復(fù)習(xí)半導(dǎo)體物理

1、MOS晶體管的動(dòng)作晶體管的動(dòng)作 MOS晶體管實(shí)質(zhì)上是一種使晶體管實(shí)質(zhì)上是一種使電流時(shí)而流過(guò)，時(shí)而切斷的電流時(shí)而流過(guò)，時(shí)而切斷的n+n+P型硅基板型硅基板柵極（金屬）柵極（金屬）絕緣層（絕緣層（SiO2）半半導(dǎo)導(dǎo)體體基基板板漏極漏極源極源極源極源極(S)漏極漏極(D)柵極柵極(G)VG=0VS=0VD=0柵極電壓為零時(shí)，存儲(chǔ)在柵極電壓為零時(shí)，存儲(chǔ)在源漏極中的電子互相隔離源漏極中的電子互相隔離VGS0時(shí)，溝道出現(xiàn)耗盡區(qū)，時(shí)，溝道出現(xiàn)耗盡區(qū)， 至至VGS VTH時(shí)，溝道反型，時(shí)，溝道反型，形成了連接源漏的通路。形成了連接源漏的通路。+ + + + + + + +VGVD電流電流SVDS較小時(shí)，溝道中

2、任何一處電壓的柵溝道電壓都大于較小時(shí)，溝道中任何一處電壓的柵溝道電壓都大于閾值電壓，隨著閾值電壓，隨著VDS的增大，電場(chǎng)強(qiáng)度增大，電子漂移速的增大，電場(chǎng)強(qiáng)度增大，電子漂移速度增大，因此電流隨著度增大，因此電流隨著VDS的增大而增大。的增大而增大。（線性區(qū)，（線性區(qū)，非飽和區(qū)）非飽和區(qū)）隨著隨著VDS進(jìn)一步增大至進(jìn)一步增大至VDS=VGS-VTH(即即VGD0)，集電結(jié)反偏（，集電結(jié)反偏（VBC0)，集電結(jié)也正偏（，集電結(jié)也正偏（VBC0)時(shí)時(shí)(但注意，但注意，VCE仍仍大于大于0)，為，為飽和工作區(qū)飽和工作區(qū)。NNPECB1. 發(fā)射結(jié)正偏，向基區(qū)注入電子，集電結(jié)也正偏，也向發(fā)射結(jié)正偏，向基區(qū)注

3、入電子，集電結(jié)也正偏，也向基區(qū)注入電子（遠(yuǎn)小于發(fā)射區(qū)注入的電子濃度），基區(qū)基區(qū)注入電子（遠(yuǎn)小于發(fā)射區(qū)注入的電子濃度），基區(qū)電荷明顯增加（存在少子存儲(chǔ)效應(yīng)），從發(fā)射極到集電電荷明顯增加（存在少子存儲(chǔ)效應(yīng)），從發(fā)射極到集電極仍存在電子擴(kuò)散電流，但明顯下降。極仍存在電子擴(kuò)散電流，但明顯下降。2.不再存在象正向工作區(qū)一樣的電流放大作用，即不再存在象正向工作區(qū)一樣的電流放大作用，即 不再成立。不再成立。3. 對(duì)應(yīng)飽和條件的對(duì)應(yīng)飽和條件的VCE值，稱(chēng)為飽和電壓值，稱(chēng)為飽和電壓VCES，其值約為，其值約為0.3V，深飽和時(shí)，深飽和時(shí)VCES達(dá)達(dá)0.10.2V。 bcII當(dāng)當(dāng)VBC0 ， VBE0時(shí)時(shí)，為反向

4、工作區(qū)。工作，為反向工作區(qū)。工作原理類(lèi)似于正向工作區(qū)，但是由于集電區(qū)原理類(lèi)似于正向工作區(qū)，但是由于集電區(qū)的摻雜濃度低，因此其發(fā)射效率低，的摻雜濃度低，因此其發(fā)射效率低，很?。s很?。s0.02）。）。當(dāng)發(fā)射結(jié)反偏（當(dāng)發(fā)射結(jié)反偏（VBE0),集電結(jié)也反偏（集電結(jié)也反偏（VBC0)時(shí)，為截止區(qū)。時(shí)，為截止區(qū)。RNNPECB反向工作區(qū)反向工作區(qū)集成雙極晶體管的有源寄生效應(yīng)集成雙極晶體管的有源寄生效應(yīng)C(n)B(p)E(n+)npnpnpS(p) 雙極晶體管的四種工作狀態(tài)雙極晶體管的四種工作狀態(tài)VBEVBC飽和區(qū)飽和區(qū)反向工作區(qū)反向工作區(qū)截止區(qū)截止區(qū)正向工作區(qū)正向工作區(qū)( (正偏正偏) )( (反偏反

5、偏) )( (正偏正偏) )( (反偏反偏) )ppnnIEECSIBICISI1I2I3V1V2V3雙極集成電路等效電路雙極集成電路等效電路CBEpn+n-epin+n+-BLP-SiP+P+SC(n)B(p)E(n+)npnpnpS(p)等效電路等效電路隱埋層作用：隱埋層作用：1. 減小寄生減小寄生pnp管的影響管的影響 2. 減小集電極串聯(lián)電阻減小集電極串聯(lián)電阻襯底接最低電位襯底接最低電位VBEVBC飽和區(qū)飽和區(qū)反向工作區(qū)反向工作區(qū)截止區(qū)截止區(qū)正向工作區(qū)正向工作區(qū)( (正偏正偏) )( (反偏反偏) )( (正偏正偏) )( (反偏反偏) )集成雙極晶體管的有源寄生效應(yīng)集成雙極晶體管的有

6、源寄生效應(yīng)C(n)B(p)E(n+)npnpnpS(p) NPN管工作于正向工作區(qū)和截止區(qū)的情況管工作于正向工作區(qū)和截止區(qū)的情況VBC0npn管管VEB_pnp0VS=0VCB_pnp0VS=0VCB_pnp0npn管管VBE0VS=0VCB_pnp0npn管管飽和工作區(qū)飽和工作區(qū)VBE0集成雙極晶體管的有源寄生效應(yīng)集成雙極晶體管的有源寄生效應(yīng)C(n)B(p)E(n+)npnpnpS(p) NPN管工作于飽和工作區(qū)的情況管工作于飽和工作區(qū)的情況正向工作區(qū)正向工作區(qū)寄生晶體管對(duì)電路產(chǎn)生影響寄生晶體管對(duì)電路產(chǎn)生影響VBEVBC飽和區(qū)飽和區(qū)反向工作區(qū)反向工作區(qū)截止區(qū)截止區(qū)正向工作區(qū)正向工作區(qū)( (正

7、偏正偏) )( (反偏反偏) )( (正偏正偏) )( (反偏反偏) )常用集成電阻器常用集成電阻器 基區(qū)擴(kuò)散電阻基區(qū)擴(kuò)散電阻 發(fā)射區(qū)擴(kuò)散電阻、埋層擴(kuò)散電阻發(fā)射區(qū)擴(kuò)散電阻、埋層擴(kuò)散電阻 基區(qū)溝道電阻基區(qū)溝道電阻、外延層電阻、外延層電阻 離子注入電阻離子注入電阻 多晶硅電阻多晶硅電阻、MOS電阻電阻氧化膜氧化膜pnnP型擴(kuò)散層型擴(kuò)散層（電阻）（電阻）基區(qū)擴(kuò)散電阻基區(qū)擴(kuò)散電阻（Rs=100-200 / ) Rs為基區(qū)擴(kuò)散的薄層電阻為基區(qū)擴(kuò)散的薄層電阻L、W為電阻器的長(zhǎng)度和寬度為電阻器的長(zhǎng)度和寬度sLRRW1. 端頭修正端頭修正2. 拐角修正因子拐角修正因子3. 橫向擴(kuò)散修正因子橫向擴(kuò)散修正因子4.

8、 薄層電阻值薄層電阻值Rs的修正的修正小阻值電阻可采用胖短圖形小阻值電阻可采用胖短圖形一般阻值電阻可采用瘦長(zhǎng)圖形一般阻值電阻可采用瘦長(zhǎng)圖形對(duì)大阻值電阻可采用折疊圖形對(duì)大阻值電阻可采用折疊圖形12(2)0.55sjcLRRknkWxVCCLw導(dǎo)電層導(dǎo)電層絕緣層絕緣層氧化膜氧化膜pN+平板型電容平板型電容雙極集成電路中的雙極集成電路中的MOS電容器電容器鋁電極鋁電極N-epiACAtCCAxoosXOMOSi02tox=100nm時(shí)，CA=3.45e-4pF/um230pF需約0.1mm2特點(diǎn)：特點(diǎn)：1. 單位面積電容值較小單位面積電容值較小2. 擊穿電壓擊穿電壓BV較高（大于較高（大于50V）隔

9、離隔離槽槽NBVEBtox絕緣層的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度（絕緣層的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度（510）106V/cmVBEVBC飽和區(qū)飽和區(qū)反向工作區(qū)反向工作區(qū)截止區(qū)截止區(qū)正向工作區(qū)正向工作區(qū)( (正偏正偏) )( (反偏反偏) )( (正偏正偏) )( (反偏反偏) )CBEnpnIBICIEIE=IB+ICIBICIEIC=IB+IECBEVCESCBE簡(jiǎn)易簡(jiǎn)易TTL與非門(mén)與非門(mén)ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2 兩管單元兩管單元TTL與非門(mén)工作原理與非門(mén)工作原理R1R2VCCB1ABC4K4K4K4K幾個(gè)假設(shè)：幾個(gè)假設(shè)：1.發(fā)射極正向壓降，當(dāng)晶體管正向工作時(shí)，取發(fā)射極正向壓降，當(dāng)晶體管正向工作時(shí)，取Vbe

10、F=0.7V，而當(dāng)晶體管飽和時(shí)，而當(dāng)晶體管飽和時(shí)， 取取VbeS=0.7V.2.集電結(jié)正向飽和壓降，取集電結(jié)正向飽和壓降，取VbcF=0.60.7V。3.晶體管飽和壓降，當(dāng)晶體管飽和壓降，當(dāng)T1管深飽和時(shí)，因管深飽和時(shí)，因Ic幾乎為零，取幾乎為零，取VceS0.1V，其余管子取，其余管子取 VceS0.3V簡(jiǎn)易簡(jiǎn)易TTL與非門(mén)與非門(mén)1. 1. 輸入信號(hào)中至少有一個(gè)為低電平的情況輸入信號(hào)中至少有一個(gè)為低電平的情況R1R2VCCB1ABC1VVOL=0.3VVOL=0.3VVB1 =VBE1+VOL =0.3V+0.7V =1VVB1被嵌位在被嵌位在1VIB1=(VCC-1V)/R1 =5V-1V

11、/4K=1mA4K4KIC1B2T2管截止管截止,VOH=VCC-IOHR2輸出高電平時(shí)電路供給負(fù)載門(mén)的電流輸出高電平時(shí)電路供給負(fù)載門(mén)的電流0.4VIOHT2管的集電結(jié)反偏，管的集電結(jié)反偏，Ic1很小，很小，滿(mǎn)足滿(mǎn)足IB1 Ic1，T1管深飽和，管深飽和，VOCS1=0.1V，VB2=0.4V簡(jiǎn)易簡(jiǎn)易TTL與非門(mén)與非門(mén)2. 2. 輸入信號(hào)全為高電平輸入信號(hào)全為高電平R1R2VCCB1ABC1.4VVOH=5VVB1 =VBC1+VBE2 =0.7V+0.7V =1.4VVB1被嵌位在被嵌位在1.4V4K4KIC1B2VOH=5VT1T1管的發(fā)射結(jié)反偏管的發(fā)射結(jié)反偏, ,集電結(jié)正偏集電結(jié)正偏,

12、,工作在反向有源區(qū)工作在反向有源區(qū), ,集電極電流集電極電流是流出的是流出的,T2管的基極電流為管的基極電流為: : IB2=-=-IC1= =IB1+ + IB1IB1（ 0.01)IB1=(VCC-VB1)/R1 =5V-1.4V/4K=0.9mA IB20.9mAT2T2管飽和，管飽和，T2T2管的飽和電壓管的飽和電壓VCES= =0.3V VOL=0.3VABCR1R2VCCVOB1B2T1T20.7VT1管工作在反向放大區(qū)管工作在反向放大區(qū)假設(shè)假設(shè):F=20, R=0.02IB1=(VCC-VB1)/R1 =5V-1.4V/4K=0.9mA-IE1=RIB1=0.02*0.9=0.0

13、18mA-IC1=(R+1)IB1=0.918=IB2假設(shè)假設(shè)T2管工作在正向放大區(qū)管工作在正向放大區(qū)2220.9,2020 0.918BFCFBImAIImA在R2上產(chǎn)生的壓降為18mA*4K=72V4K4K不成立不成立有效低電平輸出有效低電平輸出Vin輸入低電平輸入低電平有效范圍有效范圍0VIL有效高電平輸出有效高電平輸出Vout輸入高電平輸入高電平有效范圍有效范圍VIHVDD過(guò)渡區(qū)過(guò)渡區(qū)VOHVOL噪聲噪聲幅值VOLVIL噪聲幅值 VIL-VOL高電平高電平噪聲噪聲幅值VIHVOH噪聲幅值 VOH-VIH低電平低電平NMH=VOH-VIHNMH=VOH-VIH高噪聲容限低噪聲容限 兩管單

14、元兩管單元TTL與非門(mén)的靜態(tài)特性與非門(mén)的靜態(tài)特性- -負(fù)載能力負(fù)載能力.能夠驅(qū)動(dòng)多少個(gè)能夠驅(qū)動(dòng)多少個(gè)同類(lèi)負(fù)載門(mén)正常工作同類(lèi)負(fù)載門(mén)正常工作NN扇出ABCR1R2VCCB1B2T1T24K4K1. 求低電平輸出時(shí)的扇出求低電平輸出時(shí)的扇出解：負(fù)載電流IC=NNIILVCCVOT1T24K4KVCCVOT1T24K4K。IILN個(gè)ICIILIIL=(VCC-VBES)/R1=(5V-0.7V)/4K1.1mA)()(2222ILNOLCCOLRCBINRVVSIISSIImAISKRRVBOL9 . 0, 4,4, 3 . 0,20221設(shè)：解得：NN3ABCR1R2VCCB1B2T1T24K4K2

15、. 求高電平輸出時(shí)的扇出求高電平輸出時(shí)的扇出要求保證輸出高電平要求保證輸出高電平3V3V解：負(fù)載電流IC=NNIIHVCCVOT1T24K4KVCCVOT1T24K4K。IIHN個(gè)ICIIHIIH=-IE=0.018mAVOH=VCC-ICR2 3VNN=2522253535353270.0184CHIHHIHIRN INRIRmAK25ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2簡(jiǎn)易簡(jiǎn)易TTLTTL與非門(mén)的缺點(diǎn)與非門(mén)的缺點(diǎn)1.1.輸入抗干擾能力小輸入抗干擾能力小2.2.電路輸出端負(fù)載能力弱電路輸出端負(fù)載能力弱3.I3.IB2B2太小，導(dǎo)通延遲改善小太小，導(dǎo)通延遲改善小四管單元與非門(mén)四管單元與非門(mén)

16、 典型四管單元典型四管單元TTL與非門(mén)與非門(mén)ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2T3T51. T2管使電路低電平噪聲容限管使電路低電平噪聲容限VNML提高了一個(gè)結(jié)壓降，因此電提高了一個(gè)結(jié)壓降，因此電路抗干擾能力增強(qiáng)。路抗干擾能力增強(qiáng)。2. T3、T5構(gòu)成推挽輸出（又稱(chēng)圖騰柱輸出），使電路負(fù)載能力構(gòu)成推挽輸出（又稱(chēng)圖騰柱輸出），使電路負(fù)載能力增強(qiáng)。增強(qiáng)。3. T5基極驅(qū)動(dòng)電流增大，電路導(dǎo)通延遲得到改善?；鶚O驅(qū)動(dòng)電流增大，電路導(dǎo)通延遲得到改善。ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2電平移位作用電平移位作用R3R4180ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2兩管單元兩管單元TTL與非門(mén)與非門(mén)

17、u 電路抗干擾能力小電路抗干擾能力小u 電路輸出端負(fù)載能力弱電路輸出端負(fù)載能力弱u IB2小，導(dǎo)通延遲較大小，導(dǎo)通延遲較大四管單元四管單元TTL與非門(mén)與非門(mén)T2管的引入提高管的引入提高了抗干擾能力了抗干擾能力有源負(fù)載的引入有源負(fù)載的引入提高了電路的負(fù)提高了電路的負(fù)載能力載能力ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2T5ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2T5電路導(dǎo)通時(shí)，T2、T5飽和VO=VOL 這時(shí)，T2管的集電極和輸出之間的電位差為：VC2-VO=VCES2+VBES5-VCES5VBES5=0.8VT5和D不能同時(shí)導(dǎo)通D起了電平移位的作用R5T3ABCR1R2VCCVOB1B2T1T

18、2T5R5T3R1R2VCCVOB1B2T1T2T5R5T4ABT3T3、T4管構(gòu)成達(dá)林頓管，管構(gòu)成達(dá)林頓管，T4管不會(huì)進(jìn)入飽和區(qū)管不會(huì)進(jìn)入飽和區(qū)反向時(shí)反向時(shí)T4管的基極有泄放電阻，使電路的平均管的基極有泄放電阻，使電路的平均延遲時(shí)間下降延遲時(shí)間下降四管單元四管單元TTL與非門(mén)與非門(mén)五管單元五管單元TTL與非門(mén)與非門(mén)5 5管單元管單元TTLTTL與非門(mén)電路與非門(mén)電路輸入級(jí)由多發(fā)射極晶體輸入級(jí)由多發(fā)射極晶體管管T1和基極電組和基極電組R1組成，組成，它實(shí)現(xiàn)了輸入變量它實(shí)現(xiàn)了輸入變量A、B、C的與運(yùn)算的與運(yùn)算輸出級(jí)：由輸出級(jí)：由T3、T4、T5和和R4、R5組成組成其中其中T3、T4構(gòu)成復(fù)合管，與

19、構(gòu)成復(fù)合管，與T5組成推組成推拉式輸出結(jié)構(gòu)。具有較強(qiáng)的負(fù)載能力拉式輸出結(jié)構(gòu)。具有較強(qiáng)的負(fù)載能力中間級(jí)是放大級(jí)，由中間級(jí)是放大級(jí)，由T2、R2和和R3組成，組成，T2的集電極的集電極C2和和發(fā)射極發(fā)射極E2可以分提供兩個(gè)相可以分提供兩個(gè)相位相反的電壓信號(hào)位相反的電壓信號(hào)TTLTTL與非門(mén)工作原理與非門(mén)工作原理 輸入端至少有一個(gè)接低輸入端至少有一個(gè)接低電平電平0 .3V3 .6V3 .6V1V3 .6VT T1 1管管:A:A端發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，端發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，V Vb1b1 = V= VA A + V + Vbe1be1 = 1V = 1V，其它發(fā)射結(jié)均因反偏而截其它發(fā)射結(jié)均因反偏而截止止. .be4b

20、e3C2OHVVVV 5-0.7-0.7=3.6VV Vb1b1 =1V, =1V,所以所以T T2 2、T T5 5截止截止, , V VC2C2Vcc=5V, Vcc=5V, T T3 3：微飽和狀態(tài)。微飽和狀態(tài)。 T T4 4：放大狀態(tài)。放大狀態(tài)。電路輸出高電平為：電路輸出高電平為：5V 輸入端全為高電平輸入端全為高電平3 .6V3 .6V2.1V0 .3VT T1 1:V:Vb1b1= V= Vbc1bc1+V+Vbe2be2+V+Vbe5 be5 = = 0.7V0.7V3 = 2.1V3 = 2.1V因此輸出為邏輯低電平因此輸出為邏輯低電平V VOLOL=0.3V=0.3V3 .6

21、V發(fā)射結(jié)反偏而集電發(fā)射結(jié)反偏而集電極正偏正偏. .處于反向放大狀態(tài)處于反向放大狀態(tài)T T2 2：飽和狀態(tài)：飽和狀態(tài)T T3 3：V Vc2c2=V=Vces2ces2+Vbe51V+Vbe51V，使使T3T3導(dǎo)通，導(dǎo)通，V Ve3e3=V=Vc2c2-V-Vbe3be3=1-0.70.3V=1-0.70.3V，使使T4T4截止截止。T T5 5：飽和狀態(tài)，：飽和狀態(tài)，TTLTTL與非門(mén)工作原理與非門(mén)工作原理TTLTTL與非門(mén)工作速度與非門(mén)工作速度存在問(wèn)題：存在問(wèn)題：TTL門(mén)電路工作速度門(mén)電路工作速度相對(duì)于相對(duì)于MOSMOS較快，但由較快，但由于當(dāng)輸出為低電平時(shí)于當(dāng)輸出為低電平時(shí)T T5 5工作

22、在深度飽和狀態(tài)，當(dāng)輸出工作在深度飽和狀態(tài)，當(dāng)輸出由低轉(zhuǎn)為高電平，由于在基區(qū)和集電區(qū)有存儲(chǔ)電荷不由低轉(zhuǎn)為高電平，由于在基區(qū)和集電區(qū)有存儲(chǔ)電荷不能馬上消散，而影響工作速度能馬上消散，而影響工作速度。改進(jìn)型改進(jìn)型TTLTTL與非門(mén)與非門(mén) 可能工作在飽和狀可能工作在飽和狀態(tài)下的晶體管態(tài)下的晶體管T1、T2、T3、T5都用帶有肖特都用帶有肖特基勢(shì)壘二極管（基勢(shì)壘二極管（SBD）的三極管代替，以限的三極管代替，以限制其飽和深度，提高制其飽和深度，提高工作速度工作速度 01222DSDSTNGSNDSDSDSTNGSNDSIVVVkIVVVVkITNGSTNGSDSTNGSTNGSDSTNGSVVVVVVV

23、VVVVV, MOS晶體管的電流晶體管的電流-電壓特性的經(jīng)典描述：電壓特性的經(jīng)典描述： 薩氏方程薩氏方程 式中的式中的是是溝道長(zhǎng)度調(diào)制因子溝道長(zhǎng)度調(diào)制因子，表征了溝道長(zhǎng)，表征了溝道長(zhǎng)度調(diào)制的程度度調(diào)制的程度 MOS晶體管的動(dòng)作晶體管的動(dòng)作 MOS晶體管實(shí)質(zhì)上是一種使晶體管實(shí)質(zhì)上是一種使電流時(shí)而流過(guò)，時(shí)而切斷的電流時(shí)而流過(guò)，時(shí)而切斷的n+n+p型硅基板型硅基板柵極柵極絕緣層（絕緣層（SiO2）半半導(dǎo)導(dǎo)體體基基板板漏極漏極源極源極非飽和區(qū)的電流方程推導(dǎo)非飽和區(qū)的電流方程推導(dǎo)DSGSTHVVVTGSVV)(xV(0) 0, ( )( )( )DSoxGSTHVV LVQ xWCVVV xTGSVVo

24、x()()GGSTGSTWLQCVVVVt( ),dVIQ xEdx ( )DSoxGSTHdVIWCVVV xdx00( )DSV VLDSoxGSTHxVIdxWCVVV x dV21()2DSoxGSTHDSDSWICVVVVL飽和區(qū)的電流方程飽和區(qū)的電流方程 MOS晶體管00( )GSTHVVLDSoxGSTHxVIdxWCVVV x dV21()2DSoxGSTHWICVVLDSGSTHVVVTGSVVL溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)VDSID非飽和區(qū)非飽和區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)VDSsat=VGS-VTHn+n+p型硅基板型硅基板GSD21()2DSoxGSTHDSDSWICVVVVL非

25、飽和區(qū)的電流方程非飽和區(qū)的電流方程:21()2DSoxGSTHWICVVL飽和區(qū)的電流方程飽和區(qū)的電流方程:記住記住ID(0VDSVGS-VTH)(0 VGS-VTH Vgs-Vth只要開(kāi)通，則工作在飽和區(qū)只要開(kāi)通，則工作在飽和區(qū)VIN 0VOUT= VDD-VTHL當(dāng)當(dāng)VGS=VDD-(VDD-VTHL)=VTHL時(shí)時(shí)負(fù)載管關(guān)斷負(fù)載管關(guān)斷驅(qū)動(dòng)管截止驅(qū)動(dòng)管截止VIN VDD驅(qū)動(dòng)管非飽和導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)管非飽和導(dǎo)通,負(fù)載管飽和導(dǎo)通負(fù)載管飽和導(dǎo)通22)()(21)(21THLOUTDDLoxnTHLGSLoxnDSLVVVLWCVVLWCI21)()(21)(22OUTOUTTHIDDIoxnDSDSTH

26、IGSIoxnDSIVVVVLWCVVVVLWCI)(21THLDDmImLOLVVggVTHLDDOHVVV為使為使VOL接近接近0，要求，要求gmLgmI有比電路有比電路E/E MOS反相反相 器器自舉反相器自舉反相器 ViVDDVo飽和型負(fù)載飽和型負(fù)載NMOS反相器反相器MEMLE/E反相器的輸出高電平VDD比低個(gè)VT預(yù)充偏置管預(yù)充偏置管MB自舉電容自舉電容CBMBCBself loading 自舉電路自舉電路 采用耗盡型，采用耗盡型，VGS=0時(shí)時(shí),一直工作處于導(dǎo)通狀態(tài)一直工作處于導(dǎo)通狀態(tài)VIN 0VOUT= VDD驅(qū)動(dòng)管截止驅(qū)動(dòng)管截止VIN VDD驅(qū)動(dòng)管非飽和導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)管非飽和導(dǎo)通,負(fù)

27、載管飽和導(dǎo)通負(fù)載管飽和導(dǎo)通22)(21)()(21TDDoxnTDGSDDoxnDSDVLWCVVLWCI21)()(21)()(22OUTOUTTEDDIoxnDSDSTEGSEEoxnDSEVVVVLWCVVVVLWCI)(22TEDDRTDOLVVKVVDDOHVV有比電路有比電路nninoutMEMDDoxnEoxnRLWCLWCK)()( E/D MOS反相反相 器器v CMOS反相器工作原理反相器工作原理VinVoutVOL=0VOH=VDD在輸入為在輸入為0或或1（VDD)時(shí)，兩個(gè)時(shí)，兩個(gè)MOS管中總是一個(gè)截止管中總是一個(gè)截止一個(gè)導(dǎo)通，因此沒(méi)有從一個(gè)導(dǎo)通，因此沒(méi)有從VDD到到VS

28、S的直流通路，也沒(méi)有電的直流通路，也沒(méi)有電流流入柵極，因此其靜態(tài)電流和功耗幾乎為流流入柵極，因此其靜態(tài)電流和功耗幾乎為0。這是。這是CMOS電路低功耗的主要原因。電路低功耗的主要原因。CMOS電路的最大特點(diǎn)電路的最大特點(diǎn)之一是低功耗。之一是低功耗。CMOS反相器的傳輸特性反相器的傳輸特性VinVout0VDDVDD(1)(2)(3)(4)(5)N截止截止P非飽非飽和和N飽和飽和P非飽非飽和和N非飽非飽和和P飽和飽和N非飽非飽和和P截止截止VtnVDDVtpVinVinVoutVtpVinVoutVtnVtnVinVGS-VTH, , 工作在飽和區(qū)工作在飽和區(qū)02)VV(KdtdVCTNDDNO

29、LOTNDDNLdV)VV(KCdt22902902110)VV(K)V.V(CdV)VV(KCdV)VV(KCtTNDDNDDTNLVVV.OTNDDNLVVV.OTNDDNLfTNDDDDTNDDDDVin=VDD線性區(qū)線性區(qū)VinVout2. VOUT 從從VDD-VTH 下降到下降到 10%VDDN管的管的VDSVGS-VTH, , 工作在線性區(qū)工作在線性區(qū)20.122()2()-1920ln()2()DDDDTNVOLfNDDTNODDTNOVVDDTNLNDDTNDDdVCtKVVVVVVVVCKVVV 022VV)VV(KdtdVCOOTNDDNOLVin=VDDVinVout設(shè)

30、設(shè)VTN0.2VDD，則，則1.852LLfNDDNDDCCtk Vk V（準(zhǔn)確值為）下降時(shí)間由下降時(shí)間由N管的尺寸決定管的尺寸決定21fffttt)VVVln()VV()V.V()VV(KC)VVVln()VV(KC)VV(K)V.V(CtDDTNDDTNDDDDTNTNDDNLDDTNDDTNDDNLTNDDNDDTNLf2019211020192102Vin=0VinVout設(shè)設(shè)|VTP|0.2VDD，則，則DDPLrVkCt2上升時(shí)間由上升時(shí)間由P管的尺寸決定管的尺寸決定如果如果N管和管和P管尺寸相等，管尺寸相等，KP 0.5KN(p 0.5 n),則則tr 2tf，因，因此，若希望此

31、，若希望trtf，則，則WP 2WN 解 由所給參數(shù)，得到N=0.2，根據(jù)0和SiO2的數(shù)值以及柵氧化層的厚度，可以計(jì)算得到單位面積柵電容Cox=6.910-8F/cm2，本征導(dǎo)電因子KN=4.1410-5A/V2，得 最后得到(W/L)N=1.43，近似取值2。將NMOS的寬長(zhǎng)比乘2.5，得 (W/L)p=2.5(W/L)N=51.851.850.5/LfNNDDNCtkW LV基本基本CMOS邏輯門(mén)邏輯門(mén)-1pnAOnAOpnBp邏輯門(mén)的設(shè)計(jì)OpAnpBn復(fù)合邏輯門(mén)復(fù)合邏輯門(mén)ABCOABCOACBABDDCOABCACDDB邏輯門(mén)的設(shè)計(jì)2022-3-23西安理工大學(xué) 電子工程系 余寧梅Ex

32、clusive OR 邏輯門(mén)邏輯門(mén)邏輯門(mén)的設(shè)計(jì)OABAAABBBBBAA復(fù)合邏輯門(mén)復(fù)合邏輯門(mén)邏輯門(mén)的設(shè)計(jì)CMOS反相器版圖反相器版圖OutInVDDPMOSNMOSPolysiliconInOutVDDGNDPMOS2 Metal 1NMOSContactsN Well一、一、兩管串聯(lián)：兩管串聯(lián)：MOS管的串、并聯(lián)特性管的串、并聯(lián)特性晶體管的驅(qū)動(dòng)能力是用其導(dǎo)電因子晶體管的驅(qū)動(dòng)能力是用其導(dǎo)電因子k來(lái)表示的，來(lái)表示的，k值越大，值越大，其驅(qū)動(dòng)能力越強(qiáng)。多個(gè)管子的串、并情況下，其等效導(dǎo)其驅(qū)動(dòng)能力越強(qiáng)。多個(gè)管子的串、并情況下，其等效導(dǎo)電因子應(yīng)如何推導(dǎo)？電因子應(yīng)如何推導(dǎo)？VdVgT1T2K1K2VmVs

33、VdVsVgKeff比較（比較（3）（）（4）得：）得：1212effK KKKK111NeffiiKK同理可推出同理可推出N個(gè)管子串聯(lián)使用個(gè)管子串聯(lián)使用時(shí)，其等效增益因子為：時(shí)，其等效增益因子為：221212()DSDSDSGTSGTDVVVVVVIIIKK2212D SeffeffGTSGTDVVVVVVIKKKK1Ne f fiiKK二、兩管并聯(lián)：二、兩管并聯(lián)：VdVsVgKeffVdVgK1K2Vs同理可證，同理可證，N個(gè)個(gè)Vt相等的管子并聯(lián)使用時(shí)：相等的管子并聯(lián)使用時(shí)：baXBVDDA設(shè)：標(biāo)準(zhǔn)反相器的導(dǎo)電因子為設(shè)：標(biāo)準(zhǔn)反相器的導(dǎo)電因子為Kn=KpKn=Kp， 邏輯門(mén)：邏輯門(mén)：Kn1=Kn2=Kn Kp1=Kp2=KpKn1=Kn2=Kn Kp1=Kp2=Kp（1 1）a，b=1，1 1時(shí)，下拉管的等效導(dǎo)電因子：時(shí)，下拉管的等效導(dǎo)電因子：KeffnKeffn=Kn/2=Kn/2BVDDApn Kn/2Kn/2（2 2）a a，b=0b=0，0 0時(shí)，上拉管的等效導(dǎo)電因子：時(shí)，上拉管的等效導(dǎo)電因子：KeffpKeffp=2Kp=2Kp（3 3）a a，b=1b=1，0 0或或0 0，1 1時(shí)，上拉管的等效導(dǎo)電因子：時(shí)，上拉管的等效導(dǎo)電因子：effpeffp=p=p