第七章MOS反相器第一部分MOS晶体管的工作原理第二部分MOS反相器1、在双极型工艺下ECL/CML：EmitterCoupledLogic/CurrentModeLogic射极耦合逻辑/电流型开关逻辑TTL：TransistorTransistorLogic晶体管-晶体管逻辑：IntegratedInjectionLogic集成注入逻辑LI22、在MOS工艺下NMOS、PMOS：MNOS：MetalNitride（氮）OxideSemiconductor(E)NMOS与(D)NMOS组成的单元CMOS:MetalGateCMOSHSCMOS：HighSpeedCMOS（硅栅CMOS）CMOS/SOS：SilicononSapphire（兰宝石上CMOS，提高抗辐射能力）VMOS：VerticalCMOS（垂直结构CMOS提高密度及避免Lutch-Up效应）第一部分:MOS晶体管的工作原理MOSFET（MetalOxideSemi-conductionFieldEffectTransistor），是构成VLSI的基本元件。一、半导体的表面场效应1、P型半导体图1P型半导体2、表面电荷减少图2表面电荷减少3、形成耗尽层图3形成耗尽层耗尽层（高阻区）4、形成反型层图4形成反型层反型层二、MOS晶体管的结构一个典型的NMOS晶体管结构图器件被制作在P型衬底(bulk或body)上，两个重参杂的n区形成源区（S）和漏区（D），一个重参杂的多晶硅(导电)作为栅（G），一层薄二氧化硅层使删和衬底隔离。器件的有效作用就发生在删氧化层下的衬底区。注意这种结构的源（S）和漏（D）是相同的。源漏方向的尺寸叫删长L，与之垂直方向的细的尺寸叫做栅宽W，由于在制造过程中，源/漏结的横向扩散，源漏之间实际的距离略小于L，为了避免混淆，我们定义Leff=Ldrawn-2LD,Leff称为有效沟道长度，Ldrawn是沟道总长度，LD是横向扩散长度。Leff和氧化层厚度tox对MOS电路的性能有着重要的作用。衬底的电位对器件特性有很大的影，也就是说，MOSFET是一个四端器件。由于在典型的MOS工作中，源漏结二极管都必须反偏，所以我们认为NMOS晶体管的衬底被连接到系统的最低电压上。例如，如果一个电路在0～3V工作．则把衬底连接在最低的0V电位上，实际的连接如下图所示，通过一个p＋欧姆区来实。三、MOS管的符号教材中的NMOS耗尽型：四、MOS管的I/V特性1.阈值电压删氧化层电容耗尽区电容NMOS管的VTH通常定义为界面的电子浓度等于衬底的多子浓度时的删压。可以证明：是多晶硅删和衬底间的功函数差q是电子电荷，Nsub是衬底参杂浓度，Φdep是耗尽区电荷，Cox是单位面积删氧化层电容是半导体衬底费米势影响阈值电压的因素：1）删电极材料2）删氧化层质量，厚度3）衬底参杂浓度PMOS导通现象类似于NMOS，但其所有极性都相反2.I/V特性的推导首先，分析一个载有电流I的半导体棒：沿电流方向的电荷密度是Qd（C/m）,电荷移动速度是v（m/s）源和漏等压时的沟道电荷其次，考虑源和漏都接地的NMOS，反型层中的电荷密度是多少？我们认为VGS＝VTH时开始反型，所以VGS≥VTH时，沟道中电荷密度（单位长度电荷），其值等于：源和漏不等电压时的沟道电荷当漏极电压大于0时，沟道电势将从源极的0V变到漏极的VD，删于沟道之间的局部电势差将从VG变到VG－VD，因此沿沟道的电荷密度表示为：V（x）为X点的沟道电势。电流可表示为：载流子为电子，所以有负号vEn对于半导体，是半导体载流子迁移率，E为电场由于，电子迁移率用表示我们得到：对应的边界条件是两边积分：ID沿沟道方向是常数，得到：这里的L是有效沟道长度。MOS管漏电流与漏源电压关系右图给出了不同VGS时的得到的ID与VDS的关系，每条抛物线的极值发生在VDS=VGS-VTH峰值电流为：21[()]2DnoxGSTHDSDSWICVVVVL当VDS较小时，有这种关系表明源漏之间可以用一个线性电阻表示，其阻值：深三极管区的线性工作()DnOXGSTHDSWICVVVL当漏电压大于VGS-VTH会怎样？实际上不会遵从抛物线特性，且ID相对恒定，这时器件工作在饱和区漏电流饱和原因：其电流表达式：L’近似等于L，则ID与VD无关2'1()2DnoxGSTHWICVVL工作于饱和区饱和区与三极管区分界点2'1()2DnoxGSTHWICVVL21[()]2DnoxGSTHDSDSWICVVVVL22211[()][2()]221[2()]2DnoxGSTHDSDSnoxGSTHDSDSGSTHDSDSWWICVVVVCVVVVLLVVVV22[()()]1122DGTSGTDnoxIKVVVVVVWKCL可推导出另一种非饱和区电流表达式：饱和区电流表达式：2'1()2...
