专用集成电路chaptercmos逻辑单元.ppt

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专用集成电路chaptercmos逻辑单元

浙大微电子 内容 6.1 CMOS逻辑门概述 6.2 CMOS晶体管结构与工作原理 6.3 组合逻辑单元 6.4 时序逻辑单元 6.5 数据通路逻辑单元 6.6 标准输入/输出单元 6.1 CMOS逻辑门概述 CMOS数字集成电路主要由N沟道MOS管和P沟道的MOS管按照特定的串联、并联或串并联组合,形成功能不同的基本电路,其中最常见的有互补的CMOS倒相器,与非门、或非门、传输门、触发器等。本章在概述基本门电路的基础上,介绍MOS晶体管的结构、物理特性和工作原理,由器件特性与结构分析几种常用的基本门电路。 The Use of Transistor as Switch ? CMOS transistor (or device) ? A transistor has three terminals: gate, source, drain (and a fourth that we ignore for a moment) ? An MOS transistor looks like a switch (conducting/on, nonconducting/off, not open or closed) Switch Transistor and Inverter 从图2.1-2.2中可以简单归纳出一种规律: PMOS管同NMOS串接可组成倒相器; PMOS管串接为“或非”,并接为“与非”; NMOS管串接为“与非”,并接为“或非”。 将并联PMOS与串联的NMOS串接可构成双输入与非门(4管单元) 将串联PMOS与并联的NMOS串接可构成双输入或非门(4管单元) CMOS电路的“与”门由 与非门加倒相器构成(6管单元) CMOS电路的“或”门由 或非门加倒相器构成(6管单元) Basic Gates Structure Basic Gates Structure 6.2 CMOS晶体管结构及工作原理 一.MOSFET的种类 1.按照MOS管增强型或耗尽型特性分类: N沟增强(常闭)型:栅压为0时不存在沟道,加正偏时才出现导电沟道。 N沟耗尽(常开)型: 零栅压下就存在导电沟道,必须加负栅压才能使沟道内载流子耗尽。 P沟增强(常闭)型:栅压为0时不存在沟道,加负偏时才出现导电沟道。 P沟耗尽(常开)型: 零栅压下就存在导电沟道,必须加正栅压才能使沟道内载流子耗尽。 CMOS集成电路中的PMOS为耗尽型器件,NMOS器件为增强型器件。 2.四种类型器件的结构及特性曲线: 二、MOS器件特性分析 1.N沟MOS晶体管的原理性结构(见图2.3) MOS管的沟道电流可表示为沟道总电荷量Q除以沟道电子的渡越时间tf : IDS=Q/tf (2-1) 渡越时间tf =L/v,设电子受到沿沟道方向的电场Ex作用,以水平速度v穿过沟道: v=-μnEx= μnVDS/L (2-2) 因为沟道和栅之间存在栅电容C,线性电容的电荷量Q=CV,栅极电容C由平板电容公式给出: C=(WLεox)/T ox =WLC ox (2-3) W、L分别为栅极宽、长,εox栅氧化层介电常数,极板间距离等于栅氧化层厚度Tox。 沟道电荷与栅电压、源漏电压有关,对整个沟道的电荷量积分求和,可得到电荷平均值为: Q= WLC ox[(VGS-Vtn)-VDS/2] (2-4) b.饱和区:当VDS上升到VDS≥VGS-VT时,漏附近的沟道被夹断,器件开始进入饱和区: (2-6) 当VDS继续增大,夹断点左移,使沟道长度变短,IDS随VDS的增大缓慢上升,出现沟道调制效应。沟道调制效应将使源漏电流饱和特性变差。 c.击穿区当VDS继续增大,且到达漏-衬底PN结的击穿电压时,IDS急剧增大,PN结出现击穿现象。 d.亚阈值区:当VGSVT时,虽然未形成沟道,但实际MOSFET中因半导体表面弱反型层引起漏电流IDS不为0,而是按指数规律随栅电压变化。称此电流为弱反型电流或亚阈值电流。 3.MOS器件的衬底偏置: 为保证源-衬底以及漏-衬底之间的PN结处于反向偏置,防止产生寄生晶体管或二极管的正偏效应,对N沟器件(P型)衬底一般接

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