集成电路原理与设计
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微电子学
• 微电子技术是电子计算机和通信的核心技术 • 微电子技术的核心是集成电路（Integrated Circuit, IC） 技术 • 微电子学是电子学的一门分支，主要研究电子或离 子在固体材料中的运动规律及其应用 • 微电子学是以实现电路和系统的集成为目的，研究 如何利用半导体的微观特性以及一些特殊工艺，在 一块半导体芯片上制作大量的器件，从而在一个微 小面积中制造出复杂的电子系统。
I
D
dx
V 0
WC
ox
n [VGS V ( x) VTH ]dV
I/V特性的推导（3）
W 1 2 I D = nCox [(VGS - VTH )VDS - VDS ] （2.8） L 2 W VGS - VTH 称为过驱动电压； 称为宽长比 L 三极管区(线性区)
每条曲线在VDS＝VGS－VTH时取最 大值，且大小为：
CGD CGS
WLCOX WCOv 2
CGB可以忽略不计
CSB = CDB =
WE源极Cj (1 VSB /B ) WE漏极Cj (1 VDB /B )
mj mj

源极周长 C jsw (1 VSB /B )
m jsw
漏极周长 C jsw (1 VDB/B )
MOS器件电容
栅源、栅漏、栅衬电容与VGS关系
1) VGS < VTH截止区
CGD CGS WCOv
CGB W 2 L2 COX q si N sub / 4 F WLCOX Cd = 其中Cd＝WL q si N sub / 4 F WLCOX Cd WLCOX WL q si N sub / 4 F
nCox W ID = (VGS - VTH ) 2 2L
饱和区,VGS >VTH
VDS >VGS - VTH
MOS管饱和的判断条件
d
g
g d
NMOS饱和条件：Vgs>V ；Vd≥Vg-V
THN
THN
PMOS饱和条件: Vgs<V
THP
；Vd≤Vg＋| V |
THP
判断MOS管是否工作在饱和区时，不必考虑Vs
1 2 VDS [I x] = [ n WCox ((VGS - VTH )V(x) - V(x) ]0 2 W 1 2 I D = nCox [(VGS - VTH )VDS - VDS ] L 2
x 0 L D 0
ID = -WCox [VGS - V(x) - VTH ]
I/V特性的推导（2）
阱：局 部衬底
MOS管正常工作的基本条件
寄生二极管
MOS管正常工作的基本条件是:所有衬源（B 、S）、衬漏（B、D）pn结必须反偏
同一衬底上的NMOS和PMOS器件
MOS管所有pn结必须反偏: *N-SUB必须接最高电位VDD！ *P-SUB必须接最低电位VSS！
*阱中MOSFET衬底常接源极S
Qdep = 4qεsi ΦF Nsub


k：玻耳兹曼常数 q：电子电荷 Nsub：衬底掺杂浓度 ni： 本征自由载流子浓度 ε si：硅的介电常数
Cox：单位面积栅氧化层电容
Cox =
ox
t ox
ΦMS：多晶硅栅与硅衬底功函数之差 Qdep耗尽区的电荷,是衬源电压VBS的函数 2ΦF：强反型时的表面电势
CSB = CDB =
WE源极Cj (1 VSB /B ) WE漏极Cj (1 VDB /B )
mj mj

源极周长 C jsw (1 VSB /B )
m jsw
漏极周长 C jsw (1 VDB/B )
m jsw
2) VGS > VTH VDS <<VGS – VTH深三极管区
m jsw
漏极周长 C jsw (1 VDB/B )
m jsw
CMOS反相器
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教学内容
• CMOS反相器的直流特性 CMOS反相器的基本特性 CMOS反相器的直流电压传输特性 CMOS反相器的噪声容限 • CMOS反相器的瞬态特性 • CMOS反相器的设计
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CMOS反相器的直流特性
VgS
MOS管亚阈值电流ID一般为几十~几百nA,
MOS器件模型
MOS器件版图
MOS器件电容
C1 WLCOX
C1:栅极和沟道之间的氧化层电容 C2:衬底和沟道之间的耗尽层电容
C2 WL q si N sub / 4 F
C3,C4栅极和有源区交叠电容
C3 C4 WCOv Cov单位宽度交叠电容
寄生二极管
MOS晶体管符号
NMOS D G S G
PMOS S
D
NMOS D G B S G
PMOS S B D
MOSFET开关
G(Gate) 栅极
导通时VG的值(阈值电压)？ 源漏之间的电阻？ 源漏电阻与各端电压的关系？ …
S(Source) 源极
N型MOSFET
D(Drain) 漏极
NMOS晶体管工作原理
x 0
I
L'
D
dx
VGS VTH
V 0
WC
ox
n [VGS V ( x) VTH ]dV
饱和区的MOSFET（VDS ≥ VGS－VT）
ID
nCox W
2 L
'
(VGS VTH )
2
MOSFET的I/V特性
VDS<VGS-VT
沟道电阻随VDS 增加而增加导 致曲线弯曲
Ｌ=2µ
VGS-VT=0.15V, W=100µ
Ｌ=4µ
Ｌ=6µ
∂I /∂V ∝λ/L∝1/L2
D DS
亚阈值导电特性
VGS ID = I0exp ζ kT q
(ζ>1,是一个非理想因子)
MOS管亚阈值导电特性的Pspice仿真结果
logID
仿真条件： VT＝0.6Ｖ W/L＝100µ /2µ
晶体管是一个具有无限关断电阻（ V
GS
VT
）和有限导通电阻（ V
GS
VT
）的开关。
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CMOS反相器的直流特性
• CMOS反相器的工作原理
VDD
•Vin=VDD，NMOS导通、PMOS截止。 •Vin=0，NMOS截止、PMOS导通。
V DD
V DD Rp
Vin
Vout CL
V out Rn
Triode Region
VDS>VGS-VT
曲线开始斜 率正比于 VGS-VT
用作恒流源条件：工作在饱和区且VGS ＝const！
NMOS管的电流公式
ID 0
截至区， VGS<VTH
线性区,VGS >VTH nCox W 2 ID = [2(VGS - VTH )VDS - VDS ] 2L VDS< VGS - VTH
Qd：沟道电荷密度 Cox：单位面积栅电容
WCox：MOSFET单位长度的总电容 Qd(x)：沿沟道点x处的电荷密度 V(x)：沟道x点处的电势 V(x)|x=0=0, V(x)|x=L=VDS
dV(x) 对于半导体： ν = μE 且 E(x) = - dx dV(x) I D = WCox [VGS - V(x) - VTH ] n dx VDS L
Ron = 1 W nCox (VGS - VTH ) L
等效为一个 压控电阻
饱和区的MOSFET（VDS ≥ VGS－VT）
L'
Qd ( x ) WCox (VGS V ( x ) VTH )
当V(x)接近VGS-VT，Qd(x)接近于0，即反型层将 在X≤L处终止，记为L’，沟道被夹断。
导电沟道形成
VGS>VT、VDS=0
NMOS器件的阈值电压VTH
(a)栅压控制的MOSFET (c)反型的开始
(b)耗尽区的形成 (d)反型层的形成
形成沟道时的VG称为阈值电压记为VT
Qdep VTH = ΦMS + 2ΦF + Cox ΦMS = Φgate - Φsilicon
ln Nsub kT ΦF = q ni
MOS器件物理基础
MOSFET的结构
MOSFET的结构
源极：提供载流 子
漏极：收集载流 子
Ldrawn：沟道总长度 LD：横向扩散长度
衬底 （bulk、body）
Leff：沟道有效长度， Leff＝ Ldrawn－2 LD tox : 氧化层厚度
MOSFET ： Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor CMOS : 互补MOS n型MOSFET ：载流子为电子 p型MOSFET ：载流子为空穴
VGS>VT、 0<VDS< VGS-VT称为三极管区或线性区
沟道未夹断条件
VGD =VGS -VDS≥VTH VDS≤VGS -VTH
VGS>VT、VDS>VGS-VT称为饱和区
NMOS沟道电势示意图(0<VDS< VGS-VT )
dq(x) = -Cox Wdx[vGS - v(x) -VTH ]
下极板电容=WEC j
C5,C6有源区和衬底之间的结电容
E有源区长度 C j单位面积下极板电容
侧壁电容=有源区周长 C jsw C jsw 单位长度侧壁电容
C5，C6=WECj +有源区周长 Cjsw
C j＝ VR :反向电压；B内建电势；m： 0.3~0.4 m （ 1+VR /B） C j0