2022年2022年半导体物理刘恩科答案

1、精选学习资料 - - - 欢迎下载第一题：摩尔定律：一个芯片上的晶体管数目大约每十八个月增长一倍；噪声容限：为了使一个门的稳固性较好并且对噪声干扰不敏锐,应当使“0”和“ 1”的区间越大越好；一个门对噪声的灵敏度为由低电平噪声容限nm l 和高电平噪声容限 nm h 来度量的,它们分别量化了合法的“0”和“ 1”的范畴,并确定了噪声的 最大固定阈值：nm l =vil - volnm h =voh - vih沟道长度调制：在抱负情形下,处于饱和区的晶体管的漏端与源端的电流为恒定的,并且独立于在这两个端口上外加的电压；但事实上导电沟道的有效长度由所加的v ds 调制：增加v ds 将使漏结的耗尽

2、区加大,从而缩短了有效沟道的长度；开关阈值：电压传输特性（vtc ）曲线与直线vout=vin 的交点；扇入：一个门输入的数目；传播延时：一个门的传播延时tp 定义了它对输入端信号变化的响应有多快；它表示一个信号通过一个门时所经受的延时,定义为输入和输出波形的50% 翻转点之间的时间；由于一个门对上升和下降输入波形的响应时间不同,所以需定义两个传播延时； tplh 定义为这个门的输出由低至高翻转的响应时间,而tphl 就为输出由高至低翻转的响应时间；传播延时tp 定义为这两个时间的平均值：tp=t plh +tphl /2 ；设计规章：定义设计规章的目的为为了能够很简单地把一个电路概念转换成硅

3、上的几何图 形；设计规章的作用就为电路设计者和工艺工程师之间的接口,或者说为他们之间的协议；设计规章为指导版图掩膜设计的对几何尺寸的一组规定；它们包括图形答应的最小宽度以及在同一层和不同层上图形之间最小间距的限制与要求；速度饱和效应：对于长沟mos 管,载流子满意公式：= - x ；公式说明载流子的速度正比于电场,且这一关系与电场强度值的大小无关；换言之,载流子的迁移率为一个常数；然而在（水平方向）电场强度很高的情形下,载流子不再符合这一线性模型； 当沿沟道的电场达到某一临界值c 时,载流子的速度将由于散射效应（即载流子间的碰撞）而趋于饱和；建立时间：在时钟翻转之前数据输入必需有效的时间；规律

4、努力：一个规律门的规律努力告知我们,当假定这个规律门的每一个输入只代表与一个反相器相同的输入电容时,在产生输出电流方面它比这个反相器差多少；或相当于说, 规律努力表示一个门与一个反相器供应相同的输出电流时它所表现出的输入电容比反相器大多少；时序规律电路：电路的输出不仅与当前的输入数据有关,而且也与输入信号以前的值有关；流水线：流水线为一项提高资源利用率的技术,它增加了电路的数据处理量；我们在规律块精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载之间插入寄存器,这使得一组输入数据的运算分布在几个时钟周期中；这一运算过程以一种装配线的形式进行,因此得名流水线；其次题： 功耗来源有3 点:1动态功耗

5、:由电容充放电引起的功耗;2短路功耗或交变功耗:由于电源和地的直接通路引起的功耗;3静态功耗 : 由漏电引起 、主要包括pn 结反偏漏电和亚阈值漏电；精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载动态功耗的表达式为：pdyn=c l v2, c及 f；精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载dd f；可见要减小动态功耗可以减小v ddl1） 减小v dd,可以采纳降低电压摆幅的方法,用nmos代替pmos ,利用阈值缺失,使pdyn=cl v dd（ v dd-vt ）f；v dd 降低为实现低压低功耗设计的有效方法,但为v dd 降低,会影响电路性能,例如噪声干扰作用会增大；2） 减低

6、 cl ,包括本征电容.扇出电容.及引线电容；合理设计版图,减小寄生电容；3） 降低 f,频率降低会影响系统性能,因此要折中考虑；第三题：第四题： a n mos:v gs=2.5v , v ds =2.5v 1）夹断饱和i d=k /2w/lvgs-v t21+ v ds=115 ×10-6/22.5-0.43 21+0.06×2.5=283.3 a2）考虑速度饱和效应；由于v min=minv gs-v t, vdsat ,v ds= v dsat=0.63v2i d=k w/lvgs-v t v dsat -v dsa t /21+ v ds =146apmos:v

7、gs= -0.5v ,v ds= -1.25v 夹断饱和, 且由于 vmax=maxv gs-v t,v dsat ,v ds= v gs-v t并未达到速度饱和id=k /2w/lvgs-v t 21+v ds =30 ×10-6 /20.5-0.4 21+0.1×1.25=0.17ab n mos:vgs=3.3v ,v ds=2.2v 1）如不考虑速度饱和,就晶体管工作在线性区精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载2i d=k w/lv gs-v t v ds -v ds /2=115 ×10-6 3.3-0.432.2-2.2 2/2=447.8

8、a如加上够到长度调制效应i d=k w/lv gs-v t v ds -v ds 2/2 1+ v ds精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载=447.81+0.06=447.8 ×1.132=507a2.×2精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载2）考虑速度饱和,由于vmin =minv gs-v t , v dsat , v ds= v dsat =0.63v晶体管速度饱和id =k w/lvgs-v t v dsat -v dsat 2/2=185 a2如加上够到长度调制效应i d= k w/lvgs-v tv dsat -v dsa t /2 1+

9、v ds=185 ×1.132=209.4apmos:v gs= -2.5v ,v ds= -1.8v1）如不考虑速度饱和,就晶体管未发生夹断,工作在线性区线性i d=k w/lv gs-v t v ds -v ds2 /2=30 ×10-62.5-0.41.8-1.8 2/2=64.8 a精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载如加上够到长度调制效应id=k w/lv gs-v tv ds-v=64.8 ×1.18=76.5a2ds /2 1+ vds精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载2）考虑速度饱和,由于vmax=maxv gs-v t, v

10、 dsat , v ds= v dsat =-1v晶体管速度饱和id =k w/lvgs-v tv dsat -v dsat 2/2=48 a如加上够到长度调制效应i d=k w/lv gs-v t v ds -v ds2/2 1+ v ds=48 ×1.18=56.6a第五题：a范畴为从 0.4v 到2.07v ；由于 pmos 为一个弱下拉器件,nmos 为一个弱上拉器件； b对于一个输入从0v 到2.5v 的翻转,从电源获得的能量为：pmos 管将会关断,nmos 管的能量损耗将为：对于一个输入从2.5v 到0v 的翻转, nmos 管将会关断,从电源处没有获得能量；pmos器

11、件上的能量损耗为：c当输入为高电平.电容充电时, pmos 器件关断, nmos 速度饱和； 总的电压范畴为从0.4v 到2.04v ,所以中点为1.24v ；我们可以用平均电流的方法来近似运算tplh ；对于速度饱和的 nmos 管：精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载求解 v=0.4v 和v=1.24v 时的电流,求平均产生一个平均电流值：404a ；然后：d当v out到达 voh 时, pmos 将深度截止；因此我们只考虑nmos ；我们可以用数表达阈值电压方程如下：这个方程只有一个变量,可以解出v tn=0.8v第六题： 建立时间可以为负值,保持时间为3 个反相器的推迟时间

12、之和,推迟时间为x放电时间加1 个反相器的推迟时间；faddpdyn=cl v2第七题：上沿触发寄存器（正寄存器）将正.负latch 位置调整,可变为负沿触发寄存器当时钟处于低电平常,t1 导通 t2 关断,输入d 被采样到节点qm 上；在此期间,t3和 t4 分别关断和导通；交叉耦合的反相器（i5 , i6 ）保持从锁存器的状态；当时钟上升到高电平常,主级停止采样输入并进入维护状态；t1 关断 t2 导通,交叉耦合的反相器i2 和i3 保持 qm 状态；同时,t3 导通 t4 关断, qm 被复制到输出q 上；第八题：时钟偏差和抖动的来源：1 时钟信号的产生本身就会引起抖动：时钟产生电路对器件的本征噪声和电源电压的变化敏感,噪声会引起时钟信号的临时转变,并不经过滤的通过时钟驱动器传播到触发器,从而引起周期至周期的时钟周期变化2 器件制造过程中的偏差：由于工艺的偏差,使得在不同路径上缓冲器的器件参数也不尽相同,从而引起静态时钟偏差3 互连偏差：互连线垂直和横向尺度的偏差造成芯片上互连电容和电阻的不同,从而造成不同路径间的时钟偏差4 电源电压： 供电变化为造成时钟抖动的主要缘由,经过缓冲器的延时与电源电压亲密相关,由于它直接影响晶体管的驱动才能5 温度：芯片上各处功耗不同,造成温度梯度,影响器件参数,所