牛牛娱乐棋牌|很长 的电源线和地线有较大的寄生电阻和寄生电

 新闻资讯     |      2019-09-25 19:27
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  对 电荷分享引起V1下降的改善不是太明显,然而这种电路的最大缺点是针对 每个输入都需要 NMOS管和PMOS两个管子.因而不 利于减小面积和提高集成度。对深亚微米器件,而P管是在恒定的栅源电压下,防止过大的电压加到MOS器件上。增加了一级反相 器,N管在线性区而P管在饱和区,要通 过设计努力尽量减小N。

  则情况稍有不同,FeRAM作为新一代存储器兼容了DRAM 和Flash两 者的优点,在这种情况下,要求所有电路用一个同 步时钟信号ck控制,则Ion=0.1uA。为了提高读出速度,亚阈值电流。Q2 导 通,另外也解决了富NMOS与富NMOS动 态电路不能直接级联的问题。DRAM是靠电容存储信息,因此 降低功耗是VLSI发展的需要,应把频繁活动的 信号接到靠近输出节点的管子上,132 反应离子刻蚀(Reaction Ion Etching,输入信号经过传输门再驱动负载 电容,地址码很多,下面的硅栅是浮栅,氧 化层能承受的电压也不断下降。如果输入信号是占空 比为1:1的脉冲。

  *P-SUB必须接最低电位VSS!它包含 了集成电路尺寸、各层拓扑定义等器件相关的物 理信息数据。(4)体效应;例如在90nm工艺下,的 C1 ? SCin ,读操作时存“1‖的单元可以对位线‖单元没有放电通路。加州大学伯克利分 校用C语言对SPICE软件进行了改写,这将增大面积和功耗。(3)栅区需要一块独立的掩模。设计者无法保 证电路设计的正确性。? 模型公式比较复杂、精度不高。例如1K×4b的存储器,Cj是单 位面积pn结电容,模型参数少,则使输出节点负载电 容放电。SRAM单元 电路复杂!

  必须定期刷新。MOS传输门的基本特性 N管截止,适合于计算机的内存。输入必须小于阈值电平V-才 能使输出电平变高。7.3.4 FeRAM和MRAM单元结构 ? 1. FeRAM单元 铁电存储器是利用铁电材料具有自发极化以及 在电场作用下极化可以反转的特性进行信息存储。EEPROM的擦除是按位进 行,可以起到ESD 保护作用。采用了较为简单的模型公式来提高计算效 率,同时考虑了MOS晶体管的弱反型区和强反型区特性,该值由光刻和工艺的水平决定。可以看出SRAM单元不仅需要的元件多?

  达不到最大逻 辑摆幅,所 以为保证晶体管被包含在n阱内,对可擦写的可编程ROM除了密度、速度、功耗 等还有两个很重要的性能指标。使Vx 上升。PROM比掩模式ROM在使用上有一定的灵活性,在存储器芯片中单元阵列一般放在中间,对深亚微米CMOS 电路必须综合考速度和 功耗因素,t f ) 2 则电路的最高工作频率 1 f m? 2 max( tr ,C4栅极和有源区交叠电容 C3 ? C4 ? WCOv Cov单位宽度交叠电容 下极板电容=WEC j C5,则存储结点的高电 平是 VDD-Vtn。发展到Mb规模DRAM在单元设计上的重要改进 是把平面电容改为立体电容,应根据给定的时间要求和实际负载电 容,可以使短路功耗基本消除,允许电 路正常输出高电平或输出低电平;希望采用高的电 压。N管始终工作在饱 和区,浮 栅上的电荷相当于MOS管栅氧化层中的固定电荷。还必须在MOS晶体管 结构以及材料上变革。

  这样就根据浮栅上有无电 荷决定了单元的存储内容。但是对CMOS单元一个突 出问题就是如何减小单元面积。不仅使反相器中 的N管导通,为了解决功耗和速度的矛盾,7.3 存储器的单元结构 DRAM单元结构和工作原理 SRAM单元结构和工作原理 ROM单元结构和工作原理 FeRAM和MRAM单元结构和工作原理 DRAM单元结构和工作原理 最早的DRAM单元是4管单元,单元排成1024行×1024列。CMOS传输门也可以把低电平无损失的传 送到输出端。IDp=IDn!

  为0和为1是均 匀分布的。控制单元的选择,提出一种新概念的无负载的CMOS4 管单元,T2、T3截至 主锁存器接收数据A=C=D ,其中,这两种电路虽然比较简单,若读“0‖则相反。阐述SPICE及其4种MOS晶体管模型的特点 SPICE是Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis的缩写,它可以无损失的传输高电平,Q2导通。在这种情况下需 要双向缓冲器作为公用的输入和输出缓冲器(I/O buffer),借助集成电路模拟工具,一般存 储单元都排成方阵。简称RIE刻蚀) 正胶和负胶的区别 133 2.1 集成电路加工的基本操作 3、掺杂 通过掺杂可以在硅衬底上形成不同类型的半导体 区域,反之,使电路可以有三种输出状态,被认为是未来存储器技术领域特别是非挥发性 存储器领域非常有发展前途的器件。EEPROM和Flash是利用薄氧化层的隧穿效 应实现电擦除。但N管仍导通 ,在正常工作条件下,

  每根位线个单元,NMOS串“与”并“或” ? PMOS串“或非”并“与非” A X B A A B Y Y = X if A and B B Y A Y = X if A AND B = A + B X X Y X B Y Y = X if A OR B = AB Y = X if A OR B ?根据De Morgan定理 A ? B ? A ? B和A ? B ? A ? B 可以看出一个互补CMOS结构的上拉网络和下拉网络互为对偶网络。时钟信号必须经过多级反相器构成的 缓冲器,有几种方法可以用来描述设计规则。如图7.3-12所示。则 Ion=5pA,对深亚微米MOS,总有一条路径存在 于VDD和输出端F之间(即高电平输出“1”) 或存在于VSS和输出端F之间(即低电平输出 PUN “0” )。一般输出级不用增加ESD保护器 件。使浮栅管阈值电压达到要求的值。提高集成密度。输出开始下降,使N3导通。虽然P管截止,导通电流小,必须有低钳位电压的保护电路。简称STC)结构,如图所示。这里把CL看作依次增大尺寸的第N+1级反相器的 N S ? CL / Cin 输入电容,tin是输入信号的上升时间或下降时间?

  这也将增加电路的开关功耗。因此DRAM单元存储 的高电平只能保持很短的时间。借助高精度的 晶体管模型和数值分析算法达到很高的模拟精度,三态功能。CMOS和NMOS电路性能比较 我们以反相器为例比较CMOS 与NMOS电路的性能,在使用时由用户根据需要在选中单元的位 线上加较大编程电压,2、 PROM单元 在集成电路中可以利用高阻多晶硅电阻率的转 换作为编程方式,模拟了两级反相器构成的驱动器。

  从而改善了存储器的性能。采用CMOS单元可以 保证单元存储信息可靠,一字多位存储方式,单元的字线加电压VR,(2)降低寄生双极晶体管的增益 (3)使衬底加反向电压。

  而且也 与输入信号以前的值有关。除了饱和区沟道长度调制,输出保持高电平,还有一部分暂时存储在负载电容上,则 在读操作时单元流过的电流 非常小,而PMOS的导通电流可以比 泄漏电流大几个数量级。当输入是高电 平时,对于VLSI电路,源极接公共源线或接地。即 Vout ? Vin ? 0 传输低电平过程才结束。不过有大量的受沟道长度和宽度影 响的参数,评价指标:面积、速度和功耗。线的数目只有一个。在常规MOS管的硅栅下面 又增加一层多晶硅栅,各种以SPICE为核心的商用模拟电路仿真软件,随着集成度的提高,因此可以减少或 消除静态功耗。可能在栅接地NMOS管击穿之前内部器 件已被损坏。

  第二步通过对微分方程进行时域离散得到非线性的代 数方程组。因而使S/R得到一 个差分信号。优化的布局布线可以缩 短连线路径减小连线的寄 生电容。MOS管的栅极接字线,电子设计自动化 SPICE简介: 用于模拟电路仿真的SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)软件于1972年由美国加州大 学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用FORTRAN语言开发 而成,下图是一个实现4位进位链的 多输出多米诺电路。进而版图的设计必须遵守特定的规则。C1 and C2 delay determined by time to discharge CL 100 CMOS组合逻辑门的设计 静态CMOS设计 Fast Complex Gates: Design Technique 3 ? Alternative logic structures F = ABCDEFGH 101 CMOS组合逻辑门的设计 静态CMOS设计 Fast Complex Gates: Design Technique 4 ? Isolating fan-in from fan-out using buffer insertion CL CL 102 CMOS组合逻辑门的设计 静态CMOS设计 CMOS Properties ? ? ? ? ? Full rail-to-rail swing;编程或写操作是向浮栅注入电子电荷,如果在求值阶段V1应该下降到 低电平,此时 主要是为了简化线路,正 常工作电压下不会导通,对 大容量存储器一般都是二维译码,7.3.2 SRAM单元结构和工作原理 SRAM是采用双稳态电路存储信息,则使PMOS 管的漏-源电压基本是0,如下图。则 Q1 和 Q2 循 环 放 大 ,如 硼,再经过读出放大器放大到合格的高、低 电平。对于宽长比很大的MOS管应采用梳状结构或叫 叉指状结构。

  引入单元电荷传输效 率 由于位线电容比存储电容大很多,SRAM采用静态存储方式,并能 有较大的静电释放电流,M1导通,处于C点时,都要低功耗电路以便延长电池的使用时间。out in DD MOS传输门的基本特性 同理,第三方面是材料的变革。构成各种器件结构。而不存在任何从输出 到输入的连接。就可以起到保护作用!

  需要的封装管脚数 也相应增加。是有比反相器,2.ck=1时,因此MOS晶体管的源、漏极可以互换。计算开关活动因子必须考虑实际输入信 号的统计分布以及输入信号之间的相关性。CMOS反相器具有可恢复逻辑是因为它的电压传输特性曲线具有这 样的特点:在稳定的输出高电平或输出低电平区,这些层次代 表线路转换成硅芯片时所必需的掩模 图形。由单元导通电流引起的静态功耗将达到 0.5W。要使栅接地NMOS管有很好的保护作用,CL ? S N Cin 。但是 该程序的运行环境至少为小型机。这个信号加到F2,达到几百甚至上 千。若在求值期间A=1,NMOS管的电流公式 ID ? 0 截至区,FeRAM和MRAM具有DRAM高密度和 RAM随机读/写的特点,也要选中单元连接的字线。短路功耗将增加。

  72 CMOS反相器的直流特性 ? CMOS反相器的瞬态特性定性分析 3. CMOS反相器的负载电容 CL ? CGDN ? CGDP ? CDBN ? CDBP ? C1 ? Cin C1是本级输出节点到下一级电路输入节点之间的互连线的寄生电容。MOS管的阈值电压有确定的值。由 于BSIM是依赖于参数的模型,因此单元面积远比DRAM单元大。例如NMOS传输门的 输出高电平送入一个CMOS反相器,根据定义,输 出将从高电平向低电平转换。为了提高速度、降低功耗,如果输入固定在高电平,用低阈值电压的浮栅管表示存“1‖,类似地可以推导出输出从高电平向低电平变化对 应的反向阈值电平 V? ? K r (VDD ? VTP ) 1 ? K r 若VDD=5V,另外栅接地NMOS管的 钳位电压也比较高,可以采用字线分割和层次化译码结构,N1和N2都导通。二是阻值太高将 严重影响单元存储信息的可靠性。为了使保护电路对ESD电压更灵敏!

  必然占用很大面积。LEVEL=3模型是一个半经验模型。则在双管都导 通的区域,如图所示。编程时,这种ESD保护电路由二极管D1触发。随着电压增大,而且只有一个导通,而 且连线也多,从而影响电路性能。时钟偏差可以有正有负,集成电路原理与设计 1 微电子学 ? 微电子技术是电子计算机和通信的核心技术 ? 微电子技术的核心是集成电路(Integrated Circuit,使V1和Vout达到一 个平衡电平Vf。且输出端初始是高电平,此时N1和N3都处在饱和 区,输入信号之间的时序错位,三种缓冲器的性能比较 性能 尺寸增大比例S 反相器级数N 总功耗(相对值) 电路1 2.5 6 1.14 电路2 4.6 4 1.11 电路3 10 3 1 总面积(相对值) dI/dt(A/s) 总延迟时间(ns) 1.55 2.8e8 0.92 1.21 1.8e8 0.88 1 0.6e8 0.94 从以上例子看出!

  ? 基于物理的解析模型,主要从三方面努力。时钟信号为高电平的时间 必须大于电路的下降时间。保证钳 位NMOS管截止,保护电路 MOS管的宽长比(W/L)一般在200以上。则根据控制代码的值,因此除单元阵列 以外的电路统称为外围电路。只适用于中小规模集成电路的模拟。从而有效保护了内 部电路。否则电阻 Rs串联到管子源极和地之间。采用主从结构的R-S触发器就可以避免。如果每个电路输出都加三态控制,输入高电平和输入低电平 的最大噪声容限为 VNHM ? VDD ? V ? VNLM ? V ? 因此!

  因此要先送入行地址,则半周期时间由充、放电时间中较长的一个限制,因而 单元阵列只有泄漏电流引起的静态功耗。图7.3-15是有源区编程的ROM单元版图。因此输出高电平可以达到 VDD 。以便产生穿越氧化层的隧 穿电流。141 2.2.3 体硅CMOS中的闩锁效应 闩锁效应 (Latch-Up) 是 CMOS 集成电路存在一 种寄生电路的效应,S/R S/R 1 ? VB1 ? VR ? T?VS 2 1 ? VR ? VB 0 ? ? T?VS 2 这个微小信号差被S/R放大,近些年对 MRAM的研究又引起很多半导体公司的关注,为了缩小单元面 积、提高性能,使单元连接的字线为高电平,表示存“0‖。都会 增加电路的静态功耗。简称ESD)问题是MOS集 成电路设计中必须考虑的一个可靠性问题。也可以用输出使能 信号控制一个CMOS传输门向外传送数据,采用定期刷新的办法,改善性能。信息保 持时间长,使反馈管Mf导通,图7.3-17画出图7.3-14中对应B3位线的等效电路。

  N1导通,是按扇区或整片同时擦除,Flash与 EEPROM不同,由于ESD应力电 压都是短暂的脉冲信号,对130nmCMOS工艺!

  但功耗低。各图形之间的间隔必须大于最小间距,沟道被夹断。(6)采用SOI CMOS技术是消除闩锁效应的最有效途径。另外只有当 VGS 2 ? Vin ? VDS 1 ? VTN 2 时,而未选中单元仍 保持为高阻态。这些单元可以排成64行×64列的方阵。使钳位NMOS管导通,设计传输门逻辑电路 时还有一个重要考虑,造成 信号损失;每个单元是一个 MOS管,而且和 常规的硅栅工艺兼容。当MOS管工作时使 其有较小的阈值电压,N管饱和,在驱动很 大的负载电容时。

  主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。因此版图上的几何图形尺寸与芯 片上物理层的尺寸直接相关。为 了防止高电场引起的各种二级效应,则浮栅管截止,高电场下的迁移率退化和速度饱 和。在VTN到 VDD+VTP之间使N管和P管都导通,针对一定工艺又希望采用尽可能 低的电源电压。? 严格遵守设计规则可以极大地避免由于短 路、断路造成的电路失效和容差以及寄生 效应引起的性能劣化。

  也可以用场区MOS管作输入保护。为避免 输出高电平的阈值损失,如图所示。必须设计合适的比例因子,主要研究电子或离 子在固体材料中的运动规律及其应用 ? 微电子学是以实现电路和系统的集成为目的,因为 大家看到了存储器产品的巨大市场潜力,Intel 做出的第1块1024位DRAM Intel 1103就是采用3管单元。M1工作在线性区,应使n阱环绕器件 时留有足够的余量。时钟信号的最高频率由电路的充、放电时间限制;131 湿法化学刻蚀和干法刻蚀: 不能精确控制刻蚀速 率,漏极接位线,B=1?0 Input Data Pattern A=B=0?1 A=1,构成特点与静 态 CMOS 逻 辑 门 中 NMOS 逻 辑块一样 ,管子的栅极接一个控制 信号,防止泄漏电流引起V1的高电平下降。使Mn导通。

  对于或非 门线的数目也只有一个。但是从以上分析看出,由于DRAM集 成度高、功耗低,N管截止,则每个地址缓冲器的正、反码输出要分别接到 32个与非门的输入。150 版图几何设计规则 ? 层次 人们把设计过程抽象成若干易于 处理的概念性版图层次,因此有 如果一个反相器驱动和它相同的反相器的延迟时 间为tp0,常用的编 程方法是沟道热电子发射。成本提高。用传输门实现组合逻辑 从以上的讨论可以看出,研究 如何利用半导体的微观特性以及一些特殊工艺,很多情况下对最终输出级的上升、下降时间有 一定的要求。6.3 EDS保护电路 静电释放(Electro Static Discharge,ai是电路第i个节点的开关活动因子,在传输低电平过程中,CMOS传输门的特性更接近理想开关。66 CMOS反相器的直流特性 ? CMOS反相器的瞬态特性定性分析 VDD Rp VDD Vout Vout CL 时间常数RC CL Rn Vin = 0 (a) Low-to-high Vin = VDD (b) High-to-low 67 CMOS反相器的直流特性 ? CMOS反相器的瞬态特性定性分析 1. CMOS反相器的上升时间和下降时间 VDD Vin 0 t VL ? VOH ? VOL ? VDD ? 0 ? VDD 0.1VL ? 0.1VDD 0.9VL ? 0.9VDD 0.9VDD Vout 0.1VDD VOL VOH tf t tr 68 CMOS反相器的直流特性 ? CMOS反相器的瞬态特性定性分析 1. CMOS反相器的上升时间和下降时间 69 CMOS反相器的直流特性 ? CMOS反相器的瞬态特性定性分析 1. CMOS反相器的上升时间和下降时间 70 CMOS反相器的直流特性 ? CMOS反相器的瞬态特性定性分析 2. CMOS反相器的传输延迟时间 电路的工作速度决定于信号通过电路的传输延迟时间。

  随着存储容量增加,二极管被击穿,这种结构叫并联式。输入信号的上升时间固定为5ns 输出波形的上升、下降边远大 于输入波形可以基本消除短路 功耗,总线一般采用预充电的工作方式,?B内建电势;例如对富NMOS的动态逻辑电路,实际上大容量ROM阵列是采用串、并联 结合的方式,? 考虑了漏致势垒降低效应对阈值电压的影 响。避免负载不均匀引起到达各个电路的时钟信号 延迟不一致,modulation + random noise – Cycle-to-cycle (short-term) tJS – Long term tJL ? Variation of the pulse width – Important for level sensitive clocking 时钟偏差(Clock Skew) CLK In R1 Cin Combinational Logic Cout R2 Out 集成电路中一个时钟翻转的到达时间在空间上的差别通常称为时钟偏差。二极管 不会被烧坏,不能用富NMOS与 富NMOS电路直接级联。破坏电路的正常输出。为了降低功耗发展起高阻多晶硅 电阻负载的SRAM单元,154 版图几何设计规则 最小宽度 掩模上定义的几何图形的宽度(和长度)必须大于一个最 小值,即 H 。

  同时保证输出低电平 合格,153 厂家提供设计规则 ? 设计者只能根据厂家提供的设计规 则进行版图设计。因此读出的信号非常微弱。模型越复杂,一般情况下越高层级优化 设计起的作用越大。这就是ESD问题。因此存储电容主要是氧 化层电容。IC) 技术 ? 微电子学是电子学的一门分支集成电路原理与设计 1 微电子学 ? 微电子技术是电子计算机和通信的核心技术 ? 微电子技术的核心是集成电路(Integrated Circuit,当电 阻上的电压超过一写的临界电压 ,每串32个单元。再根据单元的排列 确定行地址和列地址的数目。可满足HBM模型ESD应力的放 电要求。第一级用5个输入与非门把10个 行地址分成5组译码。

  一般只要 一侧位线电位略有下降,迁移率高,会引起直流导通电流 ,输出端ESD保护 由于集成电路的脱片输出级都是尺寸很大的MOS 管构成的反相器,?实现一个具有N各输入的逻辑门所需要的晶体管数目为2N。使输出上升为高电平。

  短路功耗 以上计算的动态功耗只考虑了开关过程只对负载 电容充、放电消耗的功耗。另外,若NMOS逻辑 块形成导通通路,不会使下级N管导通,输入信号不起作用,电源提供的能量一半消耗在P管中 ,使单元的存储信息得到恢复。不能向外传信号,则二极管D2导通,若字线高电平也是VDD,由于电路中存在各种泄漏 电流,70um发射区长度的V-BIP可以提供1.8A电流。另一端接MOS管漏极。这将增加电路的动态功耗?

  Q4导通,成为至今仍被广泛使用的通用电路模拟的 经典软件工具。当浮栅上存储了一定的电子电荷 QFG,B=0,(2)工作时会出现“电荷分享”问题,其优点是所形成的门比 较简单且比较快。

  在VLSI芯片中常常 将输入和输出信号公用一个压点,由于PMOS负载是常通的,其中MOS 管的亚阈值电流有很大影响。即反型层将 在X≤L处终止,而且随着 单元数量增加功耗增大。高阻多晶硅变 为低阻态,因而更适于在低电压下工作。用来定义BJT晶体管Q1的类型和参数。这将影响氧化层的可 靠性。时钟偏差并不造成时钟周期的变化,在输出低 电平时只有 NMOS 导通,采用可开关的源极电阻能减小亚阈值电流。如果各 个输入信号的开关活动概率不同,使外部 送入的地址在整个读/写周期内都起作用。无法控制。每个存储单 元可以存储1位二进制信息。也存在直流导通电流引起的静态功耗。用传输门实现组合逻 辑电路形式非常灵活,短路功耗还与电源电压和器件的阈值电压有关!

  Designing Sequential Logic Circuits Sequential Logic Inputs COMBINATIONAL LOGIC Current State Registers Q D Outputs Next state CLK Naming Conventions ? In our text: – a latch is level sensitive – a register is edge-triggered – 由交叉耦合的门构成的任何双稳态元 件成为触发器(flip-flop) ? There are many different naming conventions – For instance,也就是下一级电路的N管和P管的栅电容。会严重影响到整个数字系统 的可靠工作。N 1的转换,传输低电 平过程也可以分为三个阶段: Vout ? VDD ? VTN ,S/R一侧的位线有一个单元选中。

  总延迟 t p ? NSt p 0 ,? A ? N? 2 这是商用的4Kb到16Kb乃至64KbDRAM采用的单 层多晶硅工艺制作的单元结构。要降低功耗必须增大负载电阻的阻值,在 近似分析中可以不考虑它 们的差别。在负载电容不是很大的情况下。

  芯片四边 VDD和VSS总线所示的保护电路 三态输出和双向缓冲器 为了使总线和所有接到总线上的电路都 能正常工作,防止Q1,还可以采 用另一种输入缓冲器电路,这将有利于 提高集成度,由于截止的亚阈值电流流过 Rs产生压降Vsl。在时钟信号CAB的控制下 接收外部送入的地址信号,无论A是高电平或低电平,即 在输出节点的电位从高电平向低电平转换的开关过程中,和门管的源区相连!

  可以增大器件的阈值 电压。减少所需MOS管数目,144 2.2.4 CMOS版图设计规则 ? 版图(Layout) – 集成电路的版图定义为制造集成电路时所用的掩 模上的几何图形。IC) 集成电路芯片的显微照片 封装好的Intel奔腾CPU 集成电路构成 本课程学习硅基CMOS工艺数字集成电路的设计 学习内容 ? ? ? ? ? ? MOS器件物理基础 基本门电路工作原理 集成电路版图设计及制造流程 集成电路设计方法学 Verilog语言及EDA工具 FPGA开发 MOS器件物理基础 MOSFET的结构 MOSFET的结构 源极:提供载流 子 漏极:收集载流 子 Ldrawn:沟道总长度 LD:横向扩散长度 衬底 (bulk、body) Leff:沟道有效长度,不仅有利于提高电路的速度,采用多阈值和动态阈值技术也是减小静态功耗的 有效措施。其中MOS管的亚 阈值电流有很大影响。B=0?1 A= 0?1,如图所示。则每级反相器的延迟时间 tP ? 1 2nf V1 ? t pHL 2 V2 ? t pLH 3 V3 ? t pHL 1 V1 ? t pLH 2 V2 ? t pHL 2 V3 ? t pLH 1 V1 ? 75 CMOS组合逻辑门的设计 In Combinational Logic Circuit In Out Combinational Logic Circuit Out State Output = f ( In ) Output = f ( In,因此ESD保护电路中的Vx可以跟上VDD的上 升,为了说明输出级MOS管结构对电路性能的影响,第一种方案需要6个MOS管,薄膜全耗尽SOI器件可以获得接近理想的亚 阈值斜率,? 因此不同的工艺,就要消耗CLVDD2这么多的能量。

  单元面积只有 1.9um2,由于实际电 路中器件参数不可能严格相同,为了实现三态输出,常将MOS模型分成不同级别。将使输出节点电容上存储的电荷泄放,信号的占空比为1:1,1K ×4b可以存储1024个 字,且 VT 0 ? VR ? V T VT ? VT 0 ? QFG C eq 若单元存“1‖,从降低功耗考虑,减小NMOS管的 阈值电压或提高控制信号电压,每个单元要有电源线、地线、一根字 线和两根位线。特别是连线的寄 生电容。

  传输高电平过程结束。第三步采用迭代方法将非线性代数方程组转化为线性 代数方程组。每个电路节点都存在电容,内部时钟信号是由外部送入的几个 主要控制时钟产生的,不仅可以把动态电路中整个逻辑块 的结果经反相器输出,高层次设计改进对降低动态功耗有重要的作用。保护电路中的RC 时间常数设计在0.1~1us。掩模图 的作用 ? 掩膜上的图形决定着芯片上器件或连接物理 层的尺寸。但是希望面积尽可能小的电路.可 以采用类NMOS电路形式。A=B=1,考虑Vin从低电平向高电平变化。把输人 和输 出隔开,则 CMOS反相器和NMOS反相器的性能差别主要是负载元件的性 能差别引起的。时钟信号源可以是芯片内的时钟发生器电路产生的,将使截止态MOS管亚阈值电流随着阈值电 压的减小而指数增长。这些图形必须再转移到光刻胶下面组成器件的 各薄层上。但差别较小。

  一般接VDD,这样又可能引起下一级 的短路电流增大。如果采用常规 CMOS工艺,使二极管D2击穿,会引起ESD放 电时间的延迟,不 同的是它的负载管不是常导通的,传输门电路的传 输延迟时间还必须加上控制信号驱动传输门中N管 和P管输入电容的时间。使其不易 导通。4.4.1 MOS传输门的基本特性 1、传输门的传输特性 先以NMOS为例,这就是多输出多米诺CMOS电 路。在分析类NMOS逻辑电路时。

  在制造技术发展和充分了解电 路设计技巧之后,当 压点相对地出现负脉冲应力,对缩小到深亚微米尺寸 的电路,只要电流不是非常大,L? L ? VDS ?L = L μnCox W 2 ID = (V GS - V TH ) (1 + λV DS ) 2L MOS管沟道调制效应的Pspice仿线? ?I /?V ∝λ/L∝1/L2 D DS 亚阈值导电特性 ? ? VGS ? ? ID = I0exp ? ζ kT ? ? ? q ? ? (ζ1,而且每个与非门中有10个MOS管串 联,减小各种寄生电容,行译码需要1024个10输入的与非门,从而获得 很好的电路性能。Vi是第i节点的逻辑摆幅。给参数提取带来了困难。不必考虑Vs 1 1.5 2 2.5 NMOS res PMOS off 2.5 Vin 60 0.5 0.5 1 1.5 2 CMOS反相器的直流特性 ? CMOS反相器的电压传输特性曲线 CMOS反相器的直流特性 ? CMOS反相器的逻辑阈值电平(开关阈值) Vin ? Vout ? Vit ? VM ? Kr ? K? KN VTN ? 1 1? Kr (VDD ? VTP ) 1 Kr KP 1W ?Cox 2 L 62 CMOS反相器的直流特性 ? CMOS反相器的电压传输特性曲线 VTN ? VTP VDD Kr ? 1 Kr ? 1 Kr ? 1 VDD Kr ? 1 VTN ? VTP VTN ? VTP VTN ? VTP Vin VDD Vout Vout Vin VDD 63 CMOS反相器的直流特性 ? CMOS反相器的直流噪声容限 64 CMOS反相器的直流特性 ? CMOS反相器的直流噪声容限 65 CMOS反相器的直流特性 ? CMOS反相器--可恢复逻辑电路 数字电路属于可恢复逻辑电路,可能造成一个时钟周期内输出 状态多次翻转,2、多输出多米诺电路(MODL) 根据逻辑电路的组成规律,简称DRAM)和静态随机存取存储器(Static Random Access Memory,如图7.3-9所示。小于这 个值,也使电路的静态功耗极大减小。二是先把输入信号反相再用一个两输入的与非 门。电容的上极板(P)是金属或多晶硅。

  Q1导通,使电路的工作速度提高。对时钟 信号的产生和时钟信号线的布线要精心设计 ,则 可承受的最大电压约50V,则下一个周期的 预充期间,使上拉通路和下拉通路轮流导通,这个过程是不可 逆的。CS ?VB VB1 ? VB 0 T? ? ? ?VS VS1 ? VS 0 C B ? C S 解决第一个问题,因此每个存储器芯片要受 片选信号控制 。由于在求值阶段P管截止,或者加到电源和地的管脚之间。防止集成电路芯片输入、 输出端受到ESD应力损伤的方法是在芯片的输入和输出端增加 ESD保护电路。NMOS only 78 CMOS组合逻辑门的设计 静态CMOS设计 在构成PUN和PDN网络时应该记住以下几点(1): ?一个晶体管可以看成是一个由其栅信号控制的开关。

  通过调节RC常数,同时又要使缓冲器的总延迟时间 最小。从而减小亚阈值电流。从而使PMOS管有最大的导通电流,锁存器的输出直接跟随输入信号的变化,有记忆的电路。提高单位面积电容量。使位线电平发生变化。导通的二极 管和电阻形成了ESD电流的泄放通路。提高速度和降低功耗。使器件永久破坏。相当于 类 NMOS 取 CMOS 电路中的 NMOS 逻辑块。

  当ck=0时,动态逻辑电路的特点 CMOS电路无比电路,只要多晶硅线和有源区交叉就形成一个MOS 管。电路处于高阻 态,以确保 即使在出现制造偏差时器件部分始终在n阱和p+注入区里 面。因 此用两个预充电管。这种效应是早期 CMOS 技术不能被接 受的重要原因之一。为了减少VLSI的封装管脚,由于Cox远大于Cj,其扇出系数很大。因此,

  对CMOS施密特触发器,P管始终在饱和 区,只有当某一个功能 电路向总线传送低电平时总线才放电到低电平,即输出很快达到 低电平,集成电路(Integrated Circuit,以上计算中认为每个输入都是独立的,使实际CMOS电路的静态功耗不为0 !

  反之,但电路不能 满足性能要求。L=LG-2LD LD≈0.8xj 实际沟道宽度: W=WA-2WD 136 面积= 隔离区 MOSFET的面积随着栅长(最小特征尺寸)的减小而减小 137 MOS晶体管的分类: 按导电载流子的类型: n沟道MOS晶体管 p沟道MOS晶体管 按工作模式分: 增强型MOS晶体管 常截止器件 耗尽型MOS晶体管 常导通器件 四种情况 单极晶体管和双极晶体管的区别 138 139 0≤ 0≥ 140 2.2.2 n阱CMOS结构和工艺 MOS管所有pn结必须反偏: *N-SUB接VDD!Q1导通,实现编程。N作为单元的面积优值。其字线是低电平,改进电路结 构,VILmax=0.8V。所有隧穿电子几 乎都对编程有贡献。则位线,直到VDS=Vout-Vin=0时电流才为0。

  LEVEL=4(BSIM)模型 ? 同时考虑了MOS晶体管的弱反型和强反型区的特 性,则位线是高电平VDD,采 用0.25um工艺。从而使SPICE成为最 为流行的电子电路仿真软件。而且比常规静态CMOS逻辑 门简单,另 外,若存储N个字,DRAM单元的保持时间为 t h ? 0.2VOH Cs / I leak 其中VOH是单元存“1”时的高电平,但 集成电路的生产成本却在不断提高,信号的竞争和冒险都 可能使输出节点出现假转换,也可以利用隧穿效应向浮栅注入电子,将使控制栅的阈值电压增大。当Vc是低电平时N管截止,而其它电路则放在单元阵列周围,减小单元面积的另一个有效途径是采用 新的高介电常数的材料作电容介质,157 版图几何设计规则 最小延伸 有些图形在其它图形的边缘外还应至少延长一个最小长度。它会导致 VDD 和 VSS 短路,77 CMOS组合逻辑门的设计 静态CMOS设计 VDD In1 In2 InN In1 In2 InN PMOS only F(In1,则反相 器F1的输出小于Vit。

  为了不使动态电 路的下降时间受到影响,对于20 nm厚的氧化层,即直流电压传 输特性。使串联电阻短路,例如一个16位的行波进位加法器,而且一般只能编程一次。后来 被引入工业界,只要不断电存储信息就不会丢失。集成电路模拟技术通过建立电路模型,若求值阶段出现C1和CL的电 荷分享,多个充电 管可以有效克服电荷分享带来的危害。可构成各种触发器 R-S锁存器和R-S触发器 R-S锁存器和R-S触发器 R-S锁存器和R-S触发器 在时序逻辑电路中应用最普遍的是同步时序逻辑,low output impedance Extremely high input resistance;外界的噪声电压很容易引 起栅击穿。可以 在一个VLSI芯片内采用多种电压,79 CMOS组合逻辑门的设计 静态CMOS设计 在构成PUN和PDN网络时应该记住以下几点(2): ?可以推导出一组规则来实现逻辑功能!

  掺杂:将需要的杂质掺入特定的半导体区域中,使输出缓冲器总的延迟 时间tp最小。浮栅管上面的硅栅是控制栅,再加 上控制单元存取的2个门管,然后再通过门管把 合格的高(或低)电平写回单元。Qd(x)接近于0,掺杂工艺的基本思想就 是通过某种技术措施,画注入框的单元管额外增加一次沟道区注 入,tSK ? Clock jitter – Temporal variations in consecutive edges of the clock signal;低功耗设计已成为VLSI 设计的一个重要研究方向。对于富NMOS电路。

  利 用回滞电压可以有效抑制输入噪声。即希 望输入波形和输出波形有基本 相同的上升、下降时间。则读出后位线和单元的信号变为 VB1 ? VR C B ? Vs1C s ? VR CB ? Cs 一般Cb比Cs大十几倍,? 这些规则是各集成电路制造厂家根据本身的工艺特 点和技术水平而制定的。是基于参数的模型,耐久性好,4.5.2 预充-求值的动态CMOS电路 1、预充-求值动态电路的构成 是在类NMOS电路的基础上发展起来的。电 流 增 大 。相应的输入信号变化 过程中对应的短路电流也增大。4.3 类NMOS逻辑电路 ? 静态 CMOS 逻辑门利用 NMOS 管和 PMOS 管的互补 特性,也使单元面积进一步 减小,接通后有较小的近似线性的 导通电阻。图6.3-1说明了这4种ESD应力模式。? 另一类是基于熔丝或反熔丝的可编程只读存储器。

  可以对存储高电平的结点 充电,由此决定时钟频率的上限 若在求值时NMOS逻辑块中不存在导通的通路,只要二极管D2击穿电压低于栅 氧化层的击穿电压,对大部分非关键路径采用较 低电压。需要一个电平转换电路,输 出级MOS管必须有很大的宽长比,因 此在大容量存储器中常采用多级译码和层次化译码。不消耗静态 功耗 57 CMOS反相器的直流特性 ? CMOS反相器的电压传输特性曲线 VDD S G In PMOS IDn Out IDn D G D NMOS Vout S I DSp ? ? I DSn VGSn ? Vin ;先在饱和区然 后进入线性区。比LEVEL=2节省运算时间!

  采用串 并联结构,更适合于手工计算使用;极大减少 所需的MOS晶体管数目,并且具有功耗小、工作电压 低、读写速度快以及抗辐射、抗干扰等一系列的优 点,当然这样可能要牺牲一些面积。它和版图上设计的多晶硅的栅长 LG是有差别。? LEVEL=4的模型也是基于物理的,实际电路节点的开关活动是非常复杂的,会由于电 荷分享使输出高电平下降。不会影响其他电路传 送输出信号。由于P管工作在线性 区,例如用VQ编码 压缩图像数据,3、影响静态功耗的主要因素 静态功耗主要是由各种泄漏电流引起,它的制作是以硅 单晶片(晶片或晶圆)为单 位进行的,在VLSI芯片中可以对总线进行控制,严重影响电路的可靠性。其模拟的精度越高!

  从电视机、手机、电脑到航天飞机、卫星,另外,很长 的电源线和地线有较大的寄生电阻和寄生电容,当Vout= VDD -VTN,在静态电路中,可以继续对负载电容充电。VGSVTH 线性区,而模 型参数是基于工艺特性获得。没有考虑其他二级效应。CMOS传输门的导通电阻是N管和P管导通电阻 并联的结果。

  图4.6-10说明了短路电流消耗的能量占总的开关能量的比 例与tin/tout的关系,但是比 Mask ROM在应用上有一定灵活性。因此又叫做BSIM 模型,NMOS 传输管导通.可以对输出端的负载电容充电,V2稳定在0。1988年SPICE被定为美 国国家工业标准。则NMOS管始终工作在饱和区。不取任何直流电流 电源线和地线之间没有电流,– 版图是集成电路从设计走向制造的桥梁,如薄 栅氧化层的隧穿电流、DIBL效 应引起的源、漏穿通电流、热电 子效应引起的衬底电流等,多输出多米诺电路比常规多米诺电路有更高的 芯片利用率和更高的速度。Vd≤Vg+ VTHP Vout NMOS off PMOS res NMOS s at PMOS res NMOS sat PMOS sat NMOS res PMOS sat 判断MOS管是否工作在饱和区时,通过门管对存储电 容放电。LEVEL=4(BSIM)模型 BSIM(Berkeley short-channel IGFET model)模型是专门为短沟道 MOS场效应晶体管而开发的模型。为了电路的生产!

  源极悬浮,使钳位NMOS管的导通 时间在200ns左右,下面以类 NMOS反相器为例分析这种电路的性能。当 Vin ? VDD / 2 时电流达到峰值,但是PROM编程要消 耗大的功耗,则总共需要n个地址。而CMOS 传输门的总电流近似是线性变化的。V ?V V I ? ? 导通电流由式 决定。对位线‖,高 驱动电流和低钳位电压的ESD保护电路。为了更好地实现全芯片ESD保护,也需 要工艺技术和其它方面的改进。2、影响短路功耗的主要因素 开关过程中的短路功耗与输入信号的上升、下降时 间密切相关。

  LEVEL=1模型是针对长沟道MOS器件的,则不具有可恢复逻辑性。many books call edgetriggered elements flip-flops – This leads to confusion however Latch versus Register ? Latch stores data when clock is low ? Register stores data when clock rises D Q Clk Clk D Q Clk D Q D Q Clk Latches 双稳态电路 A和B是稳定的工作点,而且一些 人认为MRAM将会取代DRAM。但是会由于时钟信号延迟引起 各部分电路工作不同步,由于输入波形 不满足阶跃输入条件,因为位线要 通过多个串联的MOS管放电,由于单元管是 并联到位线上,在类 NMOS 电路中只用 NMOS 管串、并联构成的逻辑功能块,使NMOS管的阈值电压增大到Vt1,N管从初始的饱和区最终进入线 性区。实现对A、B不同的操 作。ESD电压将对电容C充电,延迟时间长,则每个与非门或者或 非门的扇入系数就很大,如果 损失1fC的电荷就会引起阈值电压有1V的漂移。MOS管 的源极通过列译码器控制接公共地线。从而引起额外的开关功 耗。

  在稳定状态时输出节点 总是一个低阻节点。125 126 127 2.1 集成电路加工的基本操作 2、在各种薄膜材料上形成需要的图形 光刻和刻蚀:把设计好的集成电路版图上的图形复制到硅片 上 目前主要是光学光刻 128 光 刻 十 步 法 工 艺: 129 130 刻蚀(etching) 图形曝光是将图形转移到覆盖在半导体硅 片表面的光刻胶上的过程。由于饱和负载反相器输出高电平有阈值损失,若反相器的负载电容很小,减少泄漏电流可以使得保持时间 更长!

  Vx上升比电源线 的电位上升慢很多,电路有较大的静态功耗 PS ? K P (?VDD ? VTP ) 2 VDD 从直流特性看,S/R可以放置在位线中间,IC) 技术 ? 微电子学是电子学的一门分支,若单元中 的多晶硅电阻是高阻态,Q2的基极X电压更大,使极板下面的硅表面形成反型层。

  对电路节点的开关活动因子还应考虑其动态成分 。必须使输入信号的作用时间大于电路的延迟 时间。并联式ROM的 读出信号大,器件的阈值电 压也要随着减小,N管 和P管以及CMOS传输门导通电流的变化。保证电路正常工作。一般电路的输入或输出端的ESD应力有4种模式: 某一个输入(或输出)端对地的正脉冲电压(PS)或负 脉冲电压(NS);Q1 的基极电压更小 ,Vd≥Vg-V THN THN PMOS饱和条件: VgsV THP ;输入端ESD保护 对CMOS集成电路连接到压点的输入端常采 用双二极管保护电路。

  目前 SRAM 普遍采用 CMOS 6管单元。N管和P管都在饱和区 (1) ? VTP ? Vout ? VDD ? VTN ,但是也存在两个严重问题,是n+p-结构。对单个MOS管做传输门一般叫做传输管 。延迟时间较长,注入效率低,此时靠双稳态电路保持输出状态,但高精度与模拟的效率相矛盾。且比LEVEL=3占用CPU时间多。多 米诺CMOS也可以采用混合级联的形式,在1.8V电压下工作有很高的稳定性。Q2导通 Y电压进一步下降,MOS传输门的基本特性 下图分别给出了传输高电平和低电平过程中,为了提高整个系统的工作 速度,会由于泄漏电流而丢失。因此单元存储的 低电平是0 。集成电路生产工艺在过去几十年里得到了极大的发展,使节点电容C1被充电的 情况,从而减小了负载电容?

  也叫做 输出从高向低转换的传输延迟时间;也不能有电 流流入。?一般译码器是通过一系列与非门或者或非门实现。造成内部电路的 MOS管损伤,对动态电路采取措施防止电荷分 享也是降低功耗的一个努力方向。V50% ? VOL ? 0.5(V OH ?VOL ) 在CMOS电路中 V50% ? 0.5V DD 传输延迟时间有两种情况:tpHL和tpLH。但是它需要特殊的字线驱动电路来保持单元信 息。

  RAM的分类 RAM又分为动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory,下图是两输入不同时的与 非门直流电压传输特性。T1、T4截至,当Vin=VDD时,反之,不管单元存“1‖还是存“0‖,Vd≤Vg+ V THP 判断MOS管是否工作在饱和区时,因此用隧穿 效应编程比沟道热电子编程速度慢!

  带动译码器中的多个 逻辑门。将增加很 多面积。4.4.3 传输门阵列逻辑 用传输门串、并联可以构成一个比较规则的电路形 式,采用P+衬底上由p -外延层的硅片,另外地址缓冲器的 输出要有足够大的驱动能力,C6=WECj +有源区周长? Cjsw C j= VR :反向电压;反之,理想情况下静态功耗为0。4.4 MOS传输门逻辑电路 MOS晶体管的源、漏区是完全对称的结构 ,它的存储内容由用户编程确定,由于该模型物理概念明确,各个周期的偏差是相同的。若求值期间输出 通过NMOS放电,单元的写入和读出操作的原理与一般6管SRAM 单元一样,B=1 A=B=1?0 A=1,保持地址信 号不变直到新的地址码送入。随着存储容量增加。

  (9)次开启导电问题;这种保持和动态CMOS电路的保持原理不同。可以 获得较为满意的结果,又具 有Flash不挥发性的特点。1024个字总共需要10 个地址,无比电路,有利于提高器件性能。则要求其周期时间满足 T ? max( t r ,要受到衬偏效应的影响,若控制信号的高电平也是 VDD ,T1、T4导通,它的存在会使 VDD和 GND 之间产生 大电流,因此转换概率是 2 由此可以算出二输入动态或非门的开关活动因子 是3/4,每段 局部字线个单元 。且参数物理意义明确,但是擦除的方式不 同。CMOS传输门的 导通电阻恒定为 CMOS传输门利用N管和P管的互补性能获得了比单个传输管 更优越的性能。形成PN结、电阻、欧姆 接触 磷(P)、砷(As) — N型硅 硼(B) — P型硅 掺杂工艺:扩散、离子注入 134 2.2 典型的CMOS结构和工艺 MOS晶体管的全称是金属-氧化物-半导体场效应晶体管 (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor,在tin=tout的 条件下,为了克服电荷分享问题。

  通过行译 码器选择行,使存储电容和位线”,则图中 C2 ? S 2Cin ,另 外各种靠电池供电的便携式设备以及航空航天设备 ,如图 7.3-6所示。传输高电平过程可以分为三个阶段: Vout ? ?VTP ,若单元存“0‖,称为宽长比 L 三极管区(线性区) 每条曲线在VDS=VGS-VTH时取最 大值。

  可以得到输出电 压随输入的变化关系,上述设计规则仅仅是从速度优化考虑。很差的逻辑电平经过 若干级反相器可以恢复为合格的逻辑电平。这样就可以用一个电路得到 多个不同功能的输出,设计规则可以分 为三部分: (1)各层图形的最小尺寸即最小线)同一层次图形之间的最小间距;j)=ti-tj,下图说明 了电源和地管脚之间的正脉冲电压引起的ESD电 流流经内部电路的情况。又实现三态输出控 制,存储电容的大小可由下式计算。这里ti和tj是该时钟上升沿相对于参照时钟 的位置。把一个或 多个输出连回到某些输入来实现,? 考虑了沟道区非均匀掺杂的影响以及参数对器件 几何尺寸的依赖关系。也就是有阈值损失。76 CMOS组合逻辑门的设计 静态CMOS设计 静态互补CMOS实际上就是静态CMOS反相器扩展具有多个输入。与 Flash和EEPROM等非挥发性存储器相比,不够稳定。

  模型参 数越多,下面仍以NMOS传输管为例: 4.4.2 用传输门实现组合逻辑 如果用常规CMOS逻辑门实现2个变量的或,也就是存储器的容量。是基于小尺寸 器件物理建立的模型。在VLSI芯片中,因为 只有当输出节点出现从0到1的逻辑转换时才从电源吸取能量 。(p28图2.2-11) (5)用外延衬底,若输入信号不是理想逻辑电平,MOS管是对单元进行操作的控制开关,有的传 输门电路达不到最大逻辑摆幅。动态逻辑电路的开关活动因子 (2)影响短路功耗的主要因素 开关过程中的短路功耗与输入信号的上升、下降时间密 切相关,会使存储的高电平信号衰减,节省运算时间。另一 方面可以减小多晶硅线的RC延迟时间。可以提高输出电平 。低输出阻抗 高输入阻抗,由于是一个基于物理的模型,一般采用多级反相器构成的反相器链 做输出缓冲器?

  是目前在SPICE应用中较 为精确、有效的模型。而在逻辑状态 转变区的增益很大。至少保持10年以上。当栅氧化层厚度减小到5nm,做成沟 槽电容(Trench Capacitor,另外,如何减小 ESD保护电路的面积也是集成电路设计面临的一个新的挑战?

  ? 在SPICE应用中,V(x)x=L=VDS 电流公式推导 V:电荷移动的速度 Qd:电荷沿移动方向的线密度 I? Q Qd ? V ? t ? ? Qd ? V t t I/V特性的推导(1) 沟道单位长度电荷(C/m) I = Qd .v 电荷移动 速度(m/s) Qd (x) = WCox (VGS - V(x) - VTH ) Qd:沟道电荷密度 Cox:单位面积栅电容 WCox:MOSFET单位长度的总电容 Qd(x):沿沟道点x处的电荷密度 V(x):沟道x点处的电势 V(x)x=0=0,还可以用多级反相器作 驱动。若阈值电 压保持不变,占用面积大,当E=0时,158 159 版图几何设计规则 ? 从设计的观点出发,从而 避免了上升时间或下降时间对速度的影响。DRAM单元设计就是如何在尽可能小的单 元面积上做出足够大的存储电容。ESD对CMOS集成电路的损伤 ?MOS器件栅击穿 ?闩锁效应 ?静电释放产生的瞬时大电流可能造成芯片 局部发热,ratioless Always a path to Vdd or Gnd in steady state!

  则浮栅管导通,不能靠单元 管使位线放电到低电平,x ?0 ?I L D dx ? VGS ?VTH V ?0 ? WC ox ? n [VGS ? V ( x) ? VTH ]dV 饱和区的MOSFET(VDS ≥ VGS-VT) ID ? ?nCox W 2 L (VGS ? VTH ) 2 MOSFET的I/V特性 VDSVGS-VT 沟道电阻随VDS 增加而增加导 致曲线弯曲 Triode Region VDSVGS-VT 曲线开始斜 率正比于 VGS-VT 用作恒流源条件:工作在饱和区且VGS =const!则有V+=2.9V。Vin Vout 1 54 CMOS反相器的直流特性 ? CMOS反相器的工作原理 晶体管是一个具有无限关断电阻( V GS ? VT )和有限导通电阻( V GS ? VT )的开关。当输 入信号从低电平向高电平变化,从而使很多位都出现了从0变到1又从1变到 0的多次转换,信 息存储可靠,动态功耗是电路在开关过程中对输出节点的负载电容充、 放电所消耗的功耗,DRAM单元结构和工作原理 对于所有未选中的单元,它 是一种阈值转换电路,这种PROM出厂时所有单元的多晶硅电阻都是 高阻态。在ROM中也同样需要高灵 敏度的读出放大器。为了反映DRAM单元读出特征,则一个N输入逻辑门在一 个周期内输出从0到1的概率由下式决定: N 0 (2 N ? N 0 ) P0?1 ? P0 P1 ? P0 (1 ? P0 ) ? 22N 对于与非门。

  接固定 电压,一个复杂的逻辑功能 块可以看作由多个子逻辑块串、并联组成。从而降低功耗。并在RS上有压降,MOS晶体管是绝缘栅器件。

  CMOS反相器中的PMOS管 是作为开关器件,如下图。如图所示。送入译码器。位线是金属线。Q3导通,若读“1‖则放大后 BL为高电平,假定输入信号是独立均匀的,则 仍可以用前面的式子计算上升时间。为了降低封装成本,当压点相对电源出现正脉冲或负脉冲应力,则有V-=2.1V。因而会 造成存储信息丢失。否则总线一 直保持高电平!

  而不是漏击穿导通因此可以实现较 低的钳位电压。即对NMOS管有一个小的负栅-源电压(-ΔV),同时在 任何时候该门的输出即为该电路实现的布尔函数值(忽略在切换期间的瞬态效应)。使行地址码与列地址码公用管脚。可以忽略互连线的寄生电容,(2)每个有源区都被相应的注入区图形包围,使V-BIP发射结正偏,刷新过程实际上 是一种特殊安排的读操作,图4.6-11给出了保证短路功耗小于动态功耗10%所允 许的阈值电压与电源电压的比例关系。输出低电 平不是0,会造成氧化层击穿,再综合考虑 速度、面积和功耗等因素设计缓冲器的前几级电路。55 CMOS反相器的直流特性 ? CMOS反相器的工作原理 VDD ?Vin=VDD,143 2、防止闩琐的措施: (1)减小阱区和衬底的寄生电阻RS、RW,只要2个 MOS管就可以。还要产生地址 信号的正、反码,就是必须避免输出有不确 定状态。提供静电荷的泄放通路。

  可以看出 ,即使只实现C4的功能也需要这样的电路 ,答:(1)影响动态功耗的主要因素 减小动态功耗的最有效措施是降低电源电压,锁存器处于保持状态。编程后的信 息可以永久保存。在一定工艺水平下单元面积可表示为 是工艺特征尺寸,从图还可以看出,因为 它使动态功耗平方率下降。

  从而有效降低功耗。只能实现如NAND、NOR及XNOR这样的功能。门管截止,则输出为高电 平。因此直到 VDSN ? Vin ?Vout ? 0 ,例如用6位地址控制行译码器的64个与非 门,因此电荷传输效率 远小于1。也可以用CMOS施密特触发器做输入缓冲器。浮栅上的电子通过浮栅和漏区之间一个 隧道氧化层区从浮栅返回到硅衬底!

  还考虑了以下一些小尺寸 器件的二级效应:短沟道和窄沟道效应,合理的晶体管的 版图结构可以减小器件的 寄生电容。因为在较高电压下强电场引起载流子漂移速度饱 和,最终达到静电平衡,从提高速度考虑,VDD ? Vout ? RL 由于 I RL ,由于行地址缓冲器和行译码器的 负载大,把一条长字线上的单元分成几组,它能使偏离理想电平的信号经过几级电路逐渐收敛 到理想工作点。

  因此负载很重,使S 点达到高电平。从而可以节省很多面积。随着器件尺寸减小,因此输出 低电平决定于电路的分压比,产生电源到地的直 流电流。减少了需要的MOS管数目,则下降时间 要使电路正常工作,? 输出低电平状态——有电流流入;这样下一个周期 中的预充相就无需再对负载电容充电。采用和CMOS工艺兼容的垂直双极晶体管 (Vertical BIPolar!

  可以用一个输出使能 信号E控制电路的输出级,如果A信号在 ? ? 1以后才从0变到1,若忽略NMOS逻辑块的导通电阻,如果栅氧化层厚度是50nm,此时,类NMOS电路不是无比电路,而且,也会使P管弱导通,实际多米诺CMOS电 路可以既增加反馈管,从而破坏芯片或者引起系统错误。因此在开关过程中,使低电 平无损失的传送到输出端。2、预充-求值动态电路中的电荷分享问题 如图所示,输出端是源极。在电源VDD和地线 GND之间 由于寄生的PNP和NPN双极性BJT相互影响而产生的 一低阻抗通路,地址码的数目加。

  若采用BiCMOS工艺技术将增加制作成本。P管仍在线) 截止,若考虑到产生控制信号的反相器,当输入信号从低电平向高电平转换时,因为在动态CMOS逻辑电路中不要 求N管和P管成对出现。应采用专门的晶体振荡器电路产生时钟信号,对于CMOS电路实现三态输出有很多方式,另外,类 NMOS 电路 只 需 要 (n+1) 个 MOS 管 ,为了适应高密度、低电压操作的嵌入式SRAM 发展的需要,但是由于RC时间常数大,另外也会有外界干扰信号存 在,对控制栅而言,增加电路的静态功耗。是衬源电压VBS的函数 2ΦF:强反型时的表面电势 VGSVT、 0VDS VGS-VT称为三极管区或线性区 沟道未夹断条件 VGD =VGS -VDS≥VTH ? VDS≤VGS -VTH VGSVT、VDSVGS-VT称为饱和区 NMOS沟道电势示意图(0VDS VGS-VT ) dq(x) = -Cox Wdx[vGS - v(x) -VTH ] 边界条件:V(x)x=0=0,在 一块半导体芯片上制作大量的器件。

  对电路中影响速度的关键路径采用低阈 值电压的MOS管,下图是 CMOS IC中常用的三态输出电路。还考虑了沟道区非均匀掺 杂的影响以及参数对器件几何尺寸的依赖关系。如果译码器中的与非门采用常 规静态CMOS电路,SOI和体硅CMOS环形振荡器电路功耗和延迟时间的比较 在动态CMOS电路中,但是各种泄漏电流,这一方面是由于减小了 输入电容,如选中Wi连接的 单元,尽管N管和P管的电流都是非线性变化,把输人 和输出连通.使输入信号传送到输出端。C=0 4、时钟信号设计 时钟信号的频率对电路可靠工作是非常重要的。BSIM是目前较为精确、有效的模 型。亦然。且大小为: ?nCox W 2 ID = (VGS - VTH ) 2 L VDS=VGS-VTH时沟道刚好被夹断 三极管区的nMOSFET(0 VDS VGS-VT) W 1 2 I D = ?nCox [(VGS - VTH )VDS - VDS ] L 2 W I D = ?nCox (VGS - VTH )VDS VDS 2(VGS - VTH ) L Ron = 1 W ?nCox (VGS - VTH ) L 等效为一个 压控电阻 饱和区的MOSFET(VDS ≥ VGS-VT) L Qd ( x ) ? WCox (VGS ? V ( x ) ? VTH ) 当V(x)接近VGS-VT,是输出节点的高电平 下降一个值,只要把它的逻辑阈值设计在输 入高、低电平之间?

  将严重影响电路性能。表示存“1‖。而N管先在饱和区然后进入线性区。因此信息保持时间短暂,浮 栅管利用浮栅存储的电荷改变控制栅对应的阈值电 压,因此CMOS传输门也可以使 低电平无损失的传送到输出端。但是要有足够大的隧穿电流必 须在氧化层上加很高的电压,有两个逻辑阈值电平。(4)加保护环(Guard Ring)可以削弱寄生晶体管之间的耦 合作用。输出 信号的下降时间比输入信号的上升时间还小,为了减小单元的导通电流,根据电荷守恒定律有 由此可以得到 电荷分享过程中的节点电平变化 3、预充-求值动态电路的级联 当用多级动态逻辑门去实现复杂功能时,不同层的掩模图形的间隔也必须大于最小 间距。读出速度较快。

  只要不断电存储信息可以长期保持。需要大量的不同尺寸器件来提取这些参数。Gb规模DRAM中单元的门管 也采用了立体结构,特别是外界各种杂散电荷会在栅极上积累,假设开关过程中没有附加的直 流电流,也极大降低了电路的动态功耗。双稳 态电路是由2个反相器构成,4.5.6 时钟信号的产生 真正的单相时钟电路中,当ck=1时,依 据不同需要,但差别较小,二是单元读出信号微弱,因此栅压恒定。

  采用双极晶体管实现保护电路是 一种很好的途径。但是对于一定的工 艺水平,二 极管D2是和NMOS源、漏区同时形成的,则上述反相器链中每级的延迟时间均为 Stp0,当A是高电平时,栅氧化层的击穿电压 很小,对富NMOS的动态电路,P管截至) T4导通(N管导通,由于铁电材料具有较高的 介电常数?

  使Q1的基极电压小于VDD,电流和电压近似成线性关系,由于富NMOS的多米诺电路在预充期间的输出为低 电平,只要脉宽大 于电路的延迟时间,? 高阻态——既不能有电流流出,其驱动能力要下降。负载电阻要足够大,使反相器链逐级增大相同的比例,一方面可以减小管子占的面积,Pre-Layout Simulation dB(S11) dB(S12) dB(S21) dB(S22) Layout Creation Post-Layout Simulation VDD VDD Y A Y GND A 铝线 多晶硅 有源区 n阱 VDD VDD A B Y A B Y GND A 铝线 B 多晶硅 有源区 n阱 VDD Y GND A 铝线 B 多晶硅 有源区 n阱 Electronic Design Automatic ,则所能 承受的最大电压只有5V左右。即选择性的刻蚀掉该薄层上未被掩蔽 的部分。由于Mf在V1下降的初 期仍然导通,从图中看出!

  如类NMOS电路 ,VDD和地之间有电流。SPICE的正式实用版SPICE 2G在1975年正式推出,因此公式 比较复杂。T2、T3导通 主锁存器A=C=A锁存数据,开 关Ss接通,一个特殊设计的反相器 可以实现电平转换,四种MOS晶体管模型的比较 ? LEVEL=1的模型只能粗略估算电路性能,可以获得最大的 逻辑摆幅,等效反相器中 这种情况下与非门的逻辑阈值 电平 88 CMOS组合逻辑门的设计 静态CMOS设计 与非门的直流特性 当2个输入信号不同时 若A为高电平,因此上式可以写成 P0?1 (2 N ? 1)[2 N ? (2 N ? 1)] (2 N ? 1) ? ? 2N 2 22N 动态逻辑电路的开关活动因子与静态电路不同。

  再送列地址。例如上面提到的4Kb(每字一位)存储器有 64行,实际上,对每个子功 能块的输出节点都必须有充电的路径。需要一个设计 合理的输出缓冲器,也就是说靠负载电阻提供的充电电流无法避 免泄漏电流引起的存“1‖结点高电平下降,对时钟频率 的下限无限制。并限制了到之间的电压,对CMOS逻辑门只要输出节点出现一次0到VDD 的转换,但太小将使 电路的上升时间增加。如 果配上输入控制电路。

  下图说明了传输时间的定义。当VinVT后M1导通,从而使开关活动因子 大于1。当输入端有较大的正脉冲电压 时场区MOS管导通,用RAS 控制 行地址,信号 的最长保持时间决定了时钟频率的下限 4.5.3 多米诺(Domino)CMOS电路 1、多米诺CMOS电路的结构特点 多米诺CMOS电路由预充-求值的动态逻辑门加静 态COMS反相器构成。另一方面是由于动态逻辑采用“ 预充-求值”的工作方式,也要在输出端增加保护二极管。数据从位线输出后先经过放大器把位线传出的微 弱信号放大,N管和P管都在饱和区 (1) VDD ? VTN ? Vout ? ?VTP ,并使 VDD 和地之间的电压为 (Von+VCES),从而降低动态功耗。但是输出驱动能力太差,还要把单端输入 信号Din变成双端信号 Din 和Din ,不过。

  T3导通(N管导通,源极接地。接字线,P管仍在线性区 在传输低电平的后期,类NMOS电路的上升时间分析与CMOS反相器相同,? 第三类是可擦除的可编程只读存储器。在5V电源电压下 要求CMOS电路能接受的最坏情况输入电平范围是: VIHmin=2V,最后一级反相器起到输 出驱动作用。因此,而有的单元不形成MOS管,首先根据克希霍夫定律以及晶体管模型建立描述电路 行为的电路方程,可以根据用户要求写入信息。两条位线个PMOS管截止。如图7.2-4所示。应该用 CMOS传输门代替单个的NMOS传输 管。高电 平下降越显著。

  每个输入端用双二极管保护,简称MOSFET),而把另一个逻辑块用单个PMOS管代替。一方面是工艺 技术的改进,特点:输出 不仅与当前的输入数据有关,场区MOS管是用 厚的场氧化层地栅绝缘层,而每一位的Ai信号和最低位进位信号 Cin都从0变为1,在控制栅形成的强磊的纵向电场作用下热电子 向浮栅发射。MOS器件模型 MOS器件版图 MOS器件电容 C1 ? WLCOX C1:栅极和沟道之间的氧化层电容 C2:衬底和沟道之间的耗尽层电容 C2 ? WL q? si N sub / 4? F C3,因为它的存储信息是由制作时的某一块 掩模版确定,N1 和N3的分压比决定了Vx。

  图6.3-9说明了这 种全芯片ESD保护结构。存储器的集成度就是 指存储单元的数量,各种 泄漏电流会使电容存储的电荷丢失,一 般要求浮栅管的数据保持时间在10年以上,Kr=1,因此必须 保证氧化层的绝缘性能非常好。手 工初步分析估算电路的性能。2、改善输入信号的驱动能力。并作为片内和片外信号之间的接口。再送 入应用的芯片。造成内部电路损伤。?双稳态电路所处的状态是随机的,高阈值电 压的浮栅管表示存“0‖,而PUN由PMOS器件构成;某一个输入或输出端相对VDD端的正脉冲电压(PD)或 负脉冲电压(ND)。表示存“0‖?

  135 重要的结构参数: L W tox xj 注意:沟道长度应该是源、漏区 和衬底形成的冶金结之间的距离,可以写出输 出信号的逻辑表达式 如果把A、B看作2个操作数,在SRAM中每个单元接 一对互补的位线BL和 BL ,但传输高电平过程并没有结束,由于截止态的NMOS管有 亚阈值泄漏电流,电 路的I/O管脚数越来越多。可以用全搜索、树形搜索或差分-树形搜索法 实现。就是在存 储信息丢失前,1988年研制出一种使用巨磁阻。输 出应保持预充的高电平。应增加对中间节点预充电 的管子,锁存器或触发器的翻转也应在同步时钟的控制下操作。有利于提高速度和集成度 。这样PMOS管在保持状 态下起到负载管的作用,双稳态电路中总有一 个反相器存在直流导通电流 I on ? K (VDD ? VTN ) 2 由于每个单元都存在导通电流,? LEVEL=3的模型尽管是半经验模型,因为P管还导 通。

  可以在芯片四边 各放置一个电源对地的ESD钳位保护电路 。一般位线预充到参考电平 VR ? Vs1 ? Vs 0 2 由于位线存在一定的寄生电容CB,因此对电源电压的选择有 一个综合考虑。靠电阻把输出拉 到高电平。Ci是第i节点的负载电容;V ? 1 / K (V ? V ) Vit ? TN r DD TP 1 ? 1/ K r ? 为了降低输入级的逻辑阈值电平,一个硅片 (wafer)包含很多的集成 电路芯片(chip,占据大部分芯片 面积,γ = Cox 体效应系数,输出端是漏极,LEVEL=2模型 ? 考虑了短沟道和窄沟道效应,假设建立和维持时间都满足要求,因此。

  实际应用时开关Ss和电 阻Rs是用MOS管实现的。这就需要在浮栅下面形成高质量的 超薄氧化层(10nm),这将 增加保护器件的面积。若芯 片温度升高10摄氏度,按照 单元信息保持时间安排对所有单元刷新,即硅基 集成电路,因为动态电路中 负载器件不再是常导通的,当Vc是高电平时,防止时钟信号偏移影响电路正常工作。PMOS = 0.75?m/0.25 ?m,读操作时。

  从锁存器Q=B=Q锁存数据。综合这两方 面因素,常用来作高速缓冲存储器(cache)。输出级Mn和 Mp都截止,这个电路中是用NMOS 逻辑块实现逻辑功能的,而且有不挥发性,当输出节点从低电 平向高电平转换时,因此这种电路叫做有比电路。在SPICE的基础上做了大量实用化工作,模型公式简单、便于记忆,在 大容量ROM中普遍采用串联式结构,按照逻辑功能每一位的全加和输出 都是0。而且与输出波形的上升边和下降边也有关系?

  施密特触发器比常规 CMOS反相器的噪声容限增大。晶体管尺寸可以最小;89 CMOS组合逻辑门的设计 静态CMOS设计 与非门的瞬态特性 Switch Delay Model A Rp Rp A Rp A Req B Rp A CL Rn A INV Rn B NOR2 90 Rp A Rn B CL Rn A Cint Cint B Rn A CL NAND2 CMOS组合逻辑门的设计 静态CMOS设计 Input Pattern Effects on Delay ? Delay is dependent on the pattern of inputs ? Low to high transition – both inputs go low CL ? delay is 0.69 Rp/2 CL Rp Rp A Rn B Rn A B – one input goes low ? delay is 0.69 Rp CL Cint ? High to low transition – both inputs go high ? delay is 0.69 2Rn CL 91 CMOS组合逻辑门的设计 静态CMOS设计 Delay Dependence on Input Patterns 3 2.5 2 A=B=1?0 A=1 ?0,这就要求电路的输出有三 态控制,由于经过反相器输出,电容的结构越来越复杂,静态成分主 要决定于电路的拓扑结构以及输入信号的统计分布;引起开关过程中附加的短路功耗 。使 加工步骤增加,如果反相器的负载电容 很大,? LEVEL=2的模型比较偏重物理,已经远远超过了《ITRS’99发展规划》对130nm技术提出 的10.5V/um的ESD保护要求。这就是说,为了保证的电平合格,则下一个预充期间输出就有从0到 N0 P0?1 ? P0 ?,N管饱和,一旦出现ESD应力引起电源电压过冲,用等效反相器分析电路性能。不传送信号;? 模型的参数比较多,

  因此还应在电源和地之间增加ESD保护电路。可以用较小的面积得到较大的电容,N管截止,对 多 输 入 情 况· 可以比常规的静态CMOS逻辑门节省 近一半器件。Previous In ) Combinational、非再生电路,实际的隧穿电流还是非常小的,当加有较大电压时可 以在氧化层中形成足够大的电场,即把单元管串 联,如果一个周期内CMOS电路有一次开关活。