2013-3-1 1
第三章 器件设计技术
2013-3-1 2
第一节 引言
集成电路按其制造材料分为两大类：
一类是 Si（ 硅 ）, 另一类是 GaAs（ 砷化
镓 ） 。 目前用于 ASIC设计的主体是硅材
料 。 但是, 在一些高速和超高速 ASIC设
计中采用了 GaAs材料 。 用 GaAs材料制成
的集成电路, 可以大大提高电路速度, 但
是由于目前 GaAs工艺成品率较低等原因,
所以未能大量采用 。
2013-3-1 3
Si l i co n Ga As
ASIC
Bi po l o er F ET Log i c
……
Bi ppl er
MOS
E C L / C ML T T L II L N MO S PMOS MN O S
C MO S
C MO S/ SOS H SMOS Met al G at e V MO S
C M O S
2013-3-1 4
1、在双极型工艺下
ECL/CML,
Emitter Coupled Logic/Current Mode Logic
射极耦合逻辑 /电流型开关逻辑
TTL,Transistor Transistor Logic
晶体管 -晶体管逻辑
, Integrated Injection Logic
集成注入逻辑
LI2
2013-3-1 5
2、在 MOS 工艺下
NMOS,PMOS,
MNOS,Metal Nitride（ 氮 ） Oxide Semiconductor
(E)NMOS与 (D)NMOS组成的单元
CMOS,Metal Gate CMOS
HSCMOS,High Speed CMOS （ 硅栅 CMOS）
CMOS/SOS,Silicon on Sapphire
（ 兰宝石上 CMOS,提高抗辐射能力 ）
VMOS,Vertical CMOS（ 垂直结构 CMOS
提高密度及避免 Latch-Up效应 ）
2013-3-1 6
3,GaAs集成电路
? GaAs这类 Ⅲ -Ⅴ 族化合物半导体中载流子的迁移
率比硅中载流子的迁移率高, 通常比掺杂硅要高
出 6倍 。
? GaAs是一种化合物材料, 很容易将硅离子注入
到 GaAs中形成 MESFET（ Metal Semi-conduction
Field Effect Transistor） 的源区与漏区, 且由注
入 深 度 决 定 MESFET 的 类 型 。 注 入 深 度 在
500~1000 时是增强型, 而 1000~2000 时是耗
尽型 。
? 从工艺上讲 GaAs的大规模集成也比较容易实现 。
目前 GaAs工艺存在的问题是它的工艺一致性差,
使其制造成品率远远低于硅集成电路 。
?A?A
2013-3-1 7
第二节 MOS晶体管的工作原理
MOSFET（ Metal Oxide Semi-conduction Field
Effect Transistor）,是构成 VLSI的基本元件。
简单介绍 MOS晶体管的工作原理。
一、半导体的表面场效应
1,P型半导体
图 1 P 型半导体
2013-3-1 8
2,表面电荷减少
图 2 表面电荷减少
2013-3-1 9
3、形成耗尽层
图
3
形成耗尽层
耗尽层 （高阻区）
2013-3-1 10
4、形成反型层
图 4 形成反型层
反
型
层
2013-3-1 11
二,PN结的单向导电性
自建电场和空间电荷
E
自
E
外
P N
2013-3-1 12
?PN结的单向导电性
O
V
I
正向
反向
2013-3-1 13
三,MOS管的工作原理
P- Si
衬底
S
G
D
E ds
Ids
2013-3-1 14
?Vgs<Vt 晶体管截止
?Vgs?Vt n，设 Vgs保持不变。
（ 1）当 Vds=0时,S,D之间没有电流 Ids=0。
（ 2） 当 Vds>0时,Ids由 S流向 D,Ids随 Vds变化基
本呈线性关系。
（ 3）当 Vds>Vgs-Vtn时，沟道上的电压降（ Vgs-
Vtn） 基本保持不变，由于沟道电阻 Rc正比于沟
道长度 L,而 Leff=L-?L变化不大,Rc基本不变。
所以,Ids=(Vgs-Vtn)/Rc不变，即电流 Ids基本保
持不变，出现饱和现象。
（ 4） 当 Vds增大到一定极限时，由于电压过
高，晶体管被雪崩击穿，电流急剧增加。
2013-3-1 15
第三节 MOS管的电流电压
一,NMOS管的 I~V特性
推导 NMOS管的电流 —— 电压关系式,
设,Vgs>Vtn,且 Vgs保持不变,
则：沟道中产生感应电荷, 根据电流的定义有,
其中,
?电子平均传输时间
栅下感应总电子电荷数 QcI d s ?
V
L
电子运动速度
沟道长度??
2013-3-1 16
V=?n*Eds ?n为电子迁移率（ cm2/v*sec）
Eds=Vds/L 沟道水平方向场强
代入,V=（ ?n*Vds） /L
代入,
?有了，关键是求 Qc,需要分区讨论,
dsn V
L
?? ??
2
2013-3-1 17
（ 1） 线性区,Vgs-Vtn>Vds
设,Vds沿沟道区线性分布
则：沟道平均电压等于 Vds/2
由电磁场理论可知,Qc=Co?Cox ? Eg?W?L
其中,
tox 为栅氧厚度
Co为真空介电常数
Cox为二氧化硅的介电常数
W 为栅的宽度
L 为栅的长度
t ox
V d sV tnV g sEg 2/)( ???
2013-3-1 18
令,Cox=(Co?Cox)/tox 单位面积栅电容
K= Cox ? ?n 工艺因子
β n=K(W/L) 导电因子
则,Ids=β n[(Vgs-Vtn)-Vds/2]Vds
—— 线性区的电压 -电流方程
? 当工艺一定时,K一定,β n与（ W/L） 有关。电
子的平均传输时间 ?∝ L2。
? ?
? ? V d s
V d s
V t nV g s
L
WCC
V d s
WL
V d s
V t nV g sCC
Qc
I d s
n
ox
oxo
n
ox
oxo
tL
t
?
?
?
?
?
?
???
?
?
?
?
?
?
??
?
??
?
??
??
2
2
2 ?
?
?
2013-3-1 19
（ 2） 饱和区,Vgs-Vtn<Vds
?Vgs-Vtn不变,Vds增加的电压主要降在△ L上，由
于△ L??L,电子移动速度主要由反型区的漂移运
动决定。所以，将以 Vgs-Vtn取代线性区电流公式
中的 Vds得到饱和区的电流 —电压表达式,
L
S D
V ds
V ds -( V gs - V t n)
V gs - V t n
? ?
2
2
V t nV g s
I nds
?
? ?
2013-3-1 20
（ 3）截止区,Vgs-Vtn≤ 0 Ids=0
（ 4）击穿区：电流突然增大，晶体管不能正常
工作。
| Id s |
输出特性曲线
| V ds |0
线性区
饱和区
| V g 5 |
|V g 4 |
|V g 3 |
|V g 2 |
|V g 1 |
V g s- t< 0
2013-3-1 21
转移特性曲线
0 V t V gs
转移特性曲线
Ids
2013-3-1 22
二,PMOS管 I~V特性
电流 -电压表达式,
线性区,Isd=β p|Vds|(|Vgs|-|Vtp|-|Vds|/2)
饱和区,Isd=(β p/2)(|Vgs|-|Vtp|)2
- Vg s
G
N- Si
衬底
S
D
I s d= - I d s
Id s
Vd d
P P
- Vd s
2013-3-1 23
? MOS管版图
G
S D
2013-3-1 24
第四节 反相器直流特性
? NMOS管,Vtn>0 增强型 Vtn<0 耗尽型
PMOS管,Vtp<0 增强型 Vtp>0 耗尽型
? 按负载元件：电阻负载、增强负载、耗尽负载和互补负载。
? 按负载元件和驱动元件之间的关系：有比反相器和无比反
相器。
负
载
元
件
驱
动
元
件
V0
Vd d
Vi
Vss
2013-3-1 25
（ 1） N沟增强,
D
G
S
N+ N+
P-- Si
S
G
D
V d s
V g =V t
Ids
V g s
Vt
Ids
2013-3-1 26
(b)N沟耗尽,
D
G
S
N+ N+
P-- Si
S
G
D
V ds
V g=V t
Ids
V gsVt
Ids
V g=0
2013-3-1 27
（ C） P沟增强,
D
G
S
P+ P+
N- - Si
S
G
D
V ds (-)
V g=V t
Ids (- )
V gs (-) Vt
Ids (- )
2013-3-1 28
（ d） P沟耗尽,
D
G
S
P+ P+
N- - Si
S
G
D
V d s (-)
V g =V t
Id s (-)
V g s (-) Vt
Id s (-)
V g =0
2013-3-1 29
一、电阻负载反相器（ E/R）
? Vi为低时：驱动管截止，输出为高电平,Voh=Vdd
? Vi=Vdd时：输出为低电平,
其中 Ron为 Me的导通电阻。为了使 Vol足够低，要求
Ron与 Rl应有合适的比例。因次,E/R反相器为有比反
相器。
V d dRlR RV
on
on
on *??
V d d
V0
V s s
Vi
R
l
2013-3-1 30
二、增强型负载反相器（ E/E）
?饱和 E/E反相器
? Vi为低电平时,
? Vi为高电平时,
解之得,
ololteieoltlddl
el
VVVVVVV
II
])[()( 2 ??????
?
??
?
)(2
)(
2
tei
l
e VV
tlddV o l VV
?
?
?
?
?
tlddoh VVV ??
V d d
V0
V ss
Vi
Ml
Me
2013-3-1 31
令,
则,
?E/E非饱和负载反相器
? Vi为低电平时,Voh=Vdd
? Vi为高电平时,
l
er
?
?? ?
)(2
)( 2
teir
ol VV
tlddV VV
??
?
?
V dd
V0
V ss
Vi
Tl
Te
V gg
ololteieolddolddtlggl
el
VVVVVVVVVV
II
](2[)]()(2[ ) ????????
?
??
?
2013-3-1 32
因为,Vol<<Vdd,Vol<<2(Vgg-Vtl)-Vdd
所以,
一般情况下,ke=kl
所以,
)(2
])(2[(
)(2
])(2[
V t eVir
V d dV d dV t lV g g
V t eVi
l
e
V d dV d dV t lV g g
V o l
?
??
?
?
??
?
?
?
?
)/(
)/(
LW l
LW e
r ??
2013-3-1 33
?E/E反相器版图
VO
Vdd
Vss
Vi
V d d
V0
V ss
Vi
Ml
Me
2013-3-1 34
三,耗尽负载反相器（ E/D）
? 栅漏短接的 E/D反相器,
工作情况与 E/E非饱和负载反相器特性相同，
这里不再介绍了。
Vdd
V0
Vs s
Vi
Tl
Te
Vs s
V0
Vi
Vdd
Tl
Te
2013-3-1 35
? 栅源短接的 E/D反相器
?Vi为低电平时,
Te截止,Idsl=Idse=0,Voh=Vdd
?Vi为低电平时,
因为,V0为低,Te非饱和,Tl饱和,
所以,
? ?? ? ? ?? ?
? ?
teir
ol
d s ed s l
ld s l
olteieololteied s e
VV
tl
V
II
tl
I
VVVVVVVI
V
V
?
??
?
??
?????
?
?
??
2
22
2
2
?
2013-3-1 36
E/D反相器也是有比反相器
Vd d
V0
I d s l
Vi
Cl
I d s l
V 0
Vd d + Vt l Vd d
β
V
2
tl
2013-3-1 37
?E/D反相器版图
V
i
V
dd
V
ss
V
o
V s s
V0
Vi
V dd
2013-3-1 38
四,CMOS反相器
? Vi为低电平时,Tm截止,Tp导通,Voh=Vdd
? Vi2为高电平时,Tn导通,Tp截止,Vol=0
Vi V0
Ip
In
Tp
Tn
2013-3-1 39
电流方程如下：设 Vtn=-Vtp
? ?
? ? ? ??
?
?
?
?
?
?
?
?
?????
??
?
??
? ?
????????????????
??????????????????????
?
???
?
线性
饱和
截止
VVVVVVVV
VVVVVV
VV
I
itn
n
tnitn
n
tni
n
tnitni
tni
0
22
0
2
02
2
00
?
?
? ?
? ? ? ?
?
?
?
?
?
??
?
?
?
?
?????
??
?
??
?
?
?????????????????
??????????????????????????
?
????
??
线性
饱和
截止
VVVVVVVVV
VVVVVVVV
VVVV
I
tpi
p
tpdditp
p
dditpdd
p
tpiddtpi
ddtpi
0
22
0
2
0
2
2
0
?
?
2013-3-1 40
? 0≤Vi<Vtn时,
n截止 p线性 （ Vi<vtn<v0+Vtp）
p管无损地将 Vdd传送到输出端,V0=Vdd,如图
a—— b段。
? Vtn≤Vi<V0+Vtp时,
n饱和 p线性 由 In=-Ip得,
如图 b—— c段
? ? ? ?tniddtpiVVV VVVVV
p
n
tpio ??? ????
22
?
?
2013-3-1 41
? V0+Vtp≤Vi≤V0+Vtn时,
n饱和 p饱和 由 In=-Ip得,
V0与 Vi无关，称为 CMOS反相器的域电压，如图
c—— d段。
? V0+Vtn<Vi≤Vdd+Vtp时,
n线性 p饱和 由 In=-Ip得,
如图 d—— e段 。
? ?
pn
V tpV d dpV tnnVi
??
??
?
???
? ? ? ?V d dV t pViV t nVi npV t nViV ??? ???? 220 ??
2013-3-1 42
? Vdd+Vtp<Vi≤Vdd时,
n线性 p截止
V0=0 如图 e—— f段。
V0
Vi
Vdd
Vt h
a - - - - b
b - - - - c
c - - - - d
d - - - - e
e - - - - f
2013-3-1 43
? CMOS反相器有以下优点,
（ 1）传输特性理想，过渡区比较陡
（ 2）逻辑摆幅大,Voh=Vdd,Vol=0
（ 3） 一般 Vth位于电源 Vdd的中点，即 Vth=Vdd/2，
因此噪声容限很大。
（ 4）只要在状态转换为 b—— e段时两管才同时导
通，才有电流通过，因此功耗很小。
（ 5） CMOS反相器是利用 p,n管交替通、断来获
取输出高、低电压的，而不象单管那样为保证
Vol足够低而确定 p,n管的尺寸，因此 CMOS反
相器是 Ratio-Less电路。
2013-3-1 44
?CMOS反相器的域值电压 Vth,为了有良
好的噪声容限，应要求 Vth=Vdd/2,
如果,β n=β p,Vtn=|Vtp|,
则有,Vth=Vdd/2。
所以,为了满足 β n=β p,就要求,
Kn(Wn / Ln)=Kp(Wp / Lp)
为了提高电路的工作速度，一般取
Lp=Ln=Lmin
则,Wp/Wn=μ n/μ p,即 p管要比 n管栅
宽 μ p/μ n倍。
2013-3-1 45
?CMOS反相器版图
Vi
Vo
P o l y
Di f f
Al
c on
P 阱
Vi
Vs s
Vo
Vdd
Vdd
Vs s
2013-3-1 46
?各种反相器小结：希望反相器的过渡区
越陡越好,CMOS反相器最接近于理想
反相器。
R/ E
Vdd Vi
Vdd
Vdd- Vt
V ol
Vo
理想波形
CM OS
反相器
E/ D
反相器
R/ E
反相器
E/ E
饱和负载
第三章 器件设计技术
2013-3-1 2
第一节 引言
集成电路按其制造材料分为两大类：
一类是 Si（ 硅 ）, 另一类是 GaAs（ 砷化
镓 ） 。 目前用于 ASIC设计的主体是硅材
料 。 但是, 在一些高速和超高速 ASIC设
计中采用了 GaAs材料 。 用 GaAs材料制成
的集成电路, 可以大大提高电路速度, 但
是由于目前 GaAs工艺成品率较低等原因,
所以未能大量采用 。
2013-3-1 3
Si l i co n Ga As
ASIC
Bi po l o er F ET Log i c
……
Bi ppl er
MOS
E C L / C ML T T L II L N MO S PMOS MN O S
C MO S
C MO S/ SOS H SMOS Met al G at e V MO S
C M O S
2013-3-1 4
1、在双极型工艺下
ECL/CML,
Emitter Coupled Logic/Current Mode Logic
射极耦合逻辑 /电流型开关逻辑
TTL,Transistor Transistor Logic
晶体管 -晶体管逻辑
, Integrated Injection Logic
集成注入逻辑
LI2
2013-3-1 5
2、在 MOS 工艺下
NMOS,PMOS,
MNOS,Metal Nitride（ 氮 ） Oxide Semiconductor
(E)NMOS与 (D)NMOS组成的单元
CMOS,Metal Gate CMOS
HSCMOS,High Speed CMOS （ 硅栅 CMOS）
CMOS/SOS,Silicon on Sapphire
（ 兰宝石上 CMOS,提高抗辐射能力 ）
VMOS,Vertical CMOS（ 垂直结构 CMOS
提高密度及避免 Latch-Up效应 ）
2013-3-1 6
3,GaAs集成电路
? GaAs这类 Ⅲ -Ⅴ 族化合物半导体中载流子的迁移
率比硅中载流子的迁移率高, 通常比掺杂硅要高
出 6倍 。
? GaAs是一种化合物材料, 很容易将硅离子注入
到 GaAs中形成 MESFET（ Metal Semi-conduction
Field Effect Transistor） 的源区与漏区, 且由注
入 深 度 决 定 MESFET 的 类 型 。 注 入 深 度 在
500~1000 时是增强型, 而 1000~2000 时是耗
尽型 。
? 从工艺上讲 GaAs的大规模集成也比较容易实现 。
目前 GaAs工艺存在的问题是它的工艺一致性差,
使其制造成品率远远低于硅集成电路 。
?A?A
2013-3-1 7
第二节 MOS晶体管的工作原理
MOSFET（ Metal Oxide Semi-conduction Field
Effect Transistor）,是构成 VLSI的基本元件。
简单介绍 MOS晶体管的工作原理。
一、半导体的表面场效应
1,P型半导体
图 1 P 型半导体
2013-3-1 8
2,表面电荷减少
图 2 表面电荷减少
2013-3-1 9
3、形成耗尽层
图
3
形成耗尽层
耗尽层 （高阻区）
2013-3-1 10
4、形成反型层
图 4 形成反型层
反
型
层
2013-3-1 11
二,PN结的单向导电性
自建电场和空间电荷
E
自
E
外
P N
2013-3-1 12
?PN结的单向导电性
O
V
I
正向
反向
2013-3-1 13
三,MOS管的工作原理
P- Si
衬底
S
G
D
E ds
Ids
2013-3-1 14
?Vgs<Vt 晶体管截止
?Vgs?Vt n，设 Vgs保持不变。
（ 1）当 Vds=0时,S,D之间没有电流 Ids=0。
（ 2） 当 Vds>0时,Ids由 S流向 D,Ids随 Vds变化基
本呈线性关系。
（ 3）当 Vds>Vgs-Vtn时，沟道上的电压降（ Vgs-
Vtn） 基本保持不变，由于沟道电阻 Rc正比于沟
道长度 L,而 Leff=L-?L变化不大,Rc基本不变。
所以,Ids=(Vgs-Vtn)/Rc不变，即电流 Ids基本保
持不变，出现饱和现象。
（ 4） 当 Vds增大到一定极限时，由于电压过
高，晶体管被雪崩击穿，电流急剧增加。
2013-3-1 15
第三节 MOS管的电流电压
一,NMOS管的 I~V特性
推导 NMOS管的电流 —— 电压关系式,
设,Vgs>Vtn,且 Vgs保持不变,
则：沟道中产生感应电荷, 根据电流的定义有,
其中,
?电子平均传输时间
栅下感应总电子电荷数 QcI d s ?
V
L
电子运动速度
沟道长度??
2013-3-1 16
V=?n*Eds ?n为电子迁移率（ cm2/v*sec）
Eds=Vds/L 沟道水平方向场强
代入,V=（ ?n*Vds） /L
代入,
?有了，关键是求 Qc,需要分区讨论,
dsn V
L
?? ??
2
2013-3-1 17
（ 1） 线性区,Vgs-Vtn>Vds
设,Vds沿沟道区线性分布
则：沟道平均电压等于 Vds/2
由电磁场理论可知,Qc=Co?Cox ? Eg?W?L
其中,
tox 为栅氧厚度
Co为真空介电常数
Cox为二氧化硅的介电常数
W 为栅的宽度
L 为栅的长度
t ox
V d sV tnV g sEg 2/)( ???
2013-3-1 18
令,Cox=(Co?Cox)/tox 单位面积栅电容
K= Cox ? ?n 工艺因子
β n=K(W/L) 导电因子
则,Ids=β n[(Vgs-Vtn)-Vds/2]Vds
—— 线性区的电压 -电流方程
? 当工艺一定时,K一定,β n与（ W/L） 有关。电
子的平均传输时间 ?∝ L2。
? ?
? ? V d s
V d s
V t nV g s
L
WCC
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V t nV g sCC
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2
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2013-3-1 19
（ 2） 饱和区,Vgs-Vtn<Vds
?Vgs-Vtn不变,Vds增加的电压主要降在△ L上，由
于△ L??L,电子移动速度主要由反型区的漂移运
动决定。所以，将以 Vgs-Vtn取代线性区电流公式
中的 Vds得到饱和区的电流 —电压表达式,
L
S D
V ds
V ds -( V gs - V t n)
V gs - V t n
? ?
2
2
V t nV g s
I nds
?
? ?
2013-3-1 20
（ 3）截止区,Vgs-Vtn≤ 0 Ids=0
（ 4）击穿区：电流突然增大，晶体管不能正常
工作。
| Id s |
输出特性曲线
| V ds |0
线性区
饱和区
| V g 5 |
|V g 4 |
|V g 3 |
|V g 2 |
|V g 1 |
V g s- t< 0
2013-3-1 21
转移特性曲线
0 V t V gs
转移特性曲线
Ids
2013-3-1 22
二,PMOS管 I~V特性
电流 -电压表达式,
线性区,Isd=β p|Vds|(|Vgs|-|Vtp|-|Vds|/2)
饱和区,Isd=(β p/2)(|Vgs|-|Vtp|)2
- Vg s
G
N- Si
衬底
S
D
I s d= - I d s
Id s
Vd d
P P
- Vd s
2013-3-1 23
? MOS管版图
G
S D
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第四节 反相器直流特性
? NMOS管,Vtn>0 增强型 Vtn<0 耗尽型
PMOS管,Vtp<0 增强型 Vtp>0 耗尽型
? 按负载元件：电阻负载、增强负载、耗尽负载和互补负载。
? 按负载元件和驱动元件之间的关系：有比反相器和无比反
相器。
负
载
元
件
驱
动
元
件
V0
Vd d
Vi
Vss
2013-3-1 25
（ 1） N沟增强,
D
G
S
N+ N+
P-- Si
S
G
D
V d s
V g =V t
Ids
V g s
Vt
Ids
2013-3-1 26
(b)N沟耗尽,
D
G
S
N+ N+
P-- Si
S
G
D
V ds
V g=V t
Ids
V gsVt
Ids
V g=0
2013-3-1 27
（ C） P沟增强,
D
G
S
P+ P+
N- - Si
S
G
D
V ds (-)
V g=V t
Ids (- )
V gs (-) Vt
Ids (- )
2013-3-1 28
（ d） P沟耗尽,
D
G
S
P+ P+
N- - Si
S
G
D
V d s (-)
V g =V t
Id s (-)
V g s (-) Vt
Id s (-)
V g =0
2013-3-1 29
一、电阻负载反相器（ E/R）
? Vi为低时：驱动管截止，输出为高电平,Voh=Vdd
? Vi=Vdd时：输出为低电平,
其中 Ron为 Me的导通电阻。为了使 Vol足够低，要求
Ron与 Rl应有合适的比例。因次,E/R反相器为有比反
相器。
V d dRlR RV
on
on
on *??
V d d
V0
V s s
Vi
R
l
2013-3-1 30
二、增强型负载反相器（ E/E）
?饱和 E/E反相器
? Vi为低电平时,
? Vi为高电平时,
解之得,
ololteieoltlddl
el
VVVVVVV
II
])[()( 2 ??????
?
??
?
)(2
)(
2
tei
l
e VV
tlddV o l VV
?
?
?
?
?
tlddoh VVV ??
V d d
V0
V ss
Vi
Ml
Me
2013-3-1 31
令,
则,
?E/E非饱和负载反相器
? Vi为低电平时,Voh=Vdd
? Vi为高电平时,
l
er
?
?? ?
)(2
)( 2
teir
ol VV
tlddV VV
??
?
?
V dd
V0
V ss
Vi
Tl
Te
V gg
ololteieolddolddtlggl
el
VVVVVVVVVV
II
](2[)]()(2[ ) ????????
?
??
?
2013-3-1 32
因为,Vol<<Vdd,Vol<<2(Vgg-Vtl)-Vdd
所以,
一般情况下,ke=kl
所以,
)(2
])(2[(
)(2
])(2[
V t eVir
V d dV d dV t lV g g
V t eVi
l
e
V d dV d dV t lV g g
V o l
?
??
?
?
??
?
?
?
?
)/(
)/(
LW l
LW e
r ??
2013-3-1 33
?E/E反相器版图
VO
Vdd
Vss
Vi
V d d
V0
V ss
Vi
Ml
Me
2013-3-1 34
三,耗尽负载反相器（ E/D）
? 栅漏短接的 E/D反相器,
工作情况与 E/E非饱和负载反相器特性相同，
这里不再介绍了。
Vdd
V0
Vs s
Vi
Tl
Te
Vs s
V0
Vi
Vdd
Tl
Te
2013-3-1 35
? 栅源短接的 E/D反相器
?Vi为低电平时,
Te截止,Idsl=Idse=0,Voh=Vdd
?Vi为低电平时,
因为,V0为低,Te非饱和,Tl饱和,
所以,
? ?? ? ? ?? ?
? ?
teir
ol
d s ed s l
ld s l
olteieololteied s e
VV
tl
V
II
tl
I
VVVVVVVI
V
V
?
??
?
??
?????
?
?
??
2
22
2
2
?
2013-3-1 36
E/D反相器也是有比反相器
Vd d
V0
I d s l
Vi
Cl
I d s l
V 0
Vd d + Vt l Vd d
β
V
2
tl
2013-3-1 37
?E/D反相器版图
V
i
V
dd
V
ss
V
o
V s s
V0
Vi
V dd
2013-3-1 38
四,CMOS反相器
? Vi为低电平时,Tm截止,Tp导通,Voh=Vdd
? Vi2为高电平时,Tn导通,Tp截止,Vol=0
Vi V0
Ip
In
Tp
Tn
2013-3-1 39
电流方程如下：设 Vtn=-Vtp
? ?
? ? ? ??
?
?
?
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?
?
?
?????
??
?
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? ?
????????????????
??????????????????????
?
???
?
线性
饱和
截止
VVVVVVVV
VVVVVV
VV
I
itn
n
tnitn
n
tni
n
tnitni
tni
0
22
0
2
02
2
00
?
?
? ?
? ? ? ?
?
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?
?
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?
?
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?????????????????
??????????????????????????
?
????
??
线性
饱和
截止
VVVVVVVVV
VVVVVVVV
VVVV
I
tpi
p
tpdditp
p
dditpdd
p
tpiddtpi
ddtpi
0
22
0
2
0
2
2
0
?
?
2013-3-1 40
? 0≤Vi<Vtn时,
n截止 p线性 （ Vi<vtn<v0+Vtp）
p管无损地将 Vdd传送到输出端,V0=Vdd,如图
a—— b段。
? Vtn≤Vi<V0+Vtp时,
n饱和 p线性 由 In=-Ip得,
如图 b—— c段
? ? ? ?tniddtpiVVV VVVVV
p
n
tpio ??? ????
22
?
?
2013-3-1 41
? V0+Vtp≤Vi≤V0+Vtn时,
n饱和 p饱和 由 In=-Ip得,
V0与 Vi无关，称为 CMOS反相器的域电压，如图
c—— d段。
? V0+Vtn<Vi≤Vdd+Vtp时,
n线性 p饱和 由 In=-Ip得,
如图 d—— e段 。
? ?
pn
V tpV d dpV tnnVi
??
??
?
???
? ? ? ?V d dV t pViV t nVi npV t nViV ??? ???? 220 ??
2013-3-1 42
? Vdd+Vtp<Vi≤Vdd时,
n线性 p截止
V0=0 如图 e—— f段。
V0
Vi
Vdd
Vt h
a - - - - b
b - - - - c
c - - - - d
d - - - - e
e - - - - f
2013-3-1 43
? CMOS反相器有以下优点,
（ 1）传输特性理想，过渡区比较陡
（ 2）逻辑摆幅大,Voh=Vdd,Vol=0
（ 3） 一般 Vth位于电源 Vdd的中点，即 Vth=Vdd/2，
因此噪声容限很大。
（ 4）只要在状态转换为 b—— e段时两管才同时导
通，才有电流通过，因此功耗很小。
（ 5） CMOS反相器是利用 p,n管交替通、断来获
取输出高、低电压的，而不象单管那样为保证
Vol足够低而确定 p,n管的尺寸，因此 CMOS反
相器是 Ratio-Less电路。
2013-3-1 44
?CMOS反相器的域值电压 Vth,为了有良
好的噪声容限，应要求 Vth=Vdd/2,
如果,β n=β p,Vtn=|Vtp|,
则有,Vth=Vdd/2。
所以,为了满足 β n=β p,就要求,
Kn(Wn / Ln)=Kp(Wp / Lp)
为了提高电路的工作速度，一般取
Lp=Ln=Lmin
则,Wp/Wn=μ n/μ p,即 p管要比 n管栅
宽 μ p/μ n倍。
2013-3-1 45
?CMOS反相器版图
Vi
Vo
P o l y
Di f f
Al
c on
P 阱
Vi
Vs s
Vo
Vdd
Vdd
Vs s
2013-3-1 46
?各种反相器小结：希望反相器的过渡区
越陡越好,CMOS反相器最接近于理想
反相器。
R/ E
Vdd Vi
Vdd
Vdd- Vt
V ol
Vo
理想波形
CM OS
反相器
E/ D
反相器
R/ E
反相器
E/ E
饱和负载
