8场效应晶体管的补充II.ppt

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1、,半导体器件原理,南京大学,Chapter 8.FET的补充分析-CMOS 器件设计与性能参数二、CMOS 性能参数 集成度、开关速度和功率消耗是VLSI的主要参数，主要关注影响开关速度的若干因数。2.1 基本CMOS电路元件2.2 寄生单元(电阻与电容)2.3 CMOS 延迟对器件参数的依赖2.4 先进CMOS器件的性能参数,半导体器件原理,南京大学,2.1 基本CMOS电路元件,半导体器件原理,南京大学,1。CMOS 反相器在任何一个状态,仅有一个晶体管导通,没有静态电流与功率消耗.,半导体器件原理,南京大学,（1）CMOS反相器的传输特性,CMOS与MOSFET输入输出特性的不同点：n-

2、MOSFET电流电压控制规则相同 p-MOSFET(Vs=Vdd),:Vin高，Vg低（IP小）；Vin低，Vg=-Vdd(Ip大）Vout高，Vds低；（IP小）Vout低,Vds=-Vdd(Ip大）,半导体器件原理,南京大学,Vout-Vin 曲线的高到低转变区的陡峭度反映了数字电路 的性能.高低转变点发生在中点:Vin=Vdd/2IP=IN Wp/Wn=In/Ip对短沟道器件,In/Ip要小一些(速度饱和效应)A-C,nMOSFET工作在饱和区,pMOSFET工作在线性区B-D,pMOSFET工作在饱和区,nMOSFET工作在线性区,半导体器件原理,南京大学,（2）CMOS反相器的开关特

3、性 开及关的延迟相等,半导体器件原理,南京大学,C-电容充电C+电容放电p-MOS电阻消耗,C+电容充电C-电容放电n-MOS电阻消耗,半导体器件原理,南京大学,2。CMOS 与门和或门电路(逻辑计算),在与电路中,nMOSFET串联在输出端与地之间,pMOSFET并联在电源与输出端之间.(所有输入端处于高电平时,输出为低.)更多地采用于CMOS技术中.,半导体器件原理,南京大学,在或电路中,nMOSFET并联在输出端与地之间,pMOSFET串联在电源与输出端之间.(所有输入端处于低电平时,输出为高.),半导体器件原理,南京大学,2.2 寄生单元(电阻与电容)1。源漏电阻:,半导体器件原理,南

4、京大学,积累层电阻与扩展电阻积累层电阻依赖于栅压,被认为是Leff的一部分.扩展电阻:陡峭的源漏结,注入点接近于沟道的金属结端点,以上二电阻均很小.渐变的源漏结,注入点离开金属结,二电阻较大.,半导体器件原理,南京大学,薄层电阻:接触电阻:短接触长接触,自对准硅化物工艺中的电阻(薄层电阻和接触电阻均大大减小),半导体器件原理,南京大学,半导体器件原理,南京大学,2。寄生电容(结电容与交迭电容),结电容,半导体器件原理,南京大学,交迭电容,半导体器件原理,南京大学,3。栅电阻:0.25um以下器件中栅RC延迟不能忽略,对大电流器件,多指形的栅版图设计与源漏区的交叉分布.,半导体器件原理,南京大学

5、,4。互连电阻与电容（1）互连电容,在CMOS反相器或与门中可忽略,但在VLSI芯片或系统中,互连电阻与电容将对性能起重要的作用.,半导体器件原理,南京大学,半导体器件原理,南京大学,当金属线或间距尺寸与绝缘或线厚度大致相等时,总电容显示一较宽的最低值.,半导体器件原理,南京大学,（2）互连的等比例缩小所有线性尺寸,金属线长度、宽度、厚度、间距和绝缘层厚度均等比例缩小.,半导体器件原理,南京大学,（3）互连电阻局域的互连：尺度的缩小不导致RC的问题,（4）大尺度互连的RC延迟（不同的等比例缩小规则）,半导体器件原理,南京大学,半导体器件原理,南京大学,2.3 CMOS 延迟对器件参数的依赖开关

6、电阻、输入电容和输出电容延迟传递和延迟方程(1)CMOS反相器链的延迟传递,半导体器件原理,南京大学,(2)延迟方程：开关电阻、输入与输出电容（有负载）,三级输出：,半导体器件原理,南京大学,(3)CMOS延迟等比例变化：理想情况下将等比例减小。电阻减小两倍，而电容基本不变（单位电容增加）但实际并非如此，因阈值电压与关断电流的矛盾。,半导体器件原理,南京大学,2.延迟对沟道宽度、长度和栅氧化层厚度的依赖（1）CMOS延迟对pMOSFET/nMOSFET宽度比的依赖,半导体器件原理,南京大学,（2）器件宽度效应与负载电容,增大宽度将减小开关电阻，改善延迟。插入一缓冲区（宽度k）或驱动器，以提高驱

7、动能力，减小负载延迟。,半导体器件原理,南京大学,（3）延迟对沟道长度的依赖 速度饱和,半导体器件原理,南京大学,反相器的延迟随沟道长度线性地改善（在设计范围内）,半导体器件原理,南京大学,（4）延迟对栅氧化层厚度的依赖薄氧化层对延迟影响较小，但可减小沟道长度，提高器件性能。,半导体器件原理,南京大学,半导体器件原理,南京大学,3.延迟对电源电压和阈值电压的影响,半导体器件原理,南京大学,电源电压与阈值电压设计平面中的功率与延迟的折衷,半导体器件原理,南京大学,4.延迟对寄生电阻和电容的依赖（1）延迟对寄生电阻的依赖,半导体器件原理,南京大学,2）延迟对交迭电容的依赖,半导体器件原理,南京大学

8、,（3）米勒效应：电容两边的充电电压随时间而改变所引起,半导体器件原理,南京大学,（4）延迟对结电容的依赖,半导体器件原理,南京大学,2.4 先进CMOS器件与MOS电容的应用SOI CMOS SOI 衬底由氧离子注入（SIMOX）和键合技术，材料技术与现有CMOS兼容性的进步，使之特别适合于VLSI的应用。,半导体器件原理,南京大学,特性：很小的结电容，源漏的结电容几乎被消除无体效应，如双端与门中，N1的阈值电压不会由于体效应而下降，因为它们的体电势会随源而变化(Vx)。免除软偏差，结端积累的少数载流子（硅中高能辐射产生）会扰乱逻辑存储态，而埋藏的氧化层将大幅度减少受离化辐射的体积。,（1）

9、部分耗尽和全部耗尽SOI MOSFETS部分耗尽：硅层厚度大于最大栅耗尽层厚度全部耗尽：硅层厚度小于最大栅耗尽层厚度,半导体器件原理,南京大学,长沟道器件FD SOI MOSFETS的亚阈值斜率接近理想值(体效应系数接近1，Wdm很大)低阈值电压和工作电压。短沟道器件中，埋层氧化层象一宽的栅耗尽区，使源漏电场极易穿过而导致差的短沟道效应。在PD SOI MOSFETS中，中性区的存在导致浮置的体效应，在一特定情况下会提高电路速度，但漏电流的过冲则总是存在的。中性区的电位依赖于开关频度。（2）SOI CMOS性能参数（强烈依赖于负载）,半导体器件原理,南京大学,半导体器件原理,南京大学,2.Si

10、Ge 或应变硅MOSFET SiGe 或应变硅中载流子的迁移率较体硅中有一增加空穴迁移率在张应力或压应力下均增加（简并度的解除和传导质量的减小）电子迁移率在张应力下增加（传导质量的减小导致较低的两个能谷的电子数量的增加）,寄生电阻和速度饱和效应会减少CMOS性能的改进大小。技术与工艺的困难低温工艺的要求源漏电阻的增大又将消除性能的改进。,半导体器件原理,南京大学,半导体器件原理,南京大学,3.低温CMOS：高迁移率和陡峭的亚阈值斜率。,半导体器件原理,南京大学,改变阈值电压的趋势（降低阈值电压保持电流不变，采用低高结）并充分利用陡峭的亚阈值斜率。,同时低温下金属互连也有较大的改进，使互连RC延迟减小。,半导体器件原理,南京大学,4.MOS电容的应用,半导体器件原理,南京大学,半导体器件原理,南京大学,半导体器件原理,南京大学,半导体器件原理,南京大学,半导体器件原理,南京大学,半导体器件原理,南京大学,半导体器件原理,南京大学,半导体器件原理,南京大学,