IC设计:CMOS器件及其电路

电源Fan2018-11-08 18:00:43


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。


①MOS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


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),

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。


2、CMOS单元电路与版图

在现在工艺中,我们主要使用的是成为CMOS(互补型半导体,Complementary MOS)的工艺,这种工艺主要就是把PMOS和NMOS这两类晶体管构成一个单元,称为CMOS单元或者反相器单元,其结构把PMOS和NMOS同时集成在一个晶元上然后栅极相连,漏极相连,下面是它的结构图(关于电路符号和功能将在后面讲):

在上图中,左边是NMOS,右边是PMOS。A是共连栅极输入,Y是共连漏极输出,VDD连接PMOS的源极,GND连接GND。


下面电路符号图了,上面的那个CMOS反相器对于的电路符号图如下所示:现在我们就来分析一下这个CMOS反相器的工作原理来说明这个为什么

CMOS工艺是主流吧:

A当输入信号A=1时,PMOS关断,NMOS打开,输出信号Y的电压相当于GND的电压,也就是Y=0;在这个过程中,从VDD到GND这一个供电回路都没有导通,因此理论不存在电流从VDD流到GND,因此功耗为0.

B当输入信号A=0时,PMOS打开,而NMOS关闭,输出信号Y=VDD=1,但是从VDD到GND这一个供电回路也没有导通,因此理论上也不存在电流从VDD流到GND,因此功耗也为0。


C因此可以得出,理论上反相器进行传输信号时,没有功耗(好吧,我们应该这样说:功耗极其地低),这就是为什么使用CMOS的工艺的原因。


然后下面的NMOS的源极通过通孔跟金属连在一起(绿色跟蓝色通过X连在一起);NMOS和PMOS的漏极通过通孔连接到同一块金属上面然后当做输出。


PMOS的源极通过通孔连接到金属然后连接到了数字电源上。


3、CMOS门电路

①CMOS非门:上面的一个CMOS单元的功能就是非门的功能了,因此CMOS非门也就是这个CMOS的单元,也称为反相器。其电路结构就是反相器的电路结构。


②(二输入)CMOS与非门(NAND):

数字逻辑电路都可以由上面的三种电路化简构成,也就是说一个电路可以由NAND或者NOR电路构成,我们来看看他们的特点来推导数字CMOS电路的特点。


容易知道(反正我们就当做结论好了):

此外我们也注意到,使用到与功能的时候,NMOS网络是串联的;使用或功能时,NMOS网络是并联的。因此可以这么记忆:要NOMS都一起,才能一起(与),只要NMOS其中一个就可以(或),与还是或,可以根据NMOS的串并结构判断。


然后设计多少个输入的NXXX门,就把多少个NMOS串/并联起来,然后PMOS就是并/串就可以了。


4、CMOS的功耗表示

功耗是单位时间内消耗的能量,在数字系统中的功耗主要包括静态功耗和动态功耗,我们将从CMOS电路角度聊聊静态功耗和动态功耗。


CMOS的静态功耗:当CMOS不翻转/不工作时的功耗。在CMOS都不工作时,也就是晶体管都处于截止状态的时候,从VDD到GND并不是完全没有电流流过的,还是有些微电流从电源流到地,这个静态电流Idd称为电源和地之间的漏电流,跟器件有关(至于漏电流是怎么引起的,这里就不再阐述了)。初中的时候,我们就学过P=UI,因此静态功耗就可以这样表示 : 

CMOS的动态功耗是信号在0和1变化之间,电容充放电所消耗的功耗。我们知道,不仅仅CMOS器件有寄生电容,导线间也有电容。将电容C充电到电压Vdd所需要的能量CVdd^2。如果电容每秒变换f次(也就是电容的切换频率为f,在一秒内,电容充电f/2次,放电f/2次),由于放电不需要从电源那里获取功耗,


PS:上面主要是列举了一些主要的功耗,比如动态功耗中除了翻转时电容消耗功耗外,还有在栅极信号翻转的时候PMOS和NMOS同时导通引起的短路功耗。


这里不一一陈述,主要是考虑上面的那两种功耗。也许后面记载低功耗设计的时候会详细说明一下。


涨知识

关注我

别说话

往下翻

电源Fan | 涨知识的公众号

Copyright © 丰城计算器学习组@2017