Machine Translated by Google
Thiết kế và Triển khai Hệ thống VLSI
bài giảng04
MOSFET
Machine Translated by Google
Lý thuyết bóng bán dẫn MOS
• Lịch học 4 buổi
– Mô hình lý tưởng (Shockley)
– Mẫu người phi lý tưởng
– Đặc tính biến tần DC
– GIA VỊ
Machine Translated by Google
bánh sandwich cổng-oxit-cơ thể = tụ điện
chất cách điện
Chế độ hoạt động
• Tích lũy •
Suy giảm •
Đảo ngược
vg < 0
silicon dioxide cổng polysilic
+
-
cơ thể loại p
(Một)
0 < Vg < Vt
• Điện tích tích lũy
tỷ lệ thuận với
điện áp kênh cổng
+
-
vùng nghèo
+
-
khu vực suy giảm
(b)
Vg > Vt
dư thừa (Vgc-Vt )
(c)
khu vực đảo ngược
Machine Translated by Google
Điện dung cổng như là một chức năng của VSS
QuickTime™ và bộ
giải nén
là cần thiết để xem hình ảnh này.
Machine Translated by Google
Transistor MOS có ba vùng hoạt
động
• Cắt
Vgs < Vt
• Tuyến tính (điện trở):
Vss > Vt & Vds < VSAT=Vss-Vt
Chống đỡ hiện tại cho Vds
Bóng bán dẫn NMOS, 0,25um, Ld = 10um, W/L = 1,5, VDD =
2,5V, VT = 0,4V
• Độ bão hòa:
Vss > Vt và Vds ≥ VSAT=Vss-Vt
Hiện tại không phụ thuộc vào Vds
Machine Translated by Google
Làm thế nào để tính toán giá trị hiện tại?
• Cấu trúc MOS trông giống như tụ điện bản
song song khi hoạt động đảo ngược
– Cổng – oxit – kênh
• Qchannel = CV
• C = εoxWL/tox = CoxWL (trong đó Cox =εox/tox)
• V = Vgc – Vt = (Vgs – Vds/2) – Vt
cổng
Vg
+
nguồn
đấu với
VGS
n+ -
cg
+
Vgd
kênh
Vds
cơ thể loại p
làm khô hạn
Vd
+ n+
Machine Translated by Google
Vận tốc sóng mang là một yếu tố quyết định
dòng điện
• Điện tích được mang bởi các
electron • Vận tốc hạt tải điện v tỷ lệ với điện trường bên
giữa nguồn và cống
• v = μE
μ gọi là di động
• E = Vds/L
• Thời gian sóng mang vượt kênh:
t = L / v = L / (μ Vds/L)
= L2 / (μ Vds)
Machine Translated by Google
Tôi=Q/t
• Bây giờ chúng ta biết
– Qchannel có bao nhiêu phí trong kênh
– Thời gian t mỗi hãng vận tải đi qua
đs
TÔI
=
Hỏikênh
t
=
=
Vđs
W
CV V
con bò đực
gs
l
Vgs V
Vđs
t
2
Vđs
Vđs
t
2
Machine Translated by Google
Ở chế độ tuyến tính (Vgs > Vt & Vds < Vgs-Vt )
đs
TÔI
=
Hỏikênh
t
W
=
CV V
=
Vgs V
con bò đực
t
gs
l
t
Vđs
Vđs
2
Vđs
Có thể bỏ qua cho Vds nhỏ
V đs
2
Đối với một Vgs nhất định, Ids tỷ lệ (tuyến tính) với Vds
Machine Translated by Google
Ở chế độ bão hòa (Vgs > Vt và Vds ≥ Vgs-Vt )
đs
TÔI
=
Hỏikênh
t
=
W
CV V
l
=
TÔI
đs
V gsV
=
=
gs
con bò đực
2
(VV
gs
Vđs
t
Vgs V
-
t
Vđs
2V
Vdsat
t
2V
đs
đs
gờ thắt
2V
dsat
2
t
)
Bây giờ điện áp thoát không còn tăng dòng điện
Machine Translated by Google
Tóm tắt chế độ hoạt động
0
TÔI
đs
=
Vgs V
2
Vv
gs
Vđs
t
(VV gs
2
2
t
)
VVV
đs
t
đs
dsat
VV
đs
dsat
cắt
tuyến tính
bão hòaN
Machine Translated by Google
Machine Translated by Google
điện dung bóng bán dẫn
Điện dung cổng: vào thân + xả + đến nguồn
Điện
dung khuếch tán: điện dung thân nguồn và thân xả
Machine Translated by Google
Điện dung cổng như là một chức năng của VSS
QuickTime™ và bộ
giải nén
là cần thiết để xem hình ảnh này.
Machine Translated by Google
Nguồn/Xả điện dung khuếch tán
• Csb, Cdb
• Không mong muốn, gọi là điện
dung ký sinh
Bộ cấy chặn kênh
NA1
• Điện dung phụ thuộc vào diện tích
và chu vi
tường bên
Nguồn
W
ND
– Sử dụng các nút khuếch tán nhỏ
Đáy
– So sánh với Cg
– Thay đổi theo quy trình
xj
tường bên
Ls
Kênh
Chất nềnNA
Machine Translated by Google
Machine Translated by Google
bài tập
• Một bóng bán dẫn dài 90 nm có một oxit cổng
độ dày 16 A. Điện dung cổng của nó trên mỗi micron
chiều rộng là bao nhiêu?
Machine Translated by Google
bài tập
• Một bóng bán dẫn dài 90 nm có độ dày oxit cổng là
16 A. Điện dung cổng của nó trên mỗi micron chiều rộng là bao nhiêu?
Machine Translated by Google
bài tập
• Một bóng bán dẫn dài 90 nm có độ dày oxit cổng là
16 A. Điện dung cổng của nó trên mỗi micron chiều rộng là bao nhiêu?
Machine Translated by Google
bài tập
• Tính toán sự khuếch tán ký sinh Cdb của cống của bóng
bán dẫn nMOS tiếp xúc có kích thước đơn vị trong
quy trình 0,6 µm khi cống ở mức 0 và ở VDD = 5 V.
Giả sử chất nền được nối đất. Các đặc tính của
bóng bán dẫn là CJ = 0,42 fF/µm2 , MJ = 0,44, CJSW =
0,33 fF/µm, MJSW = 0,12 và Ψ0 = 0,98 V ở nhiệt độ
phòng. Kích thước tối thiểu của tiếp điểm khuếch tán
là 1,2x1,5 µm.
Machine Translated by Google
bài tập
• Tính toán khuếch tán ký sinh Cdb của cống của bóng
bán dẫn nMOS tiếp xúc có kích thước đơn vị
trong quy trình 0,6 µm khi cống ở 0 và ở VDD = 5 V.
Giả sử chất nền được nối đất. Các đặc tính của
bóng bán dẫn là CJ = 0,42 fF/µm2 , MJ = 0,44, CJSW =
0,33 fF/µm, MJSW = 0,12 và Ψ0 = 0,98 V ở nhiệt độ
phòng. Kích thước tối thiểu của tiếp điểm khuếch tán
là 1,2x1,5 µm.
Machine Translated by Google
bài tập
• Tính toán Cdb ký sinh khuếch tán của cống của một đơn vị kích thước
đã tiếp xúc với bóng bán dẫn nMOS trong quy trình 0,6 µm khi cống ở mức
0 và ở VDD = 5 V. Giả sử chất nền được nối đất. Các đặc tính của
bóng bán dẫn là CJ = 0,42 fF/µm2 , MJ = 0,44, CJSW = 0,33 fF/µm, MJSW =
0,12 và Ψ0 = 0,98 V ở nhiệt độ phòng.
Kích thước tối thiểu của tiếp điểm khuếch tán là 1,2x1,5
µm. • Giải pháp:
• Diện tích = 1,8 µm2 . Thông số = 5,4 µm2 => điện dung tổng:
Machine Translated by Google
bài tập
• Tính toán Cdb ký sinh khuếch tán của cống của một đơn vị kích thước
đã tiếp xúc với bóng bán dẫn nMOS trong quy trình 0,6 µm khi cống ở mức
0 và ở VDD = 5 V. Giả sử chất nền được nối đất. Các đặc tính của
bóng bán dẫn là CJ = 0,42 fF/µm2 , MJ = 0,44, CJSW = 0,33 fF/µm, MJSW =
0,12 và Ψ0 = 0,98 V ở nhiệt độ phòng.
Kích thước tối thiểu của tiếp điểm khuếch tán là 1,2x1,5
µm. • Giải pháp:
• Diện tích = 1,8 µm2 . Thông số = 5,4 µm2 => điện dung tổng:
Machine Translated by Google
Machine Translated by Google
Machine Translated by Google
Machine Translated by Google
Machine Translated by Google
Machine Translated by Google
Machine Translated by Google
Machine Translated by Google
Machine Translated by Google
Machine Translated by Google
Machine Translated by Google
bài tập
• Xem xét bóng bán dẫn nMOS trong 0,6 µm
quá trình với cổng oxit dày 100A. Mức pha
tạp là NA = 2 × 1017 cm–3 và điện áp
ngưỡng danh nghĩa là 0,7V. Cơ thể được
buộc vào mặt đất với một chất nền tiếp
xúc. Ngưỡng thay đổi bao nhiêu ở nhiệt
độ phòng nếu nguồn ở mức 4 V thay vì 0?
Machine Translated by Google
bài tập
• Xem xét bóng bán dẫn nMOS trong quy trình 0,6 µm
với độ dày oxit cổng là 100A. Mức pha tạp là NA =
2 × 1017 cm–3 và điện áp ngưỡng danh nghĩa là
0,7V. Cơ thể được buộc vào mặt đất với một
chất nền tiếp xúc. Ngưỡng thay đổi bao nhiêu ở
nhiệt độ phòng nếu nguồn ở mức 4 V thay vì 0?
Machine Translated by Google
bài tập
• Xem xét bóng bán dẫn nMOS trong quy trình 0,6 µm
với độ dày oxit cổng là 100A. Mức pha tạp là NA =
2 × 1017 cm–3 và điện áp ngưỡng danh nghĩa là
0,7V. Cơ thể được buộc vào mặt đất với một
chất nền tiếp xúc. Ngưỡng thay đổi bao nhiêu ở
nhiệt độ phòng nếu nguồn ở mức 4 V thay vì 0?
Machine Translated by Google
bài tập
Một bóng bán dẫn nMOS có điện áp ngưỡng là 0,4 V và điện
áp nguồn là VDD = 1,2 V. Một nhà thiết kế mạch
đang đánh giá đề xuất giảm Vt xuống 100 mV để thu được
bóng bán dẫn nhanh hơn.
a) Dòng bão hòa sẽ tăng theo hệ số nào (tại Vgs = Vds =
VDD) nếu bóng bán dẫn là lý tưởng? b) Dòng
rò dưới ngưỡng sẽ tăng ở nhiệt độ phòng tại Vss = 0 theo
hệ số nào? Giả sử n = 1,4. c) Dòng rò dưới ngưỡng sẽ tăng
ở 120°C theo hệ số nào? Giả sử điện áp ngưỡng không phụ
thuộc vào nhiệt độ.
Machine Translated by Google
bài tập
Một bóng bán dẫn nMOS có điện áp ngưỡng là 0,4 V và điện
áp nguồn là VDD = 1,2 V. Một nhà thiết kế mạch đang đánh
giá đề xuất giảm Vt xuống 100 mV để thu
được bóng bán dẫn nhanh hơn. a) Dòng bão hòa sẽ tăng theo hệ
số nào (tại Vgs = Vds = VDD)
nếu bóng bán dẫn là lý tưởng? b) Dòng rò dưới ngưỡng sẽ tăng
ở nhiệt độ phòng tại Vss = 0 theo hệ số
nào? Giả sử n = 1,4. c) Dòng rò dưới ngưỡng sẽ tăng ở 120°C
theo hệ số nào? Giả sử điện áp ngưỡng không phụ thuộc vào nhiệt độ.
TÔI
đs
=
=
Vgs V
2
(VV gs
Vdsat
t
2
t
)
2V
dsat
Machine Translated by Google
bài tập
Machine Translated by Google
Machine Translated by Google
Machine Translated by Google
Machine Translated by Google
Machine Translated by Google
Machine Translated by Google
Machine Translated by Google
Machine Translated by Google
Machine Translated by Google
Machine Translated by Google
Machine Translated by Google
Machine Translated by Google
Machine Translated by Google
Machine Translated by Google
Machine Translated by Google
Machine Translated by Google
Machine Translated by Google
Machine Translated by Google
Machine Translated by Google
Machine Translated by Google
Bản tóm tắt
• Hoạt động lý tưởng (kênh dài) được bảo hiểm (mô hình Shockley) của
bóng bán dẫn
• Transistor kênh ngắn
• TA