畢業(yè)設(shè)計(jì)論文英文翻譯譯文院（系）通信與信息工程系專業(yè)通信工程學(xué)生姓名彭梁鴻學(xué)號(hào)010210405指導(dǎo)教師劉爭(zhēng)紅職稱助教2005年6月28日畢業(yè)設(shè)計(jì)論文英文翻譯原文院（系）通信與信息工程系專業(yè)通信工程學(xué)生姓名學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師職稱助教2005年6月28日裝訂線集成電路器件與建模本章描述了半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的操作與模型。用半導(dǎo)體建模的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)去完成大量的數(shù)字集成電路器件上完全有可能的；對(duì)于數(shù)字集成電路的第一課程,那些單一化的模型在第31節(jié)中涉及到，就是那些有一定基礎(chǔ)的學(xué)生早先已經(jīng)接觸到的課程MOS晶體管其他的部分需要被復(fù)蓋當(dāng)有這個(gè)需要的時(shí)候。接下來(lái)的課程，或?qū)τ谙胍O(shè)計(jì)高速技術(shù)發(fā)展水平的電路以及深入理解二階分析將在整個(gè)章節(jié)中可能被學(xué)習(xí)。第32節(jié)描述PN節(jié)或兩極管。本章重點(diǎn)要求掌握一些模型設(shè)計(jì)中的寄生電容,比如節(jié)電容。第33節(jié)介紹了MOS晶體管和建模。對(duì)于本節(jié)的理解還依賴于32節(jié)中的理論基礎(chǔ)。35節(jié)中介紹了二極管及其建模。第311節(jié)中出現(xiàn)了一系列的模型設(shè)計(jì)和重要的公式。這一些摘要對(duì)那些對(duì)晶體管建模有較好基礎(chǔ)的讀者來(lái)說(shuō)相當(dāng)有用，可以幫助他們很好地理解本章內(nèi)容。最后，本章附錄中還介紹了一些小信號(hào)建模。31單一化的晶體管模型MOS晶體管圖31所示即為本文中將要講到的MOS管的符號(hào)標(biāo)志。MOS晶體管實(shí)際上四端口機(jī)器件。第四個(gè)終端機(jī)是一個(gè)基體連接。對(duì)于數(shù)字集成電路，這種N溝倒晶體管的基體連接幾乎總是大部分負(fù)極的集成電路電壓，并且不被明確地顯示。同樣地，基體連接對(duì)于P溝道晶體管將會(huì)被假定是正極的集成電路電壓,因此基體連接將不被顯示。對(duì)于一個(gè)N溝道的晶體管，源極電勢(shì)較低；漏極是另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)。而P溝道晶體管的情況剛好與之相反。如果一個(gè)MOS管的柵源電壓值接近為0V，則該管不能正常工作。這意味著該管不正?；虿淮嬖?。然而，N溝道晶體管的端口與地間的寄生電容將導(dǎo)致反向偏壓減小。當(dāng)估計(jì)瞬變現(xiàn)象延遲或當(dāng)門電路狀態(tài)改變時(shí)那些端結(jié)電容才會(huì)被考慮到。這些寄生電容會(huì)影響結(jié)點(diǎn)周邊的電路。在非線性范圍內(nèi)，結(jié)點(diǎn)反向偏壓增加時(shí)，結(jié)電容會(huì)隨之減小。當(dāng)偏壓為0V的時(shí)候，一個(gè)合理的近似法是采用06倍的大小代替總的結(jié)電容大小。在前一章中，結(jié)點(diǎn)內(nèi)外可以通過(guò)簡(jiǎn)單的方案規(guī)則近似估計(jì)出來(lái)，并且，在下一章中將繼續(xù)討論。事實(shí)上，P溝道晶體管中的結(jié)電容在結(jié)點(diǎn)與電源間，而非在結(jié)點(diǎn)與地之間，這對(duì)于數(shù)字電路來(lái)說(shuō)是很不合理的。結(jié)點(diǎn)電容可能仍然是通過(guò)結(jié)點(diǎn)與地之間的寄生電容近似得出。當(dāng)有效的柵源電壓大于0V時(shí)，MOS晶體管中的通路即可形成。對(duì)于一個(gè)N溝道晶體管來(lái)說(shuō)，則表明VEFVGSVTN0V當(dāng)VTN07V時(shí)。對(duì)于P溝道晶體管而言，則表明VEFVSGVTP0V當(dāng)VTP07V時(shí)。對(duì)于這種情況，大信號(hào)方程式描述了近似的NMOS管中的IV關(guān)系如下示IDUNWCOXVGSVTNVDSVDS2/2/L（31）當(dāng)VDSVEFF時(shí)和IDUNWCOXVGSVTN2/2L（32）當(dāng)VDSVEFF時(shí)。在這些方程式中，是電子的遷移率，它近似地等于05/。是門電容2MVSOXC每單位的面積，它是一個(gè)獨(dú)立過(guò)程參數(shù)。它的數(shù)值近似等于35對(duì)于一個(gè)06FF的過(guò)程來(lái)說(shuō)。W是晶體管的有效寬度，L則是晶體管的有效長(zhǎng)度。在數(shù)字電路中，M幾乎所有的晶體管都有一個(gè)最小限長(zhǎng)度值。這就意味著除了改變一種布局，唯一的設(shè)計(jì)途徑是改變晶體管的寬度。對(duì)于P溝道晶體管來(lái)說(shuō)，提供以上方法之外，還要在每個(gè)可變電壓前插入窄帶信號(hào)。例如，當(dāng)晶體管在工作范圍或飽和范圍時(shí)，不等式VDSVEFF變?yōu)閂DSVEFF。P遷移率變?yōu)?02。由經(jīng)驗(yàn)可知，我們只需要記住N溝道晶體管的等式，然后轉(zhuǎn)換2/MVS到P溝道晶體管的相應(yīng)等式，同時(shí)記住P溝道晶體管的電流總是從源極流向漏極（而N溝道晶體管的電流情況剛好與之相反）。當(dāng)N溝道晶體管的漏極與源極電壓很大時(shí)。等式32成立，而且晶體管的一個(gè)簡(jiǎn)單模型就是一個(gè)電流源，如圖32A所示。以上成立是在直流情況下。當(dāng)晶體管直流情況下，其模型如圖32所示，包含了寄生結(jié)電容和一個(gè)柵源電壓B能夠被用到。對(duì)于一個(gè)漏源電壓較大的晶體管來(lái)說(shuō)，電容器的值近似等于GSC。當(dāng)晶體管的漏源電壓不大時(shí)，的值約等于。當(dāng)漏源電壓未2/3OXWLCGSCOXWLCOXV知或可變時(shí)，也常取以上近似值。這些晶體管的門電容及前面提到的結(jié)電容常常是G集成電路中的寄生電容負(fù)載的最大來(lái)源。當(dāng)導(dǎo)線很長(zhǎng)時(shí)，寄生電容會(huì)導(dǎo)致金屬間的連接變得重要起來(lái)。電容和都是結(jié)點(diǎn)電容。這些電容關(guān)于反向偏壓跨過(guò)一個(gè)結(jié)點(diǎn)是高度非線性SBD的。它們與結(jié)點(diǎn)面積大約成正比關(guān)系。通常，每單位面積的結(jié)點(diǎn)電容在給定的IC0JC進(jìn)程中，任何一類型的當(dāng)其反向偏壓為0V時(shí)都是確定的。對(duì)結(jié)電容的非線性的一種普通的近似說(shuō)明就是用乘以06，即前面所提到的狀態(tài)。一種更為精確的計(jì)算結(jié)電容0JC面積及其解釋在本章下一節(jié)中將會(huì)提到。這一工具已經(jīng)廣泛應(yīng)用于CAD系統(tǒng)中。當(dāng)N溝道中漏源電壓很小時(shí)，則等式31可近似等效于以下兩式（33）DNOXGSTNDSWIVL或（34）SDSRI1NOXGSTNCL因此，直流情況下，晶體管的一種簡(jiǎn)單模型等效為如下圖33所示的電阻。當(dāng)瞬態(tài)影A響較大時(shí)，晶體管更為復(fù)雜的一種模型如33所示，它包含了振蕩結(jié)電容和柵源及柵B漏電容，可以應(yīng)用的電路。這些電容間的關(guān)系可近似地表示為。12GSDOXCWL當(dāng)這種等級(jí)的模型用到時(shí)，前面討論的簡(jiǎn)單模型就不再適合，這就需要一種更為準(zhǔn)確的模型，我們將在本章中作以介紹。當(dāng)一個(gè)晶體管的漏源電壓由很小逐漸增大或由很大逐漸減小時(shí)，晶體管可以近似地等價(jià)于下式（35）25DSNOXGSTNRWCVL這一近似等式將在下一章中得以證明。這僅僅是一種粗略的近似，但是假如振蕩電容可以估計(jì)得出來(lái)的話，則考慮到瞬態(tài)反應(yīng)的簡(jiǎn)單分析是很有用的。記下等式34和35的相同點(diǎn)和相異點(diǎn)。用MOS管建模時(shí)，很明顯要用到很多近似法。這些近似法需要被用到是因?yàn)榇嬖谥蔷€性運(yùn)算和許多有意義的第2規(guī)則的影響，而這些運(yùn)算和影響卻又很難準(zhǔn)確地預(yù)言和分析，尤其對(duì)于現(xiàn)代微型晶體管來(lái)說(shuō)，這種近似法更常用到。由于這些原因，數(shù)字電路的發(fā)展速度很少超出10到20的范圍。設(shè)計(jì)者們通常用保守的邏輯方法設(shè)計(jì)，并且過(guò)多地考慮了不準(zhǔn)確的建模。雙極晶體管通常用NPN雙極管去實(shí)現(xiàn)PNP雙極管電路的功能，NPN管的符號(hào)標(biāo)志如圖34所示?；鶚O電路給定如下（36）/BEBETTVVCSBSIEI當(dāng)和恒定時(shí)成立。CSI/SI是晶體管電流增益，其大小常在50到100之間。這種模型要求基極發(fā)射極電壓大于05V，并且集電極發(fā)射極電壓大于03V。如果前一條件不能滿足，則晶體管不能導(dǎo)電且不能在低頻下工作。如果后一條件不能滿足，則晶體管達(dá)到飽和。這些狀態(tài)將導(dǎo)致集成電路運(yùn)算操作變慢，從而增加額外的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)在基極集電極一塊，因此，很難出現(xiàn)較好的雙極性邏輯電路。預(yù)言雙極性邏輯電路的晶體管操作需要介紹一種更深程度的模型。然而，一種不完全的理解就從雙極性邏輯電路中最大的寄生電容是基極發(fā)射極間電容開始，這些電容值給定如下CDBMBTIGV當(dāng)/25TKQV，室溫條件下，并且B恒定，它大約與聯(lián)合增益頻率相反。因此，這些主要寄生電容與偏置電流成正比；當(dāng)偏置電流改變時(shí)，這些電流也隨之改變，改變的速率取決于邏輯電路偏置電流的大小。這些觀點(diǎn)在偏置電流較高時(shí)近似成立；隨著偏置電流的減小，結(jié)點(diǎn)電容就逐步取代寄生電容，并且電路工作速率也逐漸惡化。在第一規(guī)則直流分析中，常假定基極集電極電壓為07V，并且集電極電流近似地與發(fā)射極電流相等。這兩個(gè)因素有助于理解和計(jì)算工作中的電路。這種簡(jiǎn)單粗略的對(duì)MOS管和雙極性晶體管的描述已經(jīng)足夠我們進(jìn)行設(shè)計(jì)普通的IC電路了。要進(jìn)行更為復(fù)雜的數(shù)字IC電路的設(shè)計(jì)，這就要求我們準(zhǔn)確掌握本章中下一節(jié)將要介紹的深層次IC建模。另外，對(duì)于那些沒(méi)有晶體管建模知識(shí)基礎(chǔ)的讀者來(lái)說(shuō)，需要詳細(xì)到理解本章知識(shí)，必要時(shí)還需要反復(fù)閱讀書中的細(xì)節(jié)部分。本章后面的細(xì)節(jié)有用卻并非最重要的。32半導(dǎo)體和PN結(jié)半導(dǎo)體是一種石英晶體結(jié)構(gòu)狀的，有著自由電子和自由孔徑的物質(zhì),典型的半導(dǎo)體就是硅。這種物質(zhì)有4個(gè)原子價(jià)，表明了每一個(gè)原子價(jià)有4個(gè)自由電子可以和周圍的原子微粒共用，使形成共價(jià)的石英晶體。天然硅是一種純的石英結(jié)構(gòu),有著相等數(shù)量的自由電子和自由孔這些載流子即是自由電子或自由孔,它們能獲得足夠的能量去進(jìn)行熱騷動(dòng)以逃脫它們的束縛在室溫下,大約每立方厘米有15個(gè)載流子,即每立方米有1015個(gè)載流子溫度每增加C,數(shù)量大約增長(zhǎng)一倍1601如果硅中混進(jìn)了不純的物質(zhì)這種不純的物質(zhì)元素是5價(jià)元素,則每一個(gè)微粒有一個(gè)自由電子多余這些自由電子用以形成導(dǎo)電流。一個(gè)5價(jià)的物質(zhì)通常被認(rèn)為是硅的捐電子,故常被稱為捐電子者典型的代表就是磷和砷這些物質(zhì)又常被稱為N型摻雜物,因?yàn)樗鼈兊妮d流子使得它們顯負(fù)價(jià)當(dāng)N型摻雜物被用到時(shí),總的負(fù)價(jià)載流子與物質(zhì)的濃度相等,并且大于硅中的自由電子數(shù)目換句話說(shuō),38ND表示自由電子濃度,表示混合物質(zhì)的濃度另一方面,N型物質(zhì)里自由空的樹木將NN比硅本身孔數(shù)目少,它們的關(guān)系由下式給定392INDP這里,表示硅本身的載流子濃度相似到講,如果硅與一帶3價(jià)電子物質(zhì)結(jié)合,比如硼,I則實(shí)際的載流子濃度近似到等于接受電子濃度,AN310PANP型硅中帶負(fù)電的載流子數(shù)量給定如下3112IPANN例31硅與硼結(jié)合,微粒濃度為個(gè)/,在室溫條件下,問(wèn)結(jié)合后硅元素中自由孔和26103M自由電子濃度各為多少假如載流子/1650IN3解自由孔濃度,近似等于溶液濃度個(gè)/P2PAN自由電子濃度由311得個(gè)/31216265030PN3M故混合物質(zhì)中硅被認(rèn)為是P型,因?yàn)樗淖杂煽诐舛却笥谧杂呻娮訚舛葍蓸O真空管為了了解兩極真空管，或一個(gè)PN結(jié)，或N型摻雜半導(dǎo)體，或緊挨著的P型摻雜半導(dǎo)體，如圖36所示。這里所說(shuō)的兩極真空管，結(jié)，都處于域或區(qū)域之間。上標(biāo)表示相對(duì)PN的溶合程度。如層可能含有濃度為個(gè)/的摻雜物質(zhì)，而和層則P21503MPN可能含有濃度在到個(gè)/的摻雜物。另外這樣標(biāo)注使得兩極真空管與金屬接2510273M觸時(shí)在不同區(qū)域時(shí)形成對(duì)比；否則，肖特基兩極真空管就隨之出現(xiàn)。在區(qū)域，可以獲得更多的自由載流子，而在區(qū)域，卻有更多帶負(fù)電的載流子。N區(qū)域的自由載流子將擴(kuò)散到區(qū)域，而區(qū)域的自由電子卻向運(yùn)動(dòng)。這一過(guò)程與PNP兩種氣體隨意擴(kuò)散融合很相似。這種擴(kuò)散降低了兩個(gè)區(qū)域的自由電子的濃度。當(dāng)這兩種載流子結(jié)合后，它們得到重新組合。每一個(gè)從區(qū)域向區(qū)域擴(kuò)散的電子都留下一個(gè)自由孔向轉(zhuǎn)移層靠近，類似地，每一個(gè)由區(qū)域向區(qū)域擴(kuò)散的孔都留下一個(gè)運(yùn)動(dòng)PN的電子向轉(zhuǎn)移層靠近。結(jié)果如圖37所示。這種擴(kuò)散將導(dǎo)致區(qū)域沒(méi)有一個(gè)凈負(fù)電子，P區(qū)域沒(méi)有一個(gè)凈正離子。帶負(fù)電的離子和帶正電的離子樹木相等使得結(jié)合處呈中性。N這就導(dǎo)致?lián)p耗區(qū)域延伸到區(qū)域比到區(qū)域更容易。N隨著這些電子的跳躍運(yùn)動(dòng)，有到區(qū)域的電磁場(chǎng)逐步形成。這些電磁場(chǎng)常稱為P結(jié)點(diǎn)上的固定電勢(shì)。相反，自由電子擴(kuò)散直到?jīng)]有凈電荷存在為止。開路時(shí)PN結(jié)處固定電勢(shì)為（313）02LNADTINV當(dāng)時(shí)（314）TKQT為開普勒溫度，K取，取，在室溫下，近似等于26231180JKQ19602CTV。MV例32一PN結(jié)，個(gè)/，個(gè)/，求結(jié)點(diǎn)電勢(shì)，假設(shè)。2510AN3M210DN3M1650IN解用等式313，我們可知（315）250166LN8V（）這是一種有固定潛能的結(jié)點(diǎn)，它有一面大量到摻雜。近似地講，通常我們?nèi)』颉?9V01反偏真空管一個(gè)硅管的陽(yáng)極到陰極電壓為04V或小于04V時(shí)，則傳導(dǎo)電流不能估計(jì)出來(lái)。這種情況下，我們稱之為反偏。若一真空管反偏，電流是主要造成真空管中載流子的原因，并且電流很小。盡管這個(gè)反偏電壓不靠電源電壓提供，但反偏電壓卻與結(jié)點(diǎn)面積成正比。然而，有一個(gè)影響不容忽視，尤其在高頻情況下，就是真空管的結(jié)點(diǎn)電容。在反偏真空管中，這些結(jié)點(diǎn)電容將造成損耗區(qū)儲(chǔ)存電量的改變和作為損耗電容的模型。要求損耗電容，首先要確定損耗層的寬度和所提供的反偏電壓RV（316）1/202SRANDKVNXQ3171/20SRPA為自由空間的介電常數(shù),是真空管的反偏電壓,為硅的介電常數(shù)這些等式成0VSK立的條件是假定摻雜突然從N區(qū)域改變到P區(qū)域。從以上等式中,我們看到,若結(jié)點(diǎn)的一邊摻雜高于另一邊,則損耗區(qū)由低向高處延伸。比如，若，則316和317可以近似地表示為AD（318）1/202SRNKVXQN1/202SRDPAKVNXQ對(duì)于這種情況，（319）NAPD這種特殊情況稱之為單邊帶真空管。例33對(duì)于一個(gè)結(jié)點(diǎn)，求當(dāng)反偏電壓為33V25310OLES/ANHM23DN10/ELCTRONSM時(shí)的損耗層深度。解因?yàn)?，以及已知?2中，由等式318可知AD09V（320）12/292185400746NXM（321）7/PADNMN注意低摻雜時(shí)N區(qū)域的損耗寬度是高摻雜時(shí)P區(qū)域的1000倍。貯存在損耗區(qū)域里的每單位橫截面積等于損耗區(qū)域?qū)挾瘸艘怨潭姾傻臐舛?。比如，在N區(qū)域，計(jì)算電荷數(shù)可以由等式316乘以即可得到DQN（322）1/202ADSRNQQKV電荷總數(shù)必須等于P層的，因?yàn)殡姾墒睾?。在單邊帶真空管中，?dāng)時(shí)，有ADN（323）1/202SRDQK注意這一結(jié)果與高摻雜物質(zhì)濃度無(wú)關(guān)。因此，從以上關(guān)系我們可以知道貯存在損耗區(qū)域的電荷與反偏電壓大小有關(guān)。這種電荷與電壓的典型就是非線性耗盡層電容。反偏結(jié)是集成電路中形成寄生電容的主要因素。理想情況下電壓與電路貯存的電量成線性關(guān)系，如圖38所示。然而，由等式323或322可知，QV之間的關(guān)系并非A是非線性，它們的曲線關(guān)系如圖38所示。在任何一給定的反偏點(diǎn)，小信號(hào)電容被定B為QV曲線在該反偏點(diǎn)的切線，如圖38所示。我們還可以近似到把38中曲線的割B線定義為大信號(hào)時(shí)的平均電容。對(duì)于一個(gè)反偏結(jié)來(lái)說(shuō)，小信號(hào)電容在大反偏電壓的條件下通常小于平均電容值。小信號(hào)電容在小反偏電壓情況下值常大于平均電容值。對(duì)于反偏結(jié)處電壓值的微小改變，關(guān)于一個(gè)反偏電壓，我們可以找到一個(gè)小信號(hào)電容值。JC（324）0J是當(dāng)RV時(shí)每單位面積的耗盡電容值。002SADJQKN（325）在一面真空管中，當(dāng)時(shí)，有01/20JSDJRRCKCV（326）現(xiàn)在可知00SJQN（327）從等式