1、第三章 器件數(shù)字電路中最基本的磚頭最基本的磚頭就是MOS晶體管、寄生二極管和互連線。本章關(guān)注的內(nèi)容就是： 用公式去分析MOS器件 并考慮工藝偏差所帶來的影響。3.1 二極管簡(jiǎn)介每個(gè)MOS管都內(nèi)含有一定數(shù)量的反向偏置二極管，直接影響著器件的行為。特別是由這些寄生元件形成的與電壓有關(guān)的電容，對(duì)MOS數(shù)字邏輯門的開關(guān)特性中起著重要的作用。二極管還可用來保護(hù)IC的輸入器件以抗靜電荷。重要性：重要性：二極管在數(shù)字電路中出現(xiàn)的很少，但：nID = IS(e VD/ T 1)+-VDID (mA)VD (V)T為熱電勢(shì)， T =KT/q=26mv二極管電流最重要的特性就是它與所加偏置電壓之間存在指數(shù)關(guān)系在一

2、個(gè)正確工作的在一個(gè)正確工作的MOS數(shù)字集成電路中數(shù)字集成電路中所有的二極管都是反向偏置的，并且它們所有的二極管都是反向偏置的，并且它們應(yīng)當(dāng)在所有情況下都保持在這一狀態(tài)應(yīng)當(dāng)在所有情況下都保持在這一狀態(tài)。3.2 MOS晶體管MOS最重要的優(yōu)點(diǎn)是：它作為一個(gè)開關(guān)有良好的性能以及它引起的寄生效應(yīng)很小，并且具有高的集成密度和相對(duì)簡(jiǎn)單的制造工藝。晶體管是一個(gè)有柵、源、漏和體四個(gè)端口的器件。由于體端口一般都連到一個(gè)直流電源端，NMOS管為接地端GND，而對(duì)PMOS為Vdd,所以常在電路圖中不去顯示它。因此如果第4個(gè)端口（體端口）未顯示，則假設(shè)它連到了一個(gè)合適的電源端上。閾值電壓VTn一、結(jié)構(gòu)及工作機(jī)理：以N

3、管為例，在P型襯底上對(duì)稱摻雜兩塊高濃度的施主雜質(zhì)N+區(qū)域，并通過金屬電極外接電壓，高的一端稱為漏，低的一端稱為源，并在源漏兩端之間生成一層極薄的SiO2絕緣層（稱為柵氧），也通過金屬電極外接電壓，這一極稱為柵。n當(dāng)然，一般情況下襯底接地。n工作機(jī)理：先假定S、D之間電壓差為0，當(dāng)在柵上逐漸加一正電壓VG時(shí)，金屬、絕緣體、半導(dǎo)體三者實(shí)際上就如同一電容結(jié)構(gòu)。n因此，在金屬和半導(dǎo)體的兩個(gè)對(duì)表面上會(huì)感應(yīng)出電荷，電量相等，極性相反，但有因?yàn)榻饘俚淖杂呻娮用芏葮O高，所以在金屬便帽感應(yīng)出的電荷會(huì)分布在一個(gè)原子層的范圍之內(nèi)。n而半導(dǎo)體的分布電荷密度小，在一個(gè)原子層內(nèi)分布的電荷有限，所以為了分布與金屬表面等量的

4、電荷，會(huì)在半導(dǎo)體表面分布一定厚度的電荷，從而形成一個(gè)有電荷的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域我們稱為空間電荷區(qū)。n此時(shí)，半導(dǎo)體表面的電勢(shì)稱為表面勢(shì)Vs。（3）EF 摻雜（摻雜（T一定，則NC也一定）T一定，ND越大，EF越靠近EC（低溫： ND NC 時(shí) , ND (ln ND -ln2 NC) ND NC 時(shí), ND |ln ND -ln2 NC| 中溫：由于T的升高， NC增加，使ND 0,表面處的能帶就要向下彎曲。n由能帶圖可知，表面處的Ei-EF差值變小,由P型半導(dǎo)體EF=Ei-KTln(NA/ND)可知， Ei-EF變小，使得NA變小，所以P型半導(dǎo)體表面處空穴濃度表小，并且要小于體內(nèi)的空穴濃度。n這就

5、相當(dāng)于表面處多子空穴耗盡，這一過程稱為多子的耗盡n2、當(dāng)VG繼續(xù)增大，表面處能帶進(jìn)一步向下彎曲，使得表面處Ei比EF還小，所以Ei-EF VT ，此時(shí)會(huì)在柵氧層下面的薄反型層中產(chǎn)生電子，從而形成電子流，即溝道，當(dāng)在源和漏之間加上一個(gè)小電壓VDS ，電子便會(huì)移動(dòng)形成電流，方向從D到S。先分析長(zhǎng)溝道器件0.25umTransistor in Linear ModeSDBGn+n+Assuming VGS VTVGSVDSIDxV(x)-+The current is a linear function of both VGS and VDSn在沿溝道的X處，電壓為V(x)，在X點(diǎn)處柵至溝道的電壓等

6、于VGS V(x),并假設(shè)這一電壓沿整個(gè)溝道都超過VT ，那么在X處所感應(yīng)出的每單位面積的溝道電荷可表示為：)()(TGSoxiVxVVCxQ根據(jù)電流是載流子的漂移速度和所存在電荷的積，可得：WxQxIinD)()(又因?yàn)椋篸xdVuxunnn)(dVVVVWCudxITGSoxnD)(n在溝道的全長(zhǎng)L上積分得到晶體管的電壓-電流關(guān)系：ID = kn W/L (VGS VT)VDS VDS2/2nkn = nCox = nox/toxn當(dāng)VDS的值較小時(shí)，公式中的平方項(xiàng)可以忽略，于是我們可以看到ID和VDS 之間的線性關(guān)系，此時(shí)工作的區(qū)域稱為電阻區(qū)或線性區(qū)，表現(xiàn)出來的特點(diǎn)是它在源區(qū)和漏區(qū)之間表

7、現(xiàn)為一條連續(xù)的導(dǎo)電溝道。n飽和區(qū)n當(dāng)漏源電壓值進(jìn)一步提高時(shí)，在全長(zhǎng)溝道電壓都大于VT 的假設(shè)就不再成立,當(dāng)滿足下列條件TGSVxVV)(被感應(yīng)的電荷為零，即導(dǎo)電溝道消失或者說它已被夾斷。即在漏區(qū)附近不存在任何溝道。Transistor in Saturation ModeSDBGVGSVDS VGS - VTIDVGS - VT-+n+n+Pinch-offAssuming VGS VTVDSThe current remains constant (saturates).n所以在漏區(qū)滿足夾斷的條件為：TDSGSVVV此時(shí)在感應(yīng)形成的溝道上電壓差（從夾斷點(diǎn)到源）保持固定在VGS-VT上，并使電

8、流保持常數(shù)（或飽和）用VGS-VT代替公式中的VDS將得到飽和模式時(shí)的漏極電流。 對(duì)長(zhǎng)溝道器件來說：n當(dāng) VDS VGS VT（飽和時(shí)）飽和時(shí)）nID = kn/2 W/L (VGS VT) 2 所以漏電流與控制電壓所以漏電流與控制電壓VGS 之間存在平方關(guān)系之間存在平方關(guān)系Current DeterminatesnFor a fixed VDS and VGS ( VT), IDS is a function ofnthe distance between the source and drain Lnthe channel width Wnthe threshold voltage VTn

9、the thickness of the SiO2 toxnthe dielectric of the gate insulator (SiO2) oxnthe carrier mobilitynfor nfets: n = 500 cm2/V-secnfor pfets: p = 180 cm2/V-sec溝道長(zhǎng)度調(diào)制n導(dǎo)電溝道的有效長(zhǎng)度實(shí)際上由所加的VDS調(diào)制，增加VDS將使漏結(jié)的耗盡區(qū)加大，從而縮短有效溝道的長(zhǎng)度。ID = ID (1 + VDS)nID為前面所推導(dǎo)出的電流表達(dá)式， 是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，稱為溝長(zhǎng)調(diào)制系數(shù)。n一般來說， 與溝長(zhǎng)成反比長(zhǎng)溝道的I-V 曲線 (NMOS)ID (A)

10、VDS (V)X 10-4VGS = 1.0VVGS = 1.5VVGS = 2.0VVGS = 2.5V LinearSaturationVDS = VGS - VT平 方 關(guān) 系NMOS transistor, 0.25um, Ld = 10um, W/L = 1.5, VDD = 2.5V, VT = 0.4Vcut-off短溝道（0.25um)情況下電流公式的變化n速度飽和效應(yīng)n一般來說，載流子的速度正比于電場(chǎng)n且這一關(guān)系與電場(chǎng)強(qiáng)度值的大小無關(guān)，但在電場(chǎng)強(qiáng)度很高的情況下，載流子不再符合線性模型。特別是當(dāng)沿溝道的電場(chǎng)達(dá)到某一臨界值 時(shí)，載流子的速度將由于散射效應(yīng)（載流子間的碰撞）而趨于飽

11、和。EdxdVnnnc (V/m)n (m/s)sat =105速度為常數(shù)遷移率為常數(shù)(斜率 = )l For an NMOS device with L of .25m, only a couple of volts difference between D and S are needed to reach velocity saturation c=5在溝道長(zhǎng)度為0.25um的NMOS器件中大約只需要2V左右的漏源電壓就可以達(dá)到飽和點(diǎn)。速度飽和時(shí)的漏電流公式針對(duì)短溝道器件：n線性區(qū)線性區(qū): 當(dāng) VDS VGS VTID = (VDS) kn W/L (VGS VT)VDS VDS2/2 這里的 (V) = 1/(1 + (V/cL)； (V) 因子考慮了速度飽和的程度。在長(zhǎng)溝器件（L值較大）或VDS 值較小的情況下， 接近1。n飽和時(shí)飽和時(shí): 當(dāng) VDS = VDSAT VGS VTIDSat = (VDSAT) kn W/L (VGS VT)VDSAT VDSAT2/2nsatc/2長(zhǎng)溝器件短溝器件VDSATVGS-VTl VDSAT VT+VDSAT/2時(shí)，電阻實(shí)際上將與電源電壓無關(guān)，即當(dāng)提高電源電壓時(shí)，由于溝長(zhǎng)調(diào)