标题:
IC设计基础系列之CDC篇6:从CMOS到触发器(一)
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作者:
look_w
时间:
2017-11-4 13:51
标题:
IC设计基础系列之CDC篇6:从CMOS到触发器(一)
作为一个微电子专业的
IC learner
,这个学期也有一门课:《微电子器件》,今天我就来聊聊基本的器件:
CMOS
器件及其电路。在后面会聊聊锁存器和触发器。
今天的主要内容如下所示:
·
MOS
晶体管结构与工作原理简述
·
CMOS
单元电路与版图
·
CMOS
门电路
·
CMOS
的功耗表示
老实说,
CMOS
比较偏微电子器件,微电子器件还真难...这里我就说一些做数字设计或许要了解的东西吧(以后要是有必要,会补充)。
1
、
MOS
晶体管结构与工作原理简述
我们或多或少知道,晶体管在数字电路中的主要作用就是一个电子开关,通过电压或者电流,控制这个
“开关”开还是关。晶体管大概有两种分类:一种是双极性晶体管(
BJT
,
bipolar junction transistor
),另外一种是金属
-
氧化物
-
半导体场效应晶体管(
MOSFET
或者
MOS
,
metal-oxide-semiconductor field effect transistor
)。我们这里主要来聊聊
MOS
了,那个
BJT
在现在数字
IC
设计中已经不是主流工艺了。
①
MOS
晶体管分为
PMOS
和
NMOS
,是哪一类
MOS
取决于
衬底
和
掺杂浓度
。至于是怎么形成的,这太复杂了,简单的三言两语说不清楚,这里干脆就不说了,我们直接来看他们的截面图和简单地讲解它们的工作原理好了(以下均以
NMOS
为例)。
NMOS
晶体管的横截面结构如下所示:
最底层是硅晶元圆衬底(
substrate
)
(Body Si
那里
),
最顶上是导电的栅极(
gate
),中间是二氧化硅构成的绝缘层。在过去栅极是由金属构成的,因此叫做金属
-
氧化物
-
半导体,现在的栅极使用的是多晶硅(
poly
)。
MOS
结构中,金属
(
多晶硅
)
与半导体衬底之间的二氧化硅会形成一个电容。
好吧,上面那一段看不懂也没关系,也不重要,需要你记住的是,上述的
NMOS
晶体管中,衬底是
P
型的,衬底上有两个
n
型的掺杂区域分别称为
源极
(
Source
)和
漏极
(
Drain
)(其实你把左边定义为漏而右边定义为源也没有问题,因为这个时候这个器件是对称的,在连接电源和地之后,
S
和
D
才真正确定)
,
中间最上面的称为
栅极(
Gate
)
,这就是
NMOS
的三个电极了(实际上的MOS是一个4端器件,它的衬底也是一个端)。下面来说一下他们怎么工作。
前面我们说了,晶体管的作用就是大致就是一个开关,在电流或者电压的控制下进行开和关,对于
NMOS
晶体管,我们现在给它加上电压,让它开始工作:
如上左图所示,加上电压后,所谓的源极,就相当于电子的源头;所谓的漏极,就相当于漏出电子的开口;而中间的栅极,就像控制开关一样:一方面通过控制在栅极施加的
高
电平电压,使源漏之间出现沟道,
电子
通过沟道从源极流向漏极,电流的方向也就是从漏到源了,从而进行导电,也就是
“开关”打开的的时候(由于是形成的
N
沟道,也就是
电子
导电,因此成为
N
型
CMOS
)。另一方面再通过控制在栅极施加
低
电平电压,让沟道关断,因此就源漏之间就关断了,也就是
“开关”关断的时候。上面就是
NMOS
的结构和工作流程了。(
PMOS
的工作流程恰好相反:通过控制在栅极施加的低电平电压,进行打开,而通过控制在栅极施加高电平电压,让沟道关断。)
注意:栅极的电压达到一定数值时,沟道才会形成,沟道形成时的电压称为
阈值电压(
Vth
)
。
②下面我们来看一下I-V特性曲线(注意这两个称呼,一个是
转移
特性曲线,一个是
输出
特性曲线):
在前面我们知道,对于
NMOS
,源极
(S)
是接地的,漏极(
D
)是接数字电源的,在工作的时候,一般
Vds
是不变的,然后根据栅极(
G
)上的电压决定沟道是否导通。工作的时候,
Vg
的值(也就是输入信号的电压值)是一个定值,要么高电平(可能有波动),要么是低电平,从这里我们也知道
NMOS
工作的时候,是有电流从电源(
VDD
)流到地(
GND
)的(也就是从
D
流到
S
的),在电源电压不变的时候,这个电流随着栅极上的电压增大而增大。
③接着我们看看
MOS
的内部自个形成的电容(寄生电容),如下图所示:
主要分为:
(
1
)栅和沟道之间的氧化层电容
C1
;
(
2
)衬底和沟道之间的耗尽层电容
C2
;
(
3
)多晶硅栅与源和漏的交叠而产生的电容
C3
和
C4
;
(
4
)源
/
漏区与衬底之间的结电容
C5
与
C6
。
好吧,其实这些个
MOS
这个电容我们看看就好了,毕竟我们不是做器件的。
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