数字集成电路chapter3

数字集成电路 课件 中文

从设计角度透视：

数字集成电路

器件2007年9月18日数字集成电路器件

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目的直观理解器件工作原理器件+互连线：数字电路的基石介绍基本器件方程突出对数字电路设计重要的特性、参数

引入模型简化电路分析的复杂度手工分析模型 SPICE仿真模型二级效应、深亚微米效应统计模型：工艺波动

将来趋势数字集成电路器件

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二极管数字集成电路中最常见的寄生器件反偏的寄生电容，影响速度反偏的漏电流，增加功耗B Al A SiO2

也用于PAD的ESD保护

p n Cross-section of pn -junction in an IC process A p n B One-dimensional representation B diode symbol

Al A

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静态特性：二极管电流方程

★ D p p n 0 Dn n p 0 长基区情况 I S= qAD L W + L W 2 1 n数字集成电路 p

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手工分析模型+ VD– ID= IS(eV D/φT– 1) VD– ID++– VDon

(a) Ideal diode model

(b) First-order diode model

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结电容(耗尽区)

★

反向偏压增加极板间距离，可使结电容下降50%以上数字集成电路器件

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二极管模型RS+ VD ID CD

I D= I S e VD

(

nφ T

1

)

-

τ I C D= T S eVφT数字集成电路

D

nφT

+

C j0 (1 VD/φ 0 ) m器件

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SPICE参数

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晶体管一个开关!VGS≥ VT Ron S D

MOS晶体管|VGS|

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MOS晶体管Polysilicon Aluminum

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MOS晶体管类型和符号D D G

G S

S

NMOS增强型D

NMOS耗尽型D

G

G S

B

S

PMOS增强型

NMOS衬底接触

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阈值电压概念(以下讨论NMOS)S+ VGS G D

n+

n+

n-channel p-substrate B

Depletion Region

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阈值电压概念阈值电压初始：G、D、S、B接地 VGS增加– VGS= 0:背靠背二极管–耗尽层耗尽区宽度单位面积空间电荷Wd=Qd=

2ε siφ qN A2 qN Aε siφ

–强反型层费米势

φ F=φ T ln A n i 数字集成电路器件

N

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阈值电压定义

★

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阈值电压的体效应0.9 0.85 0.8 0.75 0.7

V (V)

0.65 0.6 0.55 0.5 0.45 0.4 -2.5

T

-2

-1.5

-1

-0.5

0

V

BS

(V)

衬底相对于源端越负，Vt越大衬底不可相对于源端正偏，否则衬底-源PN结导通数字集成电路设计中一般不考虑——但可能用于低功耗设计的阈值电压控制数字集成电路器件

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电流-电压关系6 x 10-4

VGS= 2.5 V

5

4 ID (A)

线性 (电阻)

饱和VGS= 2.0 V

3

VDS= VGS - VTVGS= 1.5 V

平方关系

2

1

VGS= 1.0 V

0

0

0.5

1 VDS (V)

1.5

2

2.5

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