器件设计技术 引 言 集成电路按其制造材料分为两大类：一类是硅材料集成电路，另一类是砷化镓。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。 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 IIL：Integrated Injection Logic 集成注入逻辑 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） 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。此外，由于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 Semiconductor 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。 MOS晶体管的工作原理 MOS晶体管的全称为MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor），它是构成VLSI的基本元件，下面我们简单介绍MOS晶体管的工作原理。 半导体的表面场效应 在垂直于半导体表面的电场作用下，半导体表面层中的载流子数目会发生变化，从而使半导体的导电能力发生变化，这种效应称为半导体表面场效应。 1．图1是一块P型半导体，它体内的载流子——空穴的分布是均匀的。 2．在半导体表面上安装一块与之平行的金属板，并在金属板与半导体之间加一个电压，金属板与半导体之间就会产生一个与表面垂直的电场。如果金属板接正极，半导体接负极，在电场作用下，P型半导体表面的空穴被排斥到体内，表面空穴减少了。如图2所示。 3．随着电场强度的不断增强，表面空穴不断减少，当电场增强到一定值时，P型半导体表面层中的空穴几乎全部被赶走，使表面形成“耗尽区”，如图3所示。 4．如果电场再进一步增强，则不仅把半导体表面的空穴全部赶走。而且还从体内吸引一定数量的电子到表面层中去，从而使原来为P型的半导体表面变成了电子占多数的N型层，这个N型层被称为“反型层”，反型层的厚度会随外加电场的增强而变厚。如图4所示。 从上面的分析可以看出，半导体的导电能力随外加电压的变化而变化，MOS管正是利用这种表面场效应原理进行工作的。 PN结的单向导电性 自建电场和空间电荷 PN结两侧电子和空穴浓度相差悬殊，必定引起P区空穴和N区电子向对方扩散，结果在结区附近P型一侧形成一个由于空穴欠缺而呈现电离受主的负电荷区域，N型一侧形成一个由于电子欠缺而呈现电离施主的正电荷区域。这个具有正负电荷的区域叫做空间电荷区。空间电荷区内存在着由N型区指向P型区的电场叫做自建电场。它将阻止电子和空穴的扩散运动，当达到动态平衡时，PN结就具有了一定宽度的空间电荷区及自建电场。 PN结的单向导电性 在PN结上加上外加电场，PN结两边的电位差将发生变化，从而破坏了原来的平衡。正向偏置下（P接正，N接负），消弱了自建电场，在PN结面外发生载流子的注入效应，形成扩散电流。反向偏置下（P接负，N接正），加强自建电场，PN结界面处发生少子的抽取作用，即P区和N区少子只要扩散到PN结边界，立即被结内强大电场拉向对方，形成反向电流，但很快趋于饱和。 三、MOS管的工作原理 如图是一个NMOSFET的结构图，在一块杂质浓度较低的P型Si上，做两个高杂质的N型区作为S、D区，G为栅区由多晶硅制做，其下面是绝缘材料二氧化硅，S和D在制做上是完全对称的，它们分别与衬底形成一个PN结，两个PN结处于背靠背 状态，在未加栅电压时，即使有Vds，但S、D之间不会有电流通当过。 当栅极加正电压Vgs时，由于衬底接地，栅极与衬底之间产生了电场E。衬底中多数载流子空穴受电场E的作用而向下移动，形成耗尽层。 当栅极正电压进一步增加达到一定程度Vgs=Vth时，衬底中少数载流子——自由电子被吸引到衬底表面积累起来，形成反形层。这一反形层将S、D极连接起来形成导电层。该导电层相当于一个薄层电阻，其阻值大小与沟道几何形状及反型层中的载流子浓度有关。栅压越高，反型层越厚，阻值越小，导电性能就越好。因此，可以认为导电层相当于一个由栅电压控制的变阻器。使沟道表面反型的电压叫开启电压，一般Vth=0.2Vdd。 当Vgs>Vtn后，我们设Vgs保持不变。 Vds=0时，源漏之间不加电压时，沟道各处电场强度相等，沟道厚度均匀，S、D之间没有电流Ids=0。 当Vds>0时，源漏之间加电压时，沟道变得不均匀了。在S端，由于Vs=0，栅极与S极之间仍保持Vgs的电位差，而在D端，电位升为Vd，栅极与漏极之间的电位差只有Vgs-Vds了，电场强度变弱了，反型层也变薄了。由于沟道上有了一个电场Eds，因此，沟道中的自由电子在Eds的作用下，由S流向D，形成了电流Ids，Ids随Vds变化基本呈线性关系。 当Vds继续增加到Vds>Vgs-Vtn时，在D端，栅极与衬底之间电位差Vgs-Vds<Vtn，不足以形成反型层了，这时出现沟道夹断。在Vgs-Vds=Vtn时，沟道开始夹断的地方叫夹断点。电子运动到夹断点处，进入耗尽区，在漂移作用下，被D极的高电位吸引过去。沟道夹断后，沟道上的电压降（Vgs-Vtn）基本保持不变，大部分电压降在耗尽区的高阻区上Vds-(Vgs-Vtn)，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。 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。 MOS管的电流电压 上一节我们讨论了晶体管工作的四个区：截止区、线性区、饱和区及击穿区，这一节我们定量地分析一下晶体管在这四个区工作情况，并给出电流、电压表达式，称为电流电压特性。 MOS管的I~V特性： 下面我们推导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： Ids=（栅下感应总电子电荷数Qc）/（电子平均传输时间(） 其中：(=(沟道长度L)/（电子运动速度V） 而： 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： (=L2/（(n×Vds） (有了，关键是求Qc，需要分区讨论： （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： t ox 为栅氧厚度， Co 为真空介电常数， W 为栅的宽度， Cox 为二氧化硅的介电常数， L 为栅的长度 令： Cox=(Co×Cox)/tox 为单位面积栅电容 K= Cox×(n 工艺因子 Βn=K(W/L) 导电因子 则：Ids=βn[(Vgs-Vtn)-Vds/2]Vds--------这就是线性区的电压、电流方程。 当工艺一定时，K一定，βn与（W/L）有关。在前面推导过程中我们发现，电子的平均传输时间(∝L2。因此，要提高晶体管的工作速度，就应尽量减小L。一般设计晶体管时L取为工艺允许的最小线宽。设计者可以通过改变W来改变βn的值，从而满足电路设计的要求。 （2）饱和区：Vgs-Vtn<Vds 当Vgs-Vtn=Vds时，沟道出现夹断，Vds进一步增加时，夹断点缓慢地向源极方向移动，沟道反型层两端电压保持为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： （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。 二、PMOS管I~V特性 P管的工作过程与N管是相似的，只是开启电压Vtp为负值，电流Ids也与N管电流方向相反。P管工作时的电压偏置条件如图所示，只要将前面推导的电流——电压表达式中加上绝对值符号就可以用于P管。 线性区：Isd=βp|Vds|(|Vgs|-|Vtp|-|Vds|/2) 饱和区：Isd=(βp/2)(|Vgs|-|Vtp|)2 反相器直流特性 MOS晶体管从工作原理上可分为两大类：增强型和耗尽型。 NMOS管：Vtn>0 增强型 PMOS管：Vtp<0 增强型 Vtn<0 耗尽型 Vtp>0 耗尽型 反相器的输出与输入反相，能执行逻辑“非”的功能，它是数字电路的基本单元，MOS反相器一般形式如图。其中驱动元件通常是增强型MOS管，以便级间耦和。负载元件有很多种形式：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，可分为有比反相器和无比反相器。 N沟增强： N沟耗尽： （c）P沟增强: (d)P沟耗尽: 一、电阻负载反相器（E/R） 如图为E/R反相器，若输入Vi足够低时，使驱动管截止，则输出的电平为高电平：Voh=Vdd 当输入电压Vi=Vdd时，输出低电平：Vol=(Ron/(Ron+Rl))×Vdd 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。 二、增强型负载反相器（E/E） 如图为E/E反相器，将负载管的栅极、漏极短接，其漏端始终处于夹断状态，故Ml工作在饱和区，这类反相器又称为饱和E/E反相器。 当Vi为低电平时，Me截止，反相器输出高电平比Vdd低一个开启电压。由于Ml管的漏端已经夹断，当Vo=Vdd-Vtl时，源端也夹断，Ml截止，所以：Voh=Vdd-Vtl。 当Vi为高电平时，Vol的值由下式决定： Il=Ie Βl(Vdd-Vtl-Vol)2= βe[2(Vi-Vte)-vol]Vol 解之得： 令： 则： 另一类E/E反相器为非饱和负载反相器，若Vgg>Vdd=Vtl，则Tl处于非饱和状态。 Vi为低电平时：Voh=Vdd Vi为高电平时：Il=Ie βl[2(Vgg-Vtl)-Vdd-Vol](Vdd-Vol)=βe[2(Vi-Vte)-Vol]Vol 因为：Vol<<Vdd, Vol<<2(Vgg-Vtl)-Vdd 所以：一般情况下，ke=kl, 所以： 即输出低电平Vol取决于Te及Tl两管的宽长比，要使Vol足够低，要求两管尺寸有一定比例，因此，E/E反相器也是有比反相器。 三、耗尽负载反相器（E/D） 耗尽负载反相器是以耗尽型晶体管作为负载管，E/D反相器也有两种形式，如图所示： 对于栅漏短接的E/D反相器，因负载管是耗尽型的，Vtl<0，虽然栅漏短接在一起，但漏端沟道仍是开启的，而源端电位不可能高于漏端电位（Vdd），因而源端也开启，负载管始终处于非饱和状态。因此，它的工作情况与E/E非饱和负载反相器特性相同，这里不再介绍了。 对于栅源短接的E/D反相器，栅源短接，但是由于Vtl<0，所以源端仍处于开启状态，漏端随Vo而发生变化： 当Vo≤Vdd+Vtl时，漏端夹断，Tl处于饱和状态： Ids1=βl(Vgl-Vtl-Vsl)= βl×Vtl2=const 当Vo>Vdd+Vtl时，漏端开启，Tl处于非饱和状态： Ids1=βl[(Vgl-Vtl-Vsl)2-(Vgl-Vtl-Vdl)2] =βl[Vtl2-(Vo-Vtl-Vdd)2] 当Vi为低电平时，Te截止，Idsl=Idse=0, Voh=Vdd 当Vi为低电平时，Vo为低，Te非饱和，Tl饱和， E/D反相器也是有比反相器。 瞬态：这种E/D反相器由于有较高的输出高电平（Voh=Vdd）和较快的上升速度。因此是目前最常用的反相器形式。当Vi由高变低时：Vo由低变高，Tl处于饱和状态，电流为βl×Vtl2很大，对负载Cl充电速度很快，使Vo上升很快。 CMOS反相器 如图所示为CMOS反相器。 Vi为低电平时： Tn截止，Tp导通，Voh=Vdd Vi为高电平时： Tn导通，Tp截止，Vol=0 下面我们通过电流方程的求解，给出此曲线。 电流方程如下：设 Vtn=-Vtp 0≤Vi<Vtn时： n截止 p线性 （Vi<Vtn<Vo+Vtp） p管无损地将Vdd传送到输出端：Vo=Vdd， 如图a——b段。 Vtn≤Vi<Vo+Vtp时： n饱和 p线性 由In= -Ip得： 如图b——c段。 Vo+Vtp≤Vi≤Vo+Vtn时： n饱和 p饱和 由In= -Ip得： Vo与Vi无关，称为CMOS反相器的域电压，如图c——d段。 Vo+Vtn<Vi≤Vdd+Vtp时： n线性 p饱和 由In= -Ip得： 如图d——e段。 Vdd+Vtp<Vi≤Vdd时： n线性 p截止 Vo=0 如图e——f段。 综上所述，CMOS反相器有以下优点： 传输特性理想，过渡区比较陡。 逻辑摆幅大：Voh=Vdd, Vol=0。 一般Vth位于电源Vdd的中点，即Vth=Vdd/2，因此噪声容限很大。 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。 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。 前面已经推导过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，如果假设：βn=βp，Vth=|Vtp|，则有：Vth=Vdd/2。所以为了满足βn=βp，就要求： 为了提高电路的工作速度，一般取Lp=Ln=Lmin， 则：Wp/Wn=μp/μn，即p管要比n管栅宽μp/μn倍。 以上我们介绍了各种反相器，下面我们做一个小结。如图所示是各种反相器的传输特性曲线比较，我们希望反相器的过渡区越陡越好，实际的各种反相器的过渡区是大不相同的，CMOS反相器最接近于理想反相器。