集成电路设计基础：04 MOS逻辑集成电路

1、MOS逻辑集成电路晶粒測試及切割 長 晶晶圓切割設計導線架 測試 封裝 製造 光罩 晶圓 光罩設計邏輯設計封 裝化學品 CADCAE材料設備儀器資金人力資源服務支援貨運海關科學園區1804 15 45 36 8 4 19成品測試基板 15这一节主要对MOSFET作一简要复习。MOSFET是一种表面场效应器件，是靠多数载流子传输电流的单极器件。一、MOSFET的基本结构：Chapter 1 导论1-1 MOSFETn+n+SGDWLBPLMOS衬底电极S：源极 G：栅极D：漏极载流子：SD阈值电压VT： S表面达到强反型时的VGS栅源电压：VGS漏源偏置电压：VDS二、MOSFET的基本类型按导

2、电沟道中的载流子的类型n沟：衬底为P型 VDS0P沟：衬底为n型 VDS0由于导电沟道是反型层，故与衬底的类型是相反的按VGS0时是否存在导电沟道无 增强型有 耗尽型因此，MOSFET共有4种基本类型 电学符号 转移特性 输出特性GDSID已有导电沟道VTVGSVT0VT0VGS- 0 +VT+VGSVTIDVDSGDSVDS0VGS- 0 +IDVDS VTVGS=0 - 0IDGDSVDS0VTVGS- 0 +IDVTVGSVT PMOS：VDSVGSVT 即：VDS 大饱和 VDS再增加，IDS也不变 非饱和区： VDS 小非饱和 IDSk2（VGSVT）VDSVDS2 条件：NMOS：

3、VDSVGSVT12 MOS IC的主要特点一、 MOSFET的主要特点 1、MOSFET是电压控制元件功耗小 2、MOSFET之间自然隔离工艺更简单，面积可以做得更小 3、可以多层布线便于元件的紧凑排列和版图的布局设计 4、单元面积小组成基本逻辑门电路和触发器等所用的MOS管较少，因此，完成一定逻辑功能的电路所占的芯片面积小，特别适和大规模集成。二、NMOS的特点 1、np，速度快 2、VTn较低，VDD小，易于与双极型电路匹配 3、工艺复杂，问世较PMOS晚 随着工艺水平的不断提高，NMOS电路得到了广泛应用。我们也只讨论NMOS，所以除CMOS外，不再标出符号中的衬底电极三、分析方法的特

4、点 1、多子器件：瞬态分析时主要考虑电容的充放电，无少子存贮效应 2、压控器件：主要是电容负载问题Chapter2 NMOS IC 倒相器是MOSIC中最基本的单元电路，输入管总是EMOS。因为EMOS在0输入下保持截止，不需要额外的电压偏置电路。前级输出电平的范围与后级要求的输入电平范围是一致的，故前后级可以直接连接，使电路简化。21 MOS倒相器一、一般形式：ViVDDVo负载元件驱动元件（输入管）(a) （b） （c）ViVo二、分类：根据负载分类电阻负载倒相器（E/R）增强负载倒相器（E/E）耗尽负载倒相器（E/D）互补负载倒相器（CMOS）按负载与输入管之间的关系分类有比反相器无比反

5、相器VOHVDDVoLRELRON输入高电平时，T1导通，其导通电阻为RON，REL为负载的等效电阻 那么：为了保证VOL足够低，RON和REL必须保持一定的比例，这就是有比反相器VoViVolVOH理想情况下VOL0不需要两个管子保持一定比例，这就是无比反相器三、性能指标 1、输出特性： 导通时：ION，VON（VOL）； 截止时：IOFF，VOFF（VOH） 2、传输特性：输出电压与输入电压的关系 3、直流噪声容限 4、直流功耗 5、瞬态特性 6、占用芯片面积 7、工艺难度和兼容性22 E/R MOS倒相器一、输出特性ViIDGSDRLTIVLVoVDS把TI等效为可变电阻Rmos,当Vi

6、=0,TI截止,RmosRc，则VoVDDVOH当ViVDDVT时，TI导通，电阻为RON下面求Ron： 这时VDSVGSL-VT TL永远饱和忽略衬底偏置效应，认为TL的源与衬底同电位，那么VTIVTLVT。(实际上VB=0，VS=VO)在TL的输出特性上连接VGSLVDSL各点，得TL的伏安特性曲线5040302010 02 4 6 8 10 12由于TL的跨导小，所以线较密负载线的方程为IDSLKL（VDSLVTL）2抛物线VGSL13V121110 9 8 7 6 VTL3.5VVDSL（V）ID（uA） TL的输出特性500400300200100 40 02 4 6 8 10 12

7、VL13V 987654 ID（uA）VO（V）TI的跨导大，线稀把负载线画到TI的输出特性曲线中IDSLIDSIIDVOVDDVDSL方程为IDKL（VDDVTVO）21210 8 6 4 2 0 2 4 6 8 10 12VO（V）Vi（V） 倒相器的输出特性根据上图的交点可得到电压传输曲线:特点：1、高电平最大值为VDD-VTL 2、TI跨导 TL跨导 低电平 过渡区越窄二、特性分析1、输出特性： TL永远饱和：IDSLKL（VGSLVTL）2KL（VDSLVTL）2 KL（VDDVOVTL）2 抛物线 导通状态：VOVDDVTL 导通电流：IONKL（VDDVTL）2 （VDDVTL）

8、gml 导通电压：VONVOLIDSI（ron）非饱 截止状态：VOFFVOHVDD VTL IOFF忽略ViVDDGGDTIDVoSSTL2、传输特性：讨论的是输出电压与输入电压的关系 前面由图解法已经得出电压传输曲线，要分析传输特性，实质是写出这个曲线的曲线方程。由于饱和区和非饱和区的电流方程是不同的，所以必须进行分区。由于TL总是饱和的。所以主要根据TI的饱和情况进行分区 前面已经讲了怎样判断TI是否饱和： ViVTVo 非饱和 可见分区线是ViVTVo 因为只有Vi VT时，TI才导通，所以还有一根线是ViVT1210864 2 02 4 6 8 10 12ViVTVo（V）Vi（V）

9、VDDVTViVTVOTI、TL饱和TI非饱和TL饱和这样，就把电压传输曲线分成了三个区区：ViVTVo ViVT TI 非饱和区：ViVTVT TI 饱和 区：ViVT TI 截止3、直流噪容：VoVi VOHVOHminVOLmax VOLVNMLVNMH0 VOL VIL VIH VOHVIL：最大输入低电平，关门电平VIH： 小 高 开低电平噪容：VNMLVILVOL高电平噪容：VNMHVOHVIH逻辑摆幅：VLVOHVOL过渡区宽度：VWVIHVIL 计算方法：VIL用区方程 VIH用区方程例题：N沟饱和负载E/E 倒相器， VDD=7v，VT=2v， R=25， 求其逻辑摆幅VL及VOHMIN=0.9VOH，VOLMAX=0.1VOH条件下的VNML和VNMH。（不考虑衬底偏置效应）。 4、瞬态特性 分析静态特性不考虑负载电流，IIIL。分析瞬态特性仅考虑负载电容的充放电。VoViVDDTLTIViVoVi的波形IDSKIVDS2