（电路与系统专业论文）基于浮栅MOS器件的数字电路设计研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 随着集成电路技术的发展，传统的基于单一晶体管功能的硅集成电路，出现了很多 困难的、急待解决的问题，而浮栅m o s 晶体管( f l o a t i n g g a t em o s ) ，作为一种新型高功 能度的单元晶体管，为解决集成电路中晶体管数目及互连线增多带来的问题提供了一种 有效的途径。本论文主要对浮栅m o s 器件的工作原理、特性及s p i c e 模型等进行了分析， 在此基础上，以开关一信号理论为指导，提出了基本门电路、四值编一译码电路、施密 特触发器、d 锁存器以及d 触发器等电路的开关级设计。 利用浮栅m o s 器件实现了基本门电路以及四值编一译码电路的设计，文中给出了详 细的设计方法、性能分析，并对所设计的电路进行了h s p i c e 模拟，结果表明所设计的 电路功能正确，与以往设计相比，这些电路具有结构简单，延迟较小，完全可以采用标 准的双层多晶硅酬o s 工艺参数予以实现等特点。 将浮栅m o s 器件的控阚技术用于施密特触发器的设计中，设计出了与传统c m o s 器件 设计相比结构更简单、功耗更低的施密特触发器，并且进一步提出了外部可控回差的施 密特触发器的设计。这种通过改变外部电压值调整回差电压大小的方法比以往的方法更 为方便实用。 提出了基于浮栅m o s 器件的d 锁存器以及d 触发器的电路设计，并以寄存器和计数器 为例，介绍了d 触发器的应用。对所设计的电路均进行z h s p i c e 模拟，结果表明所设计 的电路逻辑功能正确，并通过与以往设计的对比可以看出，浮栅m o s 器件在时序电路的 设计中具有很大的应用潜力。 关键词：浮栅m o s 晶体管，控阈技术，开关一信号理论，编码一译码电路，施密特触发 器，d 触发器 塑望查兰堡主堂堡兰苎 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ei c ( i n t e g r a t e dc i r c u i t ) t e c h n o l o g y , m a n yp r o b l e m sh a v e o c c u r r e df o rt h et r a d i t i o n a ls i l i c o ni cb a s e do ns i n g l et r a n s i s t o rf u n c t i o n a san e wa n d f u n c t i o n a lt r a n s i s t o r , f l o a t i n g g a t em o sp r o v i d e su sa t 3e f f e c t i v ew a yt os o l v et h ep r o b l e m s r e s u i t e df r o mt h ei n c r e a s eo f t h en u m b e ro f t r a n s i s t o r sa n dt h ei n t e r c o n n e c t i o n s i nt h i sp a p e r , b a s e do na n a l y s i so ft h ed e v i c e sw o r kt h e o r y , c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h es p i c em o d e lf o rt h i s d e v i c e ，u s i n gt h es w i t c h - s i g n a lt h e o r y , s o m en e wd e s i g n so f t h ed i g i t a lc i r c u i ma ts w i t c hl e v e l ， s u c ha sb a s i cg a t ec i r c u i t s 、t h ee n c o d e r - d e c o d e rc i r c u i t s 、s c h r n i t tt r i g g e r 、dl a t c ha n dd f l i p - f l o p ，a r ep r o p o s e d b a s i cg a t ec i r c u i t sa n dt h ee n c o d e r - d e c o d e rc i r c u i t sb a s e do nf l o a t i n g g a t em o sa r e d e s i g n e d t h ed e t a i l e dd e s i g nm e t h o d sa r eg i v e n t h e ya r es i m u l a t e db yh s p i c e t h er e s u l t s s h o wt h e s ec 沁血sh a v ec o r r e c tl o g i cf u n c t i o n c o m p a r e d 、i t l lt h ep r e v i o u sd e s i g n t h e s e c i r c u i t sh a v et h ea d v a n t a g e so fs i m p l ec o n f i g u r a t i o n , l o wp r o p a g a t i o nd e l a y t h e yc a nb e i m p l e m e n t e db yas t a n d a r dd o u b l e - p o l y s i l i c o nc m o sp r o c e s s b a s e do nt h et h r e s h o l d c o n t r o l l a b l e t e c h n i q u e ，an e ws i m p l es c h n f i t tt r i g g e ru s i n g f l o a t i n g g a t em o s i sp r o p o s e d a n dm o r e ，w ep r o p o s ean e w d e s i g nw h o s ev o l t a g eh y s t e r e s i s c a l lb ea 由u s t e db ye x t e r n a lc o n t r o l l i n gv o l t a g e c o m p a r e dw i t ht h ep r e v i o u sd e s i g n , t h e a d j u s t i n gm e t h o do f t h i sd e s i g ni sm o r ec o n v e n i e n ta n dp r a c t i c a b l e dl a t c ha n ddf l i p - f l o pc i r c u i t su s i n gf l o a t i n g - g a t em o sa r ed e s i g n e d i no r d e rt o i n t r o d u c et h ea p p l i c a t i o no fdf l i p - f l o p ，w ed e s i g nt h er e g i s t e ra n dc o u n t e rb yd f l i p f l o p s t h e ya r es i m u l a t e db yh s p i c e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e s ec i r e u i t sh a v ec o r r e c tl o g i c f u n c t i o n t h e yh a v eg o o df u t u r ei nt h ed e s i g no f t h es e q u e n t i a lc i r c u i t s k e y w o r d s ：f l o a t i n g g a t em o s ，t h r e s h o l d - c o n t r o l l a b l et e c h n i q u e ，s w i t c h - s i g n a lt h e o r y , e n c o d e r d e c o d e rc i r c u i t , s c h m i t tt r i g g e r , df l i p - f l o p 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 浮栅m o s 器件是上世纪九十年代初提出的一种具有单个器件功能性强、阈值控制灵 活等特点的新型电子器件“。该器件可以采用标准的双层多晶硅c m o s 工艺制造，在神经 网路、模拟电路、二值数字电路和多值逻辑电路的设计中已显现出了良好的应用前景， 对它的研究日益受到重视甜。 1 1 研究背景 1 1 1 浮栅n o s 的提出背景 在过去的几十年里，微电子技术，特鄹是硅集成电路技术取得了非常惊人的进步， 其表现之一是使用m o s 器件的集成电路逐渐成为主流，改变了集成电路主要使用双极型 器件的局面”6 。m o s 器件具有尺寸小、功耗低等优点，特别是它与数字电路的主流工 艺兼容，这对系统级芯片( s o c ) 的实现有重要意义。大规模集成电路，超大规模集成电 路，甚大规模集成电路等新技术的出现，给人类社会带来了天翻地覆的变化。 但是，随着集成电路技术向超深亚微米技术的发展，电路中的芯片越来越小，而晶 体管的数量则越来越多，集成度按摩尔定律持续且稳定地增长。为了实现更多更强的功 能，就需要更多的器件，就要提高集成度，换言之，就是要减小器件的尺寸。但是现在 随着器件尺寸的减小，相当多严重的问题也陆续暴露出来，使得器件在功能及稳定性方 面遇到了几个很严重的限制。例如热载流子注入、载流子速度饱和、量子涨落、散热等 问题会影响芯片性能的稳定性和可靠性。另外，在集成电路中连接晶体管的连线随着集 成度的提高，其长度大量增加且直角布线的增加更给集成电路的设计与制造提出了许多 困难的、急待解决的问题。如越来越多的多级连线，布线，信号延迟，各种寄生干扰等。 所有这些限制因素的出现，源于u l s t 系统功能的实现，都是基于单一晶体管功能，即栅 浙江大学硕士学位论文 控制电压高于阈值电压则器件导通，反之则截止这一事实。为了继续保持集成效率不断 提高的趋势，并开发现有工艺加工设备的内在潜力，必须在器件和电路的设计概念上有 新的突破，通过开发具有更多功能的新器件，同时在大规模逻辑电路的算法和结构方面 创造新的技术，使完成同样的逻辑功能所需的器件减少。例如日本东北大学的柴田直博 士和大见忠弘博士两位教授于1 9 9 1 年提出的一种具有新功能的单元晶体管一浮栅m o s 晶 体管以及关于浮栅m o s 器件逻辑设计方法的研究7 “。本文所研究的对象即为浮栅m o s 器 件。 1 1 2 研究现状 自从1 9 9 1 年浮栅m o s 晶体管问世以来，以日本为主，先后有几个国家和地区的学者 参与了这一领域的研究工作，并且从近几年所发表的论文来看，参与研究的人员有逐步 扩大的趋势”。 国外：以日本为主，先后有芬兰、美国等几个国家的研究人员参与浮栅m o s 应用的 研究领域。研究内容主要是浮栅m o s 的特性研究、逻辑电路设计方法、面向智能化电子 系统尤其是神经网络系统的应用、高速低功耗d a 转换器、采用浮栅m o s 实现低压模拟 电路的方法、采用浮栅m o s 实现多输入差分运算放大器、多输入跨导运算放大器和四象 限乘法器等等。 国内：有论文报道的主要有上海交通大学微电子所、清华大学微电子所、西安理工 大学等。所报道的研究内容主要有：神经元m o s 晶体管的综述、电阻耦合型神经m o s 晶体管的提出、开关共点耦合神经元m o s 晶体管的提出、低压四象限模拟乘法器的设计 以及浮栅m o s 的s p i c e 模型研究等等。 综上所述，我们可以看到，目前对浮栅m o s 器件的研究主要集中在神经网络和模拟 电路方面，对其在二值数字电路和多值逻辑电路中的应用研究还比较少。就二值数字电 浙江大学硕士学位论文 系统的设计方案 i f r - t t lo 本论文正是在深入分析浮栅m o s 器件工作原理、特性等的基础上 对该器件在二值数字电路和多值逻辑电路设计中的应用进行了研究。 1 1 3 研究趋势4 卅 总结目前诸多的有关浮栅m 0 s 的研究成果，结合该器件自身的特点，可以看出浮栅 m o s 器件当然最适于在神经电路和神经网络系统中应用，但又不仅限于此。在其后的发 展中，还要充分利用浮栅m o s s 件多输入且阈值灵活控制的特点，开发出适时可编程的 面向神经网络和其它信号处理系统的单元电路、大输入范围的低压低功耗的模拟电路、 具有简单结构的二值数字电路以及多值逻辑电路等等，从而使得这种高功能度的新型器 件真正成为u l s i 设计中的主流。 1 2 本文的主要研究内容 鉴于前人的研究，浮栅m o s 器件的优点已被证实，其应用前景也被看好。本文的主 要研究内容是对该器件的工作原理、特性及s p i c e 模型等进行了分析。在此基础上，以 开关一信号理论为指导，对一些常用的数字电路进行了基于浮栅m o s 器件的新型设计。 主要包括与、或、异或等基本门电路的设计，基于开关理论的四值编一译码电路的设计， 开关级施密特触发器、d 锁存器、d 触发器的设计以及其在时序电路中的应用。以上设计 均给出了详细的设计方法、性能分析以及与以往设计做了比较，从而得出结论。 1 。3 本文结构 本文首先介绍了浮栅m o s 器件的提出背景、研究现状及研究趋势等，其次，对该器 件的基本结构、工作原理、特性及s p i c e 模型等方面做了详细的介绍。其后，本文基于 浮栅m o s 器件设计了一系列常用的数字电路，并通过t h s p i c e 验证，证明了这些设计逻 浙江大学硕士学位论文 辑功能正确，与以往设计相比更具优势。最后，本文对整个研究内容做了相关总结，并 对其后的发展进行了展望。 本文各章节结构如下： 第一章，绪论。简单介绍了浮栅m o s 器件的提出背景、研究现状及研究趋势等。 第二章，浮栅m o s 器件的分析。包括该器件的基本结构、工作原理、特性及s p i c e 模型等的详细介绍，并通过h s p i c e 模拟验证其最大优点一多输入且阈值可控。 第三章，开关级设计理论。简单介绍了浮栅m o s 电路开关级设计的理论基础：开关 一信号理论。 第四章，基于浮栅m o s 器件的组合电路的设计。包括与、或、异或等基本门电路的 设计以及基于开关理论的四值编一译码电路的设计。给出了详细的设计方法、性能分析 以及与以往设计相比较，从而得出结论。 第五章，基于浮栅m o s 器件的施密特触发器的设计。包括施密特触发器以及外部可 控回差的施密特触发器的设计方案、性能分析以及与以往设计相比较得出的结论。 第六章，基于浮栅m o s 器件的时序电路的设计。包括d 锁存器、d 触发器的设计以及 其在时序电路中的应用。同样给出了详细的设计方法、性能分析以及与以往设计相比较 得出的结论。 第七章，总结与展望。对本文研究内容进行总结与展望。 浙江大学硕士学位论文 第二章浮栅m o s 器件的分析 鉴于第一覃所述的浮栅m o s 的研冤现状和研究趋势，我们可以看到该器件具有厂阔 的应用前景。本文中对一些常用数字电路所提出的新型设计，均是基于浮栅i d o s 器件的， 所以对该器件的结构、性能及s p i c e 模型等方面的深入研究是十分必要的。在本章中， 将分几个方面对浮栅m o s 器件进行比较全面地分析。 2 1 浮栅m o s 器件的基本结构及性能 2 1 1 浮栅m o s 晶体管的简介 浮栅m o s 晶体管是具有高功能度的多输入栅控制m o s 管，这种器件能计算多个输入信 号的加权和，并且以这个加权和来控制晶体管的导通和截止。由于这种器件的结构和功 能非常类似于人工神经单元模型，故又被称为神经m o s 晶体管”( n e u r o n - - m o s ) 1 。 2 1 2 浮栅m o s 晶体管的基本结构 图2 1 所示为n 沟浮栅m o s 晶体管的结构、版图及符号。其中版图为双层多晶硅c m o s 工艺下的版图。浮栅和多个输入栅极均为多晶硅，浮栅与输入栅极之间的绝缘层为氧化 层。 浙江大学硕士学位论文 厂i n 接触孔 二= = 二= 多晶硅1 # 二二二二= 耋晶硅2 # = j = 二= j 扩散区 多输入惭 ffk i 厂一 图2 1 浮栅m o s 晶体管结构图、版图及符号 g 】h c ? h g o h g n 叫 d 为了方便讨论浮栅m o s 晶体管的工作原理，其电学参数定义如图2 2 所示。 图2 2 浮栅m o s 晶体管的电学参数定义 b 假设各栅极输入端与浮栅之间的耦合电容为c 。，c ：，c 。浮栅与村底之间的 电容为c 。，各电容上的存储电荷为q l ，奶，q 。根据图2 2 ，我们可以知道，在 忽略漏极与源极的电容时，浮栅上的净电荷量( 用幺表示) 为 n 月 月 q ，= q 0 + ( q ) = c f ( 咋一) = 咯c 。g ( 2 1 ) j - oi - o，m f ；0 假设浮栅在工作中没有电荷注入，那么绋等于浮栅上的初始电荷量。为了简化公 式，假设初始电荷为o ，源和村底接地，即k = k = 0 ，则浮栅上的电位( 用咋表示) 为： 浙江大学硕士学位论文 k ：刍竖鱼垦：刍二 ( 2 2 ) 。m r 式中，c 商= e 通过式2 2 ，我们可以清楚地看到浮栅m o s 晶体管一个最重要的特性，即浮栅电压k 是所有输入信号的加权求和，各个信号的权重由各个电容的耦合系数决定。 我们用。来表示从浮栅端看进去的管子的阈值电压，那么当 。时，浮栅m o s 晶体管导通；反之，就截止。由此可见，晶体管是否导通是由所有的输入端电压共同决 定的。那么浮栅m o s 晶体管开通的条件由下式给出： 业姿螋 。 c 巾r ”。 ( 2 3 ) 也司以写成： p 鲁 鲁卜专k ( 2 。) 由式2 4 我们还可以看到，如果将m 看作是输入电压，其它都看作是控制电压的话， 那么从第一个栅( 也即唯一的输入栅) 看进去的闽值( 用。表示) 即为： = 百c t o t 。一导心一鲁k ( 2 5 ) 很明显，。是控制电压的和耦合电容函数。也就是说，浮栅m o s 晶体管是多输入 控制器件，并且通过改变控制电压k k ，或是耦合电容c 1 ，c ：，c 。的 值，就可以改变其阈值。这就是浮栅m o s 晶体管和普通m o s 晶体管的最重要的不同之处， 也是其最大的优点。利用这个优点，我们可以在电路设计中更加的灵活自如。 2 1 3 浮栅m o s 互补管的基本结构 当然，为了降低功耗，提高速度，采用互补结构的浮栅m o s 晶体管是必要的，其结 浙江大学硕士学位论文 构如图2 3 所示，图中同时给出了它的版图和用于电路设计中的表示符号陋1 ”。由图2 3 可以看出，在该互补型浮栅m o s 晶体管中，n 沟和p 沟器件共用一个浮栅。 ( a ) v 1 0 一 o - - i 拓。f 始。一 w o - q 亿t ( c ) 坫w f 图2 3 互补型浮栅m o s 器件结构简图、版图和符号 图2 4 ( a ) 所示为由p 沟道浮栅m o s 管和n 沟道浮栅m o s 管构成的互补型浮栅m o s 反相 器，反相器各输入端电压和电容耦合系数如图2 4 ( b ) 所示，图中c 。和c 。分别为浮栅 与衬底和浮栅与n 阱之间的电容，它们主要由栅氧化层电容c 。构成。下面我们将主要分 析一下该互补型浮栅m o s 反相器的工作原理。 踞一 一 陈一 巧hr ( a ) 电路 ( b ) 电容模型 图2 4 互补型浮栅m o s 反相器 浙江大学硕士学位论文 反相器浮栅上的电压( 用表示) 为 c ，k + c 。， = 专l 一 c ，+ c 。p 十c 。 ( 2 6 ) 我们用来表示由浮栅端看进去的反相器的阈值电压( 开关电压) 那么当心 时，反相器导通：反之，就截止。 如果将k 看作是输入电压，其它都看作是控制电压的话，那么从第一个栅( 也即唯 一的输入栅) 看进去的阈值( 用k + 表示) 即为 ：c 百+ c o t 一+ c o 鲁一鲁卜一鲁_ 眨， 即从k 输入端看进去的阈值电压是控制端电压和耦合电容的函数。因此，电路设计 时可以保持不变( 例如可取z 2 ，以获得高的噪声容限) ，通过改变电容耦合 系数之间的比例关系或改变控制端电压来调整电路相对输入信号的开关闽值。图2 4 ( a ) 所示的反相器是构成浮栅m o s 数字电路的基本结构，其它逻辑功能的实现本质是改变该 反相器相对于输入信号的阈值。 2 1 4 浮栅m o s 器件的性能分析 在浮栅m o s 器件中，浮栅电压在多个电容上进行加权和操作，是利用电容的耦合效 应，通过“电压型”方式实现的，因此静态时输入端也没有电流流入。但是由于浮栅的 电势不仅是处于高电乎或低电平两种状态，因此可能存在有其中一个管子导通而另一个 管子处于微导通状态的情况，这样就存在有从电源到地的较小电流，从而导致静态功耗 会稍有增加。但总体来说，整个过程中的功率损耗主要还是发生在输入端电容的充放电 过程中，这比通过“电流型”实现加权和的方式有很大的优越性。另外，虽然浮栅m o s 浙江大学硕士学位论文 器件的输入端加入了很多电容，但由于它们和m o s 管本身的寄生电容是串连关系，所以 对速度的影响不大。并且由于浮栅m o s 器件自身的特点，可以简化电路结构，节省芯片 面积，更有利于实现高密度集成n 8 3 。 尽管作为单个电路单元时，浮栅m o s 电路和普通c m o s 电路相比，速度会稍有下降， 功耗会稍有增加，但是当实现同一功能的两个电路相比较时，在适当选择输入端电容的 情况下，由于结构简单，浮栅m o s 电路的速度甚至要高于c m o s 电路的速度。从计算精度、 速度和电源电压三方面来看，浮栅狮s 电路的输入端子数越多，电容所占面积越大，芯 片面积会相应增加，并且电路的计算精度和速度也会有所降低。另外，在器件结构参数 和工艺条件相同的情况下，电源电压越低，器件所能达到的最大输入端子数则越少。所 以，在具体设计电路时，应根据电路的实际要求精度和器件的工艺精度来权衡输入端子 数的多少。 2 2 浮栅m o s 器件的等效电路模型 电路的仿真能为电路设计提供制作前的验证手段，然而在s p i c e 模型库中并没有现 成的可供调用的浮栅m o s 的模型，因此建立浮栅m o s 的电路模型能为设计浮栅m o s 电路 提供方便的模拟手段。下面将对其常用的两种电路模型n 8 1 一电容模型和s p i c e 模型作 个介绍。 浮栅m o s 晶体管以及互补管的电容等效模型如图2 5 所示。 1 4 浙江大学硕士学位论文 吒巧 上上 吒珞吒 吒 吒 ( a ) 浮栅m o s 晶体管的电容模型( b ) 浮栅m o s 互补管的电容模型 图2 5 浮栅m o s 晶体管及互补管的电容模型 另一种更为常用的电路模型是浮栅m o s 晶体管以及互补管的s p i c e 模型，如图2 6 所示。该模型为浮栅m o s 电路的h s p i c e 模拟提供了依据。 巧叫 晖一 厶 一 u n d 2 ) 采用t s m c0 3 5 i m 双层多晶硅c m o s 工艺参数，对图4 2 ( a ) 所示电路经_ h s p i c e 模拟得 到其瞬态特性如图4 3 所示。模拟结果验证了所提出设计方案的正确性。 浙江大学硕士学位论文 4 2 2 或门 图4 3 浮栅m o s 与门的瞬态特性 或逻辑也是二值逻辑中最基本的逻辑之一，下面将基于浮栅m o s 器件的阈值控制技 术，实现或逻辑的简单设计。 浙江大学硕士学位论文 表4 2 所示为或逻辑的真值表。其中b 和b o 是二值输入信号，b u 是二值或逻辑 输出信号。和与逻辑设计类似，一级浮栅m o s 电路具有反相功能，因此对反相输出信号 _ _ _ 一一 的设计更加容易。因此，表4 2 中同时也列出了二值反相输出信号b ，u b 。为了方便综 合，表中还引入了中间变量，它反映了b ，和6 0 输入端的高电平数日( 对应的电压值需 考虑加权系数) 。 表4 2 或逻辑真值表 占1 占l u 占o5 1 u 岛 00 0 0l o ll1 0 10110 11 2 lo 由表4 2 可以看出，仅在两输入岛和6 0 都为0 的时候，b 。t o b 0 的值为1 ；其它情况下 而均为o 。即当 o 5 时，b 1l - j b o = o ( 即 输出低电平) 。因此，产生丽信号的开关闽值可设置为固定闽值o 5 。所以，可以得 到如下的传输运算表达式： b 】u b o = 1 o5 撑0 净o5 ( 4 2 ) 同样，上式中的低阈运算和高阈运算分别表示用p 沟道浮栅m o s 管来传输逻辑1 和用n 沟道浮栅) , i o s 管来传输逻辑0 。由此得到的电路如图4 4 ( a ) 所示。 凸1 6 0 占l u 占0 图4 4 ( a ) 基于浮栅m o s 器件的或门设计( = 2 ) 浙江大学硕士学位论文 图