半导体器件期终复习

1、期终复习ECL电路中双极型器件的等比例缩小1) 等比例缩小原则: 一致地减小主要的电阻与电容部分, 以使主要延迟部分随晶体管的横向尺寸等比例缩小, 保证器件在等比例缩小时的优化设计基本不变 (rb/RL 和CDE/CdBC的比值保持不变).其它限制:(1)与MOSFET不同, 等比例缩小时开启电压基本保持不变(2)集电极掺杂浓度应随集电极电流等比例缩小, 以控制等比例缩小时基区扩展效应.(3)在基区宽度缩小时,必须增加基区的掺杂浓度(NB WB-2), 以等比例减小WdBE, 避免发射区与集电区的串通.(1)集电极电流密度限制等比例缩小规则要求集电极电流密度和集电极掺杂浓度增加K2(2)器件击

2、穿导致的限制较高的速度,但击穿电压却较小, 限制了器件的应用.(3) 功率密度引起的限制等比例缩小过程中, 电流及电压保持不变,导致功率保持不变或功率密度增加K2. 这导致器件等比例缩小时的芯片功耗增加K2.CMOS器件在备用状态功耗极小, 而ECL电路在备用状态则与处于开关状态消耗同样的功率.极大的平均功耗极大限制了双极电路的集成度.等比例缩小的限制MOS电容MOSFET器件、设计与性能MOSFET基本特性表MOS场效应管的特征场效应管的特征双边对称：电学性质上源漏可相互交换。单极性：一种载流子参与导电。高输入阻抗：栅和其他端点之间不存在直流通道。电压控制：输入功率很低而有较高的输出能力。自

3、隔离：不同晶体管之间由于背靠背二极管的作用(1) 线性区的电流电压特性 dstgoxeffdsoxBaSiBfbgoxeffdsVVVLWCVCqNVVLWCI)()42(oxBaSiBfbtCqNVVWhere42阈值电压VtMOSFET的电流-电压特性(2) 饱和区的电流电压特性 mVVLWCIIWtCCCqNmwhereVmVVVLWCItgoxeffdsatdsdmoxoxdmoxBaSidsdstgoxeffds2)(3114/12)(22体效应系数：短沟道MOSFETs短沟道效应速度饱和效应沟道调制效应源漏串联电阻MOSFET击穿沟道长度减小，导致电流增大，而本征电容变小。短沟道效

4、应：)( 1)(21()1 ()1 (2/100TGSsatTGSlflfsatDSatDSatDSsatDSatlfVchchlfDDSatDSsatDSlfVchchlfDVVLvVVLvVVVLvVLdVQWIVVLvVLdVQWIDSatDS/2(2)SiaBbstbsoxqNVdVdVC速度饱和效应阈值电压调制)(2)(2TGSDSDSDSTGSoxDVVVVVVVLWCI短沟道阈值电压的表达式（扩散电流为主）与长沟道器件相比：aiaSidmmWLdsbibitdmoxoxdmSitWLdsbibidmoxtNqnNkTWeVmVWtCWmeVWtVdmoxdm202/0)3(2/)

5、/ln(4)() 1(831/1)(24为避免过量的短沟道效应，CMOS器件中衬底或阱里的掺杂必须保证最小的沟道长度是Wdm的两到三倍，或大于源与漏端的耗尽层宽度之和。恒场等比例缩小的最重要结论： 当器件尺寸和工作电压等比例缩小时，电路速度等比例增加，而单个器件的功耗减小k2倍。阈值电压阈值电压：一般认为阈值电压应等比例缩小（因工作电压降低）但对硅工艺，材料的相关参数并不变化，因此Vt一般并不缩小。可通过衬底正偏或沟道区非均匀掺杂来调制阈值电压。oxbsBasiBfbtCVqNVV)2(22常用的等比例缩小：) 1(;1kSizekSizeEE CMOS 器件设计 阈值电压的优化阈值电压的优化

6、阈值电压和关断电流难以取得平衡(Vt/Ids)阈值电压与电源电压及器件性能之间的矛盾（Vt/Vdd)阈值电压与耗尽层厚度及体效应系数之间的矛盾(Vt/Wdm/m)2)(2 (2)()2)(2 (21202ssiasBssidmoxsassisasBasioxsfbtNNqqNWCxNNqNNqqNCVVl 非均匀掺杂非均匀掺杂: 如xs趋于表面，同时NS较大，可以增加Vt而几乎不改变W0dmCMOS沟道剖面CMOS设计工艺限制与系统兼容的要求，需要对电路参数进行优化对一给定的技术水平，并没有唯一的设计方法，而是给出器件参数选择的总体思路。为控制短沟道效应，最大耗尽层宽度Wdm： Lmin/mW

7、dm2亚阈值斜率2.3mkT/q及衬底灵敏度dVt/dVbs=m-1随m增大而变差，并导致低的饱和电流。m1.5氧化层电场Emax决定最小的氧化层厚度tox电源电压与阈值电压的趋势阈值电压低限由关断电流决定： Vt 0.4V，高限由电路延迟或性能决定：VtVdd/4如Vdd较大， 0.4V VtVdd/4，阈值电压容易选择当短沟道尺寸变小电源电压减小时，就需要在漏电流和器件速度之间选择。导致Vdd并不随L成比例缩小，而Vt也不随Vdd等比例减小。高的Vdd/L使设计空间急剧变小。当Vdd小于2V时，漏电流与器件延迟之间的平衡就非常必要。CMOS 反相器在任何一个状态, 仅有一个晶体管导通, 没

8、有静态电流与功率消耗.CMOS反相器的传输特性Vout-Vin 曲线的高到低转变区的陡峭度反映了数字电路 的性能. 高低转变点发生在中点: Vin=Vdd/2IP=IN Wp/Wn=In/IpA-C, nMOSFET工作在饱和区, pMOSFET工作在线性区B-D, pMOSFET工作在饱和区, nMOSFET工作在线性区延迟对电源电压和阈值电压的影响)/()(ddonddswVVKVfR电源电压与阈值电压设计平面中的功率与延迟的折衷mkTqVddoffddoffddacteIWVIWVPfCVP/02;int();swinoutddddswnnswppnnppRCCVVRkRkW IW IB

9、JT和MOSFET的比较输入阻抗跨导: 输入电压变化造成输出电流的变化量1()1()()()inG SG DinjB EscB EjB EscB EG SG DZF E TjCCZrB JTjCCCCCC ()22()/()2.5/502()20.026outoutoutmininVoxGSTDSatDSatmGSTDDCmCmDSatmDDIigVvWCVVIIgFETLVVVIgBJTkTqIgBJTkTqIgMOSFETV速度功耗: MOSFET的功耗远小于快速BJT制造的工艺: MOSFET的工艺步骤较少，成本较低总结: MOSFET集成电路较BJT电路具有优势。 BJT具有较大的跨导，适合于大负载情形。()()2()()()2