，提高了输出低电平（有比电路）。电路）。VDDA1FCA2B1B2DVDDFA1A2A3B1B2N逻辑块逻辑块N逻辑块逻辑块微电子中心微电子中

46、心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center751.6 CMOS动态电路动态电路 微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center761.6.1 CMOS动态电路基本原理动态电路基本原理ViVo VDDVc MOS管的栅极存在寄生电容，而且漏电小。管的栅极存在寄生电容，而且漏电小。因此，具有一定的信号存储功能。因此，具有一定的信号存储功能。 为了信号不被丢失，有最低工作频率限制。为了信号不被丢失，有

47、最低工作频率限制。VDDABF VcVDDABFCC微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center771.6.2 预充逻辑预充逻辑CMOS动态电路动态电路AVoVDDB 1预充管预充管求值管求值管型逻辑块型逻辑块NC 1VDDFA1A2A3B1B2 N逻辑块逻辑块预充管预充管 预充结束后，输预充结束后，输入信号才可以到达。入信号才可以到达。微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Cent

48、er781.6.3 CMOS动态电路的级联动态电路的级联 1.级联的问题级联的问题AVoVDDB 1预充管预充管求值管求值管型逻辑块型逻辑块NC 1AVoVDDB 1预充管预充管求值管求值管型逻辑块型逻辑块NC 1 后级门开始求值时，输入信号并不是前级门求后级门开始求值时，输入信号并不是前级门求出的值，而是前级门预充的值出的值，而是前级门预充的值“1”。因此，当前级。因此，当前级门求出值时，后级门已无法再进行正确求值，以为门求出值时，后级门已无法再进行正确求值，以为预充的预充的“1”已丢失，已丢失，微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月

49、月HIT Micro-Electronics Center791.6.3 CMOS动态电路的级联动态电路的级联 2.多项时钟解决级联问题多项时钟解决级联问题AVoVDDBC 1预充管预充管求值管求值管型逻辑块型逻辑块NAVoVDDB 2预充管预充管求值管求值管型逻辑块型逻辑块NC 2 2 1 1 2 1准两相时钟准两相时钟 2 1第一级预充、锁存第一级预充、锁存第一级求值第一级求值第二级求值第二级求值第二级预充、锁存第二级预充、锁存第二级求值第二级求值第一级预充、锁存第一级预充、锁存微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Mic

50、ro-Electronics Center801.6.3 CMOS动态电路的级联动态电路的级联 3. Domino逻辑解决逻辑解决级联问题级联问题AVoVDDBC 1预充管预充管求值管求值管型逻辑块型逻辑块NAVoVDDB 1预充管预充管求值管求值管型逻辑块型逻辑块NC 1 1微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center811.6.3 CMOS动态电路的级联动态电路的级联 4. N-P逻辑解决逻辑解决级联的问题级联的问题AVoVDDBC 预充管预充管求值管求值管AVoVDDBC 预充管

51、预充管求值管求值管型逻辑块型逻辑块P型逻辑块型逻辑块N微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center821.7 CMOS其它单元电其它单元电路路 微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center831.7.1 CMOS RS触发器触发器RSQQQQRSCPCPRSQQQQRSCPCP微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HI

52、T Micro-Electronics Center841.7.2 CMOS 电平触发电平触发D型触发器（型触发器（Latch）CLKCPCPQQDCLKSRQCPDCPCPQSRCPCP微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center851.7.3 CMOS 边沿触发边沿触发D型触发器（主从触发器）型触发器（主从触发器）QQDCLKCLKCPCPCPDCPCPCPRQCPCPCPCPQSRSdffprbsb微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2

53、004年年7月月HIT Micro-Electronics Center861.7.4 CMOS斯密特触发器斯密特触发器VILVIHVth-VDD0VDD(VOH)(VOL)VOViVth+VDDViVoVDDVth 0VtVth+0Vt0VtVth-微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center871.7.5 CMOS开关逻辑电路开关逻辑电路P4P3P2P1AABFAAAABBBBBBBAAP4P3P2P1AABBF微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基

54、本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center881.8 CMOS版图设计版图设计 微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center891.8.1 版图设计基本过程和要求版图设计基本过程和要求 在一定工艺下，根据电路的要求，依据版图在一定工艺下，根据电路的要求，依据版图设计规则，设计每个器件的图形，并完成排版布设计规则，设计每个器件的图形，并完成排版布线，形成一套完整的电路光刻掩膜版图形。线，形成一套完整的电路光刻掩膜版图形。(1)了解电路，熟悉电路对

55、工艺的要求了解电路，熟悉电路对工艺的要求(2)了解工艺，熟悉工艺所能实现的器件了解工艺，熟悉工艺所能实现的器件(3)掌握设计规则掌握设计规则(最小宽度、相关图形的最小间距等最小宽度、相关图形的最小间距等)(4)掌握器件结构、图形、特性之间的关系掌握器件结构、图形、特性之间的关系(5)布局要紧凑、合理，布线层选择合理，布线要短布局要紧凑、合理，布线层选择合理，布线要短(6)符合封装要求符合封装要求微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center901.8.2 CMOS电路抗闩锁设计电路抗闩锁

56、设计 1.闩锁闩锁效应效应VHIHIV0VDDGNDVoViP-SubN-阱阱p+p+p+n+n+n+RWRSRSRWIRSIRWVDDGNDVOVO必要条件：必要条件：1.两个发射结均正偏两个发射结均正偏2.npnnpn* *pnppnp 13.IPowerIH 寄生可控寄生可控硅一旦被触发，硅一旦被触发，电流巨增，将电流巨增，将烧毁芯片。烧毁芯片。微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center911.8.2 CMOS电路抗闩锁设计电路抗闩锁设计 2.版图设计抗闩锁版图设计抗闩锁RSR

57、WIRSIRWVDDGNDVOVO（1）减小减小RS和和RW ：均匀且充分设计均匀且充分设计阱和衬底的电源和地的欧姆接触，并阱和衬底的电源和地的欧姆接触，并用金属线连接，必要时采用环结构。用金属线连接，必要时采用环结构。（2）减小减小npnnpn和和pnppnp ：加大加大MOS管管源漏区距阱边界的距离，必要时采用源漏区距阱边界的距离，必要时采用伪收集极结构。伪收集极结构。GNDVDDVoViRSViN-SubP-阱阱n+n+n+p+p+p+RWp+n+p+微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronic

58、s Center921.8.3 CMOS电路抗静电设计电路抗静电设计 1.抗静电设计的必要性抗静电设计的必要性 随着电子技术的普及，静电产随着电子技术的普及，静电产生越来越严重，在测试、封装和使生越来越严重，在测试、封装和使用过程中来自人体或设备的静电一用过程中来自人体或设备的静电一般可达几千伏，甚至可达般可达几千伏，甚至可达1520KV。而。而 MOS器件的栅氧化层很器件的栅氧化层很薄，面积很小，绝缘性能又很好，薄，面积很小，绝缘性能又很好，因此静电电荷形成很高的电压足以因此静电电荷形成很高的电压足以使栅氧化层击穿，使器件失效。因使栅氧化层击穿，使器件失效。因此，采用抗静电保护设计措施是此，

59、采用抗静电保护设计措施是MOS电路得以应用发展的必要前提。电路得以应用发展的必要前提。I_padVDDMPMNVSSVDDMPMNVSSO_pad微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center931.8.3 CMOS电路抗静电设计电路抗静电设计 2.抗静电设计的思想抗静电设计的思想（1）抗静电保护电路不能影响正常电路的功能；）抗静电保护电路不能影响正常电路的功能；（2）放电电阻尽可能小）放电电阻尽可能小（3）放电回路中能承受尽可能高的瞬态功耗。）放电回路中能承受尽可能高的瞬态功耗。（4）

60、应有抗闩锁能力）应有抗闩锁能力（5）占用尽可能小的芯片面积）占用尽可能小的芯片面积 抗静电设计就是在电路的端口增设保护电路，使得抗静电设计就是在电路的端口增设保护电路，使得静电电荷形成的高压在到达正常电路之前，通过保护电静电电荷形成的高压在到达正常电路之前，通过保护电路将静电电荷泄放掉，而保护电路自身也不被损坏。路将静电电荷泄放掉，而保护电路自身也不被损坏。微电子中心微电子中心HMECHMEC基础知识与基本技能培训基础知识与基本技能培训2004年年7月月HIT Micro-Electronics Center941.8.3 CMOS电路抗静电设计电路抗静电设计 3.抗静电保护电路的基本原理抗静