集成电路原理第四章.ppt

第四章第四章 MOS逻辑集成电路逻辑集成电路 4.1 MOS器件的基本电学特性器件的基本电学特性 4.1.1 MOSFET的结构与工作原理的结构与工作原理 MOSFETMetal-Oxide-Semiconductor Field Effected Transistor MOSFETMetal-Oxide-Semiconductor Field Effected Transistor 金属氧化物半导体场效应晶体管金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFETNMOSPMOS增强型（常关闭型）增强型（常关闭型）耗尽型（常开启型）耗尽型（常开启型）增强型（常关闭型）增强型（常关闭型）耗尽型（常开启型）耗尽型（常开启型）D漏极漏极DrainG栅极栅极GateS源极源极SourceB衬底衬底Bulk假设假设假设假设V VGG=0V=0V时，栅氧化层中无电荷存在，则可通过对不时，栅氧化层中无电荷存在，则可通过对不时，栅氧化层中无电荷存在，则可通过对不时，栅氧化层中无电荷存在，则可通过对不同同同同V VGG下器件能带分布的情况分析器件的工作原理。下器件能带分布的情况分析器件的工作原理。下器件能带分布的情况分析器件的工作原理。下器件能带分布的情况分析器件的工作原理。图图图图4141NMOSNMOS结构示意图结构示意图结构示意图结构示意图 压控四端有源器件压控四端有源器件压控四端有源器件压控四端有源器件图图图图4242不同不同不同不同V VGG下下下下NMOSFETNMOSFET能带分布能带分布能带分布能带分布 4.1.2MOS器件的阈值电压器件的阈值电压Vth 阈值电压阈值电压阈值电压阈值电压使使使使MOSMOS器件沟道区进入强反型（器件沟道区进入强反型（器件沟道区进入强反型（器件沟道区进入强反型（s s=2=2 FBFB）所需的栅电压。所需的栅电压。所需的栅电压。所需的栅电压。（4-1）M-SM-S系统系统系统系统Si-SiOSi-SiO2 2系统系统系统系统SiSi衬底衬底衬底衬底耗尽区电离电荷耗尽区电离电荷耗尽区电离电荷耗尽区电离电荷式中式中式中式中 MSMS栅与衬底的接触电位差栅与衬底的接触电位差栅与衬底的接触电位差栅与衬底的接触电位差V VBSBS衬底与源之间的衬偏电压衬底与源之间的衬偏电压衬底与源之间的衬偏电压衬底与源之间的衬偏电压 S S衬底表面势衬底表面势衬底表面势衬底表面势 FBFB硅衬底的体费米势硅衬底的体费米势硅衬底的体费米势硅衬底的体费米势QQSSSS硅与硅与硅与硅与SiOSiO2 2界面的单位面积电荷量界面的单位面积电荷量界面的单位面积电荷量界面的单位面积电荷量(C/cmC/cm2 2)QQB0B0零衬偏时零衬偏时零衬偏时零衬偏时SiOSiO2 2下面耗尽层单位面积的电荷量下面耗尽层单位面积的电荷量下面耗尽层单位面积的电荷量下面耗尽层单位面积的电荷量(C/cmC/cm2 2)QQi i调沟离子注入时引入的单位面积电荷量调沟离子注入时引入的单位面积电荷量调沟离子注入时引入的单位面积电荷量调沟离子注入时引入的单位面积电荷量(C/cmC/cm2 2)C Coxox单位面积的栅电容单位面积的栅电容单位面积的栅电容单位面积的栅电容V VFBFB平带电压平带电压平带电压平带电压 体效应因子（衬底偏置效应因子）体效应因子（衬底偏置效应因子）体效应因子（衬底偏置效应因子）体效应因子（衬底偏置效应因子）C/cm2(“+”(“+”PMOSPMOS；“”NMOS)NMOS)（C/cm2）NSS=10101011 cm-2 F/cm2 n nI I=1.5=1.5 10101010cmcm33（测量值）测量值）测量值）测量值）MSMS=体材料的接触电势体材料的接触电势体材料的接触电势体材料的接触电势 栅材料的接触电势栅材料的接触电势栅材料的接触电势栅材料的接触电势（注：在此，接触电势为相对于本征（注：在此，接触电势为相对于本征（注：在此，接触电势为相对于本征（注：在此，接触电势为相对于本征SiSi而言）而言）而言）而言）Si=11.90=8.85410-14F/cm 例例例例4141已已已已知知知知：n n+PolySiPolySi栅栅栅栅NMOSNMOS晶晶晶晶体体体体管管管管，栅栅栅栅氧氧氧氧厚厚厚厚度度度度T Toxox=0.1=0.1 mm，N NA A=3=3 10101515cmcm33，N ND D=10=102020cmcm33，氧氧氧氧化化化化层层层层和和和和硅硅硅硅界界界界面面面面处处处处单单单单位位位位面面面面积积积积的的的的正离子电荷为正离子电荷为正离子电荷为正离子电荷为10101010cmcm22，衬偏衬偏衬偏衬偏V VBSBS=0V=0V。求：求：求：求：V Vthth，解：解：解：解：NMOSNMOS衬底费米势：衬底费米势：衬底费米势：衬底费米势：n n+PolySiPolySi栅接触电势：栅接触电势：栅接触电势：栅接触电势：PolySiPolySi=0.56=0.56（V V）得：得：得：得：单位面积氧化层电容：单位面积氧化层电容：单位面积氧化层电容：单位面积氧化层电容：耗尽层固定电荷：耗尽层固定电荷：耗尽层固定电荷：耗尽层固定电荷：SiSiOSiSiO2 2界面电荷密度：界面电荷密度：界面电荷密度：界面电荷密度：则：则：则：则：体效应因子：体效应因子：体效应因子：体效应因子：4.1.3MOSFET的简单大信号模型参数的简单大信号模型参数（1 1）非饱和区（）非饱和区（）非饱和区（）非饱和区（v vGSGS V Vthth，v vDSDS （v vGSGSVVthth）详细推导见晶体管原理，在此列出表达式：详细推导见晶体管原理，在此列出表达式：详细推导见晶体管原理，在此列出表达式：详细推导见晶体管原理，在此列出表达式：（4-2）SahSah方程，由提出。见方程，由提出。见方程，由提出。见方程，由提出。见“Characteristics of MOSFET”Characteristics of MOSFET”，IEEE IEEE Trans.EDTrans.ED，Vol.ED-11Vol.ED-11，PP324-345PP324-345，JulyJuly，19641964。SiSi衬底沟道区衬底沟道区衬底沟道区衬底沟道区表面迁移率表面迁移率表面迁移率表面迁移率（适用于（适用于（适用于（适用于3535 mPmP阱阱阱阱CMOSCMOS工艺的工艺的工艺的工艺的SPICEMOS2SPICEMOS2模型参数）模型参数）模型参数）模型参数）W W 有效沟道宽度（栅长）有效沟道宽度（栅长）有效沟道宽度（栅长）有效沟道宽度（栅长）L L 有效沟道长度（栅宽）有效沟道长度（栅宽）有效沟道长度（栅宽）有效沟道长度（栅宽）k=Ck=COXOX(A/V(A/V2 2)称为导电系数称为导电系数称为导电系数称为导电系数 =(=(C COXOXW)/LW)/L(A/V(A/V2 2)称为跨导参数称为跨导参数称为跨导参数称为跨导参数（2 2）饱和区（饱和区（饱和区（饱和区（v vGSGS V Vthth，v vDSDS （v vGSGSVVthth）（4-3）式中式中式中式中 为为为为沟道长度调制因子沟道长度调制因子沟道长度调制因子沟道长度调制因子（V V11）5 5 mm硅栅硅栅硅栅硅栅P P栅栅栅栅CMOSCMOS工艺典型值：工艺典型值：工艺典型值：工艺典型值：例例例例4242已已已已知知知知：n n+PolySiPolySi栅栅栅栅NMOSNMOS晶晶晶晶体体体体管管管管宽宽宽宽长长长长比比比比W/L=100W/L=100 m/10m/10 mm，漏漏漏漏、栅栅栅栅、源源源源、衬衬衬衬 底底底底 电电电电 位位位位 分分分分 别别别别 为为为为 5 5V V，3V3V，0V0V，0V0V。n n=580cm=580cm2 2/V/V s s，其他参数与例其他参数与例其他参数与例其他参数与例4141相同。相同。相同。相同。求：求：求：求：漏电流漏电流漏电流漏电流i iDSDS。若漏栅源衬底电位分别为若漏栅源衬底电位分别为若漏栅源衬底电位分别为若漏栅源衬底电位分别为2 2V V，3V3V，0V0V，0V0V，则则则则I IDSDS=？解：解：解：解：由已知得：由已知得：由已知得：由已知得：vvGSGS=3V=3V，v vDSDS=5V=5V，v vBSBS=0V=0V而由例而由例而由例而由例4141得得得得V Vthth=0.439V=0.439VvvDSDS=5V=5V (v(vGSGSVVthth)=30.439=2.561(V)=30.439=2.561(V)器件工作在饱和区，则：器件工作在饱和区，则：器件工作在饱和区，则：器件工作在饱和区，则：（若不考虑沟道长度调制，（若不考虑沟道长度调制，（若不考虑沟道长度调制，（若不考虑沟道长度调制，I IDSDS=0.629mA=0.629mA）若若若若v vGSGS=3V=3V，v vDSDS=2V=2V，v vBSBS=0V=0V，则则则则v vDSDS=2V=2V (v(vGSGSVVthth)=30.439=2.561V)=30.439=2.561V器件工作在非饱和区：器件工作在非饱和区：器件工作在非饱和区：器件工作在非饱和区：4.1.4MOSFET小信号参数小信号参数（1 1）跨导）跨导）跨导）跨导g gmm 表示交流小信号时表示交流小信号时表示交流小信号时表示交流小信号时v vGSGS对对对对i idsds的控制能力（的控制能力（的控制能力（的控制能力（v vDSDS恒定）恒定）恒定）恒定）饱和区：饱和区：饱和区：饱和区：（4-4）非饱和区：（线性区）非饱和区：（线性区）非饱和区：（线性区）非饱和区：（线性区）（4-5）（2 2）沟道电导）沟道电导）沟道电导）沟道电导g gdsds 表示交流小信号时，表示交流小信号时，表示交流小信号时，表示交流小信号时，v vDSDS对对对对i idsds的控制能力（的控制能力（的控制能力（的控制能力（v vGSGS恒定恒定恒定恒定）。）。）。）。饱和区：饱和区：饱和区：饱和区：（4-6）=0，则？非饱和区：（线性区）非饱和区：（线性区）非饱和区：（线性区）非饱和区：（线性区）（4-7）(3)(3)品质因数品质因数品质因数品质因数 0 0 表示开关速度正比于栅压高出阈值电压的程度，可作为表示开关速度正比于栅压高出阈值电压的程度，可作为表示开关速度正比于栅压高出阈值电压的程度，可作为表示开关速度正比于栅压高出阈值电压的程度，可作为频率响应的指标。频率响应的指标。频率响应的指标。频率响应的指标。（4-8）其中：其中：其中：其中：（载流子从（载流子从（载流子从（载流子从S SD D的渡越时间）的渡越时间）的渡越时间）的渡越时间）高速电路需高速电路需高速电路需高速电路需g gmm尽可能大。尽可能大。尽可能大。尽可能大。v vGSGS ，或或或或V Vthth 0 0 ，有利于电路速度提高。但另一方面：有利于电路速度提高。但另一方面：有利于电路速度提高。但另一方面：有利于电路速度提高。但另一方面：v vGSGS v vDSDS ，电路功耗增大。电路功耗增大。电路功耗增大。电路功耗增大。V Vthth 逻辑摆幅逻辑摆幅逻辑摆幅逻辑摆幅 ，电路抗干扰能力下降。，电路抗干扰能力下降。，电路抗干扰能力下降。，电路抗干扰能力下降。应折中考虑。应折中考虑。应折中考虑。应折中考虑。100100 晶向的晶向的晶向的晶向的n n型反型层（型反型层（型反型层（型反型层（P P型衬底）表面电子迁移率大于型衬底）表面电子迁移率大于型衬底）表面电子迁移率大于型衬底）表面电子迁移率大于 111111 晶向的迁移率，大约为晶向的迁移率，大约为晶向的迁移率，大约为晶向的迁移率，大约为 111111 晶向晶向晶向晶向P P型反型层中空穴迁移型反型层中空穴迁移型反型层中空穴迁移型反型层中空穴迁移率的率的率的率的3 3倍。所以，高速倍。所以，高速倍。所以，高速倍。所以，高速nmosnmos电路多选择电路多选择电路多选择电路多选择 100100 晶向晶向晶向晶向P P型衬底。型衬底。型衬底。型衬底。4.5MOS器件分类与比较器件分类与比较(1)MOS器件分类器件分类 MOSFET 图图图图4343各类各类各类各类MOSFETMOSFET符号与特性比较符号与特性比较符号与特性比较符号与特性比较 图图图图4343各类各类各类各类MOSFETMOSFET符号与特性比较符号与特性比较符号与特性比较符号与特性比较 图图图图4343各类各类各类各类MOSFETMOSFET符号与特性比较符号与特性比较符号与特性比较符号与特性比较 图图图图4343各类各类各类各类MOSFETMOSFET符号与特性比较符号与特性比较符号与特性比较符号与特性比较(2)V(2)Vthth的比较的比较的比较的比较 Vth=MS +2FB Al栅：E-NMOS 0 +D-NMOS 0 +E-PMOS 0 D-PMOS 0 N+硅栅：E-NMOS 0 +D-NMOS 0 +E-PMOS 0 D-PMOS 0 +P+硅栅：E-NMOS 0 +D-NMOS 0 +E-PMOS 0 +D-PMOS 0 +在集成电路工艺中，通常需要对阈值电压进行调整，使之满在集成电路工艺中，通常需要对阈值电压进行调整，使之满在集成电路工艺中，通常需要对阈值电压进行调整，使之满在集成电路工艺中，通常需要对阈值电压进行调整，使之满足电路设计的要求，此工序称为足电路设计的要求，此工序称为足电路设计的要求，此工序称为足电路设计的要求，此工序称为“调沟调沟调沟调沟”。即向沟道区进行离。即向沟道区进行离。即向沟道区进行离。即向沟道区进行离子注入（子注入（子注入（子注入（IonImplantationIonImplantation）,以改变沟道区表面附近载流子浓以改变沟道区表面附近载流子浓以改变沟道区表面附近载流子浓以改变沟道区表面附近载流子浓度，与此相关的项用度，与此相关的项用度，与此相关的项用度，与此相关的项用表示。一般调沟用浅注入，注入能量表示。一般调沟用浅注入，注入能量表示。一般调沟用浅注入，注入能量表示。一般调沟用浅注入，注入能量在在在在6060 8080KeVKeV左右；若异型注入剂量、能量较大，则可注入到左右；若异型注入剂量、能量较大，则可注入到左右；若异型注入剂量、能量较大，则可注入到左右；若异型注入剂量、能量较大，则可注入到体内，形成埋沟体内，形成埋沟体内，形成埋沟体内，形成埋沟MOSMOS（BuriedChannelMOSBuriedChannelMOS）。）。）。）。4.1.6MOS器件与双极型晶体管器件与双极型晶体管BJT的的特性特性特性特性比较比较 MOSFETMetal Oxide Semiconductor Field Effect TransistorMOSFETMetal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor BJTBipolar Junction Transistor BJTBipolar Junction Transistor 图图图图4444双极与双极与双极与双极与MOSMOS器件输出特性曲线器件输出特性曲线器件输出特性曲线器件输出特性曲线 双极器件双极器件双极器件双极器件单极器件单极器件单极器件单极器件少子器件少子器件少子器件少子器件多子器件多子器件多子器件多子器件压控器件压控器件压控器件压控器件 流控器件流控器件流控器件流控器件4.2 NMOS4.2 NMOS逻辑逻辑逻辑逻辑IC IC 4.2.1 静态静态MOS反相器分类反相器分类图图图图4545各类静态各类静态各类静态各类静态MOSMOS反相器反相器反相器反相器 静态静态静态静态MOSMOS电路的特点电路的特点电路的特点电路的特点（1 1）可在直流电压下工作。）可在直流电压下工作。）可在直流电压下工作。）可在直流电压下工作。（2 2）当完成一个逻辑过程后，只要条件不变，其最终结果可长）当完成一个逻辑过程后，只要条件不变，其最终结果可长）当完成一个逻辑过程后，只要条件不变，其最终结果可长）当完成一个逻辑过程后，只要条件不变，其最终结果可长时间以一种稳定状态保持下来。时间以一种稳定状态保持下来。时间以一种稳定状态保持下来。时间以一种稳定状态保持下来。（3 3）电路的线路形式可与同功能的双极型电路类似。）电路的线路形式可与同功能的双极型电路类似。）电路的线路形式可与同功能的双极型电路类似。）电路的线路形式可与同功能的双极型电路类似。4.2.2NMOS反相器反相器(1)电阻负载电阻负载 反反反反相相相相器器器器静静静静态态态态特特特特性性性性通通通通常常常常用用用用电电电电压压压压传传传传输输输输特特特特性性性性（V V0 0 V Vi i）来来来来描描描描述述述述。可可可可由由由由负负负负载载载载的的的的伏伏伏伏安安安安特特特特性性性性、输输输输入入入入管管管管特特特特性及电源电压性及电源电压性及电源电压性及电源电压三要素导出。三要素导出。三要素导出。三要素导出。由负载特性：由负载特性：由负载特性：由负载特性：（4-9）图图图图4646电阻负载反相器电阻负载反相器电阻负载反相器电阻负载反相器 则，其负载线方程：则，其负载线方程：则，其负载线方程：则，其负载线方程：（4-10）可得：可得：可得：可得：（411411）图图图图4747负载线方程曲线负载线方程曲线负载线方程曲线负载线方程曲线图图图图4848传输特性曲线传输特性曲线传输特性曲线传输特性曲线 由传输特性曲线（图由传输特性曲线（图由传输特性曲线（图由传输特性曲线（图4848）可见：）可见：）可见：）可见：（1 1）V VOHOH=V=VDDDD（2 2）R RL L ，V VOLOL （3 3）R RL L ，过渡区变窄过渡区变窄过渡区变窄过渡区变窄要使反相器性能要使反相器性能要使反相器性能要使反相器性能 ，须有大阻值，须有大阻值，须有大阻值，须有大阻值R RL L。(2)饱和负载反相器（饱和负载反相器（E/E）由图由图由图由图4949所示，对于负载管所示，对于负载管所示，对于负载管所示，对于负载管T TL L：T TL L始终处于饱和区，因此称为饱和负载反相器。始终处于饱和区，因此称为饱和负载反相器。始终处于饱和区，因此称为饱和负载反相器。始终处于饱和区，因此称为饱和负载反相器。1）静态特性：）静态特性：包括输出特性、传输特包括输出特性、传输特包括输出特性、传输特包括输出特性、传输特性和直流噪声容限。性和直流噪声容限。性和直流噪声容限。性和直流噪声容限。输出特性输出特性反相器的输出特性考虑两个反相器的输出特性考虑两个反相器的输出特性考虑两个反相器的输出特性考虑两个状态：开态（导通态：状态：开态（导通态：状态：开态（导通态：状态：开态（导通态：I Ionon、V Vonon）和关态（截止态：和关态（截止态：和关态（截止态：和关态（截止态：I Ioffoff、V Voffoff）。）。）。）。图图图图4949E/ENMOSE/ENMOS反相器反相器反相器反相器 开态时开态时，负载管负载管负载管负载管T TL L：（4-12）而：即：（4-13）可见，要使可见，要使可见，要使可见，要使V VOLOL，须有须有须有须有g gmLmLggmImI，即：即：即：即：(W/L)W/L)L L(W/L)(W/L)I I。其中其中其中其中（4-14）而输入管跨导：而输入管跨导：而输入管跨导：而输入管跨导：（4-15）关态时关态时，截止电压截止电压截止电压截止电压V Voffoff即输出高电平。忽略即输出高电平。忽略即输出高电平。忽略即输出高电平。忽略I Ioffoff，有：有：有：有：（4-16）则，与式则，与式则，与式则，与式413413联立，得：联立，得：联立，得：联立，得：或（4-17）由以上分析可知，反相器导通时，由以上分析可知，反相器导通时，由以上分析可知，反相器导通时，由以上分析可知，反相器导通时，T TL L、T TI I都导通，输出都导通，输出都导通，输出都导通，输出低电平低电平低电平低电平V VOLOL，并由两管得跨导之比决定并由两管得跨导之比决定并由两管得跨导之比决定并由两管得跨导之比决定有比电路有比电路有比电路有比电路。区分有比电路和无比电路的一个简单方法：区分有比电路和无比电路的一个简单方法：区分有比电路和无比电路的一个简单方法：区分有比电路和无比电路的一个简单方法：如输出低电平时输入管和负载管都导通，为有比如输出低电平时输入管和负载管都导通，为有比如输出低电平时输入管和负载管都导通，为有比如输出低电平时输入管和负载管都导通，为有比电路，反之则为无比电路。电路，反之则为无比电路。电路，反之则为无比电路。电路，反之则为无比电路。传输特性传输特性根据如前所述方法由电源根据如前所述方法由电源根据如前所述方法由电源根据如前所述方法由电源电压、负载管伏安特性和输入电压、负载管伏安特性和输入电压、负载管伏安特性和输入电压、负载管伏安特性和输入管特性可确定管特性可确定管特性可确定管特性可确定 E/ENMOSE/ENMOS反相反相反相反相器传输特性曲线如图器传输特性曲线如图器传输特性曲线如图器传输特性曲线如图4949示。示。示。示。图图图图4949E/EE/E反相器传输特性曲线反相器传输特性曲线反相器传输特性曲线反相器传输特性曲线 定义：定义：定义：定义：（4-18）则则则则（4-19）R R ，V VOLOL ，过渡区过渡区过渡区过渡区 。直流噪声容限（或指定噪容）直流噪声容限（或指定噪容）直流噪声容限（或指定噪容）直流噪声容限（或指定噪容）要使反相器抗干扰能力强，就须：要使反相器抗干扰能力强，就须：要使反相器抗干扰能力强，就须：要使反相器抗干扰能力强，就须：其逻辑摆幅大其逻辑摆幅大其逻辑摆幅大其逻辑摆幅大V VOHOH ，V VOLOL高高高高V VDDDD和和和和 I I/L L1 1。高增益过渡区高增益过渡区高增益过渡区高增益过渡区 ，电压放大系数电压放大系数电压放大系数电压放大系数KKV V输入管跨导输入管跨导输入管跨导输入管跨导g gmImI 。图图图图410410直流噪声容限直流噪声容限直流噪声容限直流噪声容限 其中：其中：其中：其中：V VILIL、V VIHIH分分分分别别别别为为为为输输输输入入入入低低低低电电电电平平平平上限和输入高电平的下限。上限和输入高电平的下限。上限和输入高电平的下限。上限和输入高电平的下限。V VNMLNML、V VNMHNMH则为低电平噪则为低电平噪则为低电平噪则为低电平噪容和高电平噪容。容和高电平噪容。容和高电平噪容。容和高电平噪容。?2 2）瞬态特性）瞬态特性）瞬态特性）瞬态特性假设：假设：假设：假设：不考虑不考虑不考虑不考虑MOSMOS管本身的存贮时间和渡越时间管本身的存贮时间和渡越时间管本身的存贮时间和渡越时间管本身的存贮时间和渡越时间;电路输出端的全部电容等效为负载电容电路输出端的全部电容等效为负载电容电路输出端的全部电容等效为负载电容电路输出端的全部电容等效为负载电容;输入波形为理想方波输入波形为理想方波输入波形为理想方波输入波形为理想方波.（4-20）可见，负载电容可见，负载电容可见，负载电容可见，负载电容C CL L ，t tf f 。即电容存贮的电荷量减小，对即电容存贮的电荷量减小，对即电容存贮的电荷量减小，对即电容存贮的电荷量减小，对于相同的泄放电流所需的放电时间就变短。于相同的泄放电流所需的放电时间就变短。于相同的泄放电流所需的放电时间就变短。于相同的泄放电流所需的放电时间就变短。当当当当V VOHOH/V/VOLOL=15=15 2020，计算下降计算下降计算下降计算下降时间时间时间时间t tf f的简化公式为的简化公式为的简化公式为的简化公式为 而上升（充电）时间近似计算公式：而上升（充电）时间近似计算公式：而上升（充电）时间近似计算公式：而上升（充电）时间近似计算公式：（4-21）从上式可以看出，从上式可以看出，从上式可以看出，从上式可以看出，负载电容负载电容负载电容负载电容C CL L 或或或或 L L 都可使都可使都可使都可使t tr r 。上升时间上升时间上升时间上升时间t tr r与下降时间与下降时间与下降时间与下降时间t tf f之间的比较：之间的比较：之间的比较：之间的比较：trtfIL 图图图图411411考虑了延迟的输出波形考虑了延迟的输出波形考虑了延迟的输出波形考虑了延迟的输出波形 应注意的是，在上升过程中：应注意的是，在上升过程中：应注意的是，在上升过程中：应注意的是，在上升过程中：V VOO升高，升高，升高，升高，T TL L衬底偏置效应衬底偏置效应衬底偏置效应衬底偏置效应 ，V VthLthL ，当当当当V VOOV VOHOH=V=VDDDD-V-VthLthL，T TL L处于临界导通状态，导通电阻很大，导电电流很小，上升过处于临界导通状态，导通电阻很大，导电电流很小，上升过处于临界导通状态，导通电阻很大，导电电流很小，上升过处于临界导通状态，导通电阻很大，导电电流很小，上升过程变缓，充电时间曲线拖着一个程变缓，充电时间曲线拖着一个程变缓，充电时间曲线拖着一个程变缓，充电时间曲线拖着一个“长尾长尾长尾长尾”。改进措施：采用非饱和负载、自举负载。改进措施：采用非饱和负载、自举负载。改进措施：采用非饱和负载、自举负载。改进措施：采用非饱和负载、自举负载。3）速度功耗乘积）速度功耗乘积 静态功耗静态功耗静态功耗静态功耗反相器不接负载处于导通状态时的功耗。反相器不接负载处于导通状态时的功耗。反相器不接负载处于导通状态时的功耗。反相器不接负载处于导通状态时的功耗。（4-22）平均直流静态功耗：平均直流静态功耗：平均直流静态功耗：平均直流静态功耗：（4-23）瞬态附加功耗瞬态附加功耗瞬态附加功耗瞬态附加功耗P Pt t反相器做开关器件使用时，在高低电平转换期间对负载反相器做开关器件使用时，在高低电平转换期间对负载反相器做开关器件使用时，在高低电平转换期间对负载反相器做开关器件使用时，在高低电平转换期间对负载电容电容电容电容C CL L充、放电所消耗的功率。充、放电所消耗的功率。充、放电所消耗的功率。充、放电所消耗的功率。（4-24）其中，其中，其中，其中，f f为开关频率，为开关频率，为开关频率，为开关频率，（一般（一般（一般（一般t tr rt tf f）。）。）。）。而要使而要使而要使而要使MOSMOS电路工作速度电路工作速度电路工作速度电路工作速度 ，应有，应有，应有，应有t tr r ，即对负载电容充电即对负载电容充电即对负载电容充电即对负载电容充电的电流的电流的电流的电流 ，则，则，则，则 可以看出，降低功耗与提高速度是矛盾的。因此需要有一可以看出，降低功耗与提高速度是矛盾的。因此需要有一可以看出，降低功耗与提高速度是矛盾的。因此需要有一可以看出，降低功耗与提高速度是矛盾的。因此需要有一个新的指标来综合衡量电路性能个新的指标来综合衡量电路性能个新的指标来综合衡量电路性能个新的指标来综合衡量电路性能集成电路优值（延时功耗积）集成电路优值（延时功耗积）集成电路优值（延时功耗积）集成电路优值（延时功耗积）得延时功耗乘积：得延时功耗乘积：得延时功耗乘积：得延时功耗乘积：（4-25）定义平均延迟时间：定义平均延迟时间：定义平均延迟时间：定义平均延迟时间：充分导通充分导通充分导通充分导通当反相器输出高电平时，虽然当反相器输出高电平时，虽然当反相器输出高电平时，虽然当反相器输出高电平时，虽然V VthLthL随着随着随着随着V VOO 而增大，但而增大，但而增大，但而增大，但V VGGGG较大较大较大较大V VGSLGSL较大，即使输出较大，即使输出较大，即使输出较大，即使输出V VOHOH=V=VDDDD时仍能保证时仍能保证时仍能保证时仍能保证V VGSLGSLVVthLthL，即即即即T TL L充分导通，从而饱和充分导通，从而饱和充分导通，从而饱和充分导通，从而饱和负载负载负载负载E/E NMOSE/E NMOS反相器上升沿反相器上升沿反相器上升沿反相器上升沿“长尾长尾长尾长尾”现象得到改善。现象得到改善。现象得到改善。现象得到改善。当反相器截止（输出高电平）时，当反相器截止（输出高电平）时，当反相器截止（输出高电平）时，当反相器截止（输出高电平）时，T TL L处于处于处于处于充分导通状态，充分导通状态，充分导通状态，充分导通状态，充电电流充电电流充电电流充电电流 ，t tr r ，有利于有利于有利于有利于提高速度。但需双电源，且功耗大，综合提高速度。但需双电源，且功耗大，综合提高速度。但需双电源，且功耗大，综合提高速度。但需双电源，且功耗大，综合而言，其电路优值改进不大。而言，其电路优值改进不大。而言，其电路优值改进不大。而言，其电路优值改进不大。（3）非饱和负载反相器非饱和负载反相器（4）自举负载反相器自举负载反相器图图图图412412自举负载反相器自举负载反相器自举负载反相器自举负载反相器 自举（自举（自举（自举（BootstrappingBootstrapping）过程）过程）过程）过程预充电管预充电管预充电管预充电管T T3 3使使使使T T2 2的的的的V VG2G2 (V(VDDDD-V-VT3T3)，在，在，在，在 V VOO上升过程中，通过电容上升过程中，通过电容上升过程中，通过电容上升过程中，通过电容C Cb b的的的的正反馈作用，电荷增量在正反馈作用，电荷增量在正反馈作用，电荷增量在正反馈作用，电荷增量在C CS S、C Cb b上形成电荷分配，产生电压增量上形成电荷分配，产生电压增量上形成电荷分配，产生电压增量上形成电荷分配，产生电压增量 V V，使使使使T T2 2的栅电压随的栅电压随的栅电压随的栅电压随V VOO的升高而升高的升高而升高的升高而升高的升高而升高“自举自举自举自举”预充电管预充电管预充电管预充电管C Cb bTT2 2管管管管GG、S S间的间的间的间的MOSMOS电容电容电容电容C Cs sTT2 2管管管管GG、B B间寄生电容间寄生电容间寄生电容间寄生电容+T T3 3管源扩散区势垒电容管源扩散区势垒电容管源扩散区势垒电容管源扩散区势垒电容 由于由于由于由于C Cb b的反馈作用而在的反馈作用而在的反馈作用而在的反馈作用而在T T2 2栅极产生一迭加的增量电压：栅极产生一迭加的增量电压：栅极产生一迭加的增量电压：栅极产生一迭加的增量电压：（4-26）在电路设计时，在电路设计时，在电路设计时，在电路设计时，需要设置适当的需要设置适当的需要设置适当的需要设置适当的 ，即调整即调整即调整即调整C CS S、C Cb b的比例，的比例，的比例，的比例，使增量电压使增量电压使增量电压使增量电压 V V 足够大，以确保足够大，以确保足够大，以确保足够大，以确保T T2 2进入非饱和态，进入非饱和态，进入非饱和态，进入非饱和态，即即即即：（4-27）即即即即（4-28）则则则则（4-29）（称为自举率）称为自举率）称为自举率）称为自举率）在在在在此此此此，集集集集成成成成工工工工艺艺艺艺中中中中一一一一般般般般NMOSNMOS器器器器件件件件阈阈阈阈值值值值电电电电压压压压相相相相同同同同，即即即即V VT2T2=V=VT3T3=V=VT T，当当当当 V=V=V VOO=2V=2VT T时时时时，就就就就有有有有V VG2G2=V=VDDDD V VT T+2V+2VT T=V=VDDDD+V+VT T，此此此此时时时时达达达达到到到到饱饱饱饱和和和和/非非非非饱饱饱饱和和和和临临临临界界界界状状状状态态态态。V VOO继继继继续续续续增增增增大大大大，V VG2G2电电电电位位位位随随随随着着着着升升升升高高高高，T T2 2管管管管进进进进入入入入非非非非饱饱饱饱和和和和区区区区，同同同同时时时时可可可可使使使使瞬瞬瞬瞬态态态态V VOHOH=V=VDDDD，且提高了工作速度。且提高了工作速度。且提高了工作速度。且提高了工作速度。但应注意：但应注意：但应注意：但应注意：该电路的静态该电路的静态该电路的静态该电路的静态V VOHOH=V=VDDDD-2V-2VT T。因此，提出了两种改进型的因此，提出了两种改进型的因此，提出了两种改进型的因此，提出了两种改进型的自举负载结构，如图自举负载结构，如图自举负载结构，如图自举负载结构，如图4-134-13所示。所示。所示。所示。其中其中其中其中T T4 4为提拉管，使为提拉管，使为提拉管，使为提拉管，使V VOHOH=V=VDDDDVVT4T4，R R为上拉电阻使为上拉电阻使为上拉电阻使为上拉电阻使V VOHOH=V=VDDDD。图图图图413413两种改进型自举负载反相器两种改进型自举负载反相器两种改进型自举负载反相器两种改进型自举负载反相器？（5）E/DNMOS反相器反相器图图图图414414E/DE/D反相器剖视图反相器剖视图反相器剖视图反相器剖视图 负载管负载管负载管负载管T TL L为耗尽型为耗尽型为耗尽型为耗尽型NMOSNMOS，V VGSLGSL=0V=0VTDTD，始终导通，且在大部始终导通，且在大部始终导通，且在大部始终导通，且在大部分时间内工作在饱和区，保持恒流特性分时间内工作在饱和区，保持恒流特性分时间内工作在饱和区，保持恒流特性分时间内工作在饱和区，保持恒流特性，与与与与E/E NMOSE/E NMOS反相器相反相器相反相器相反相器相比，有更长的时间比，有更长的时间比，有更长的时间比，有更长的时间以较大的电流充电，以较大的电流充电，以较大的电流充电，以较大的电流充电，t tr r ；随着随着随着随着V VOO的升高，的升高，的升高，的升高，V VTDTD 因衬偏效应而降低，充电电流有所下降，总的看来，其性能因衬偏效应而降低，充电电流有所下降，总的看来，其性能因衬偏效应而降低，充电电流有所下降，总的看来，其性能因衬偏效应而降低，充电电流有所下降，总的看来，其性能优于优于优于优于E/EE/E反相器。反相器。反相器。反相器。该结构的主要特点：该结构的主要特点：该结构的主要特点：该结构的主要特点：（1 1）V VOhmaxOhmax=V=VDDDD，可在低电源电压下工作。可在低电源电压下工作。可在低电源电压下工作。可在低电源电压下工作。（2 2）直流特性强烈依赖于）直流特性强烈依赖于）直流特性强烈依赖于）直流特性强烈依赖于V VTDTD，由由由由I ID D饱和饱和饱和饱和=I IE E非饱非饱非饱非饱可得：可得：可得：可得：（4-30）V VTDTD，V VOLOL ，不需调不需调不需调不需调W/LW/L，可使芯片面积减小。可使芯片面积减小。可使芯片面积减小。可使芯片面积减小。（3 3）负载管具有恒流源特性，工作速度较快。）负载管具有恒流源特性，工作速度较快。）负载管具有恒流源特性，工作速度较快。）负载管具有恒流源特性，工作速度较快。图图图图415415不同负载形式的充放电能力比较不同负载形式的充放电能力比较不同负载形式的充放电能力比较不同负载形式的充放电能力比较（6）小结小结有比电路的弱点：有比电路的弱点：有比电路的弱点：有比电路的弱点：直流功耗较大（直流功耗较大（直流功耗较大（直流功耗较大（V Vi i=“1”=“1”，两管同时导通）两管同时导通）两管同时导通）两管同时导通）两元件相互依赖（为保证两元件相互依赖（为保证两元件相互依赖（为保证两元件相互依赖（为保证V VOLOL足够低，足够低，足够低，足够低，R R大）大）大）大）输出波形得上升沿和下降沿极不对称（充放电能力不同）输出波形得上升沿和下降沿极不对称（充放电能力不同）输出波形得上升沿和下降沿极不对称（充放电能力不同）输出波形得上升沿和下降沿极不对称（充放电能力不同）因此，发展了因此，发展了因此，发展了因此，发展了CMOSCMOS互补互补互补互补(Complementary)Complementary)反相器反相器反相器反相器。（