《集积回路》课件.ppt

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1、集積回路松澤　昭2004年9月３．MOSトランジスタとCMOS論理回路2004年9月1新大　集積回路集積回路1.VLSIとは？2．VLSIの設計から製造まで3.ＭＯＳトランジスタとCMOS論理回路4．メモリー回路5.アナログCMOS回路6.回路・レイアウト設計7.論理設計とテスト8.アナログ・デジタル混載集積回路9.スケーリング則と低消費電力化設計10．システムLSIとVLSIの今後2004年9月2新大　集積回路MOSFETMOS:MetalOxideSemiconductorFET:FieldEffectTra

2、nsistor電界効果トランジスタCMOS:ComplementaryMOS相補的MOSn-MOSとp-MOSの組み合わせ2004年9月3新大　集積回路MOSトランジスタ2004年9月4新大　集積回路p型基盤トランジスタの構造nnSiO2PolySiliconLW2004年9月5新大　集積回路ソースドレインゲート基板VGSVDSIDIDVGS0VTしきい値弱反転領域強反転領域MOSFETの電気的特性VDSNMOSトランジスタはゲートに正の電圧をかけると電流が流れ、しきい値電圧より低い電圧では電流は殆ど流れない。（

3、ただし、しきい値電圧以下のゲート電圧でも僅かなリーク電流が流れ、最近深刻な問題になっている。）PMOSトランジスタではしきい値電圧以上の負の電圧をかけると電流が流れる。オン状態オフ状態2004年9月6新大　集積回路半導体中を流れる電流面積AJn:伝導電流密度Qdv(1)電流電流=動ける電荷（キャリア）の量x速度電荷密度電界により生じた速度濃度勾配によって生じた電荷の流れドリフト電流（多数キャリアの流れ）拡散電流（少数キャリアの流れ）(2)ドリフト電流と拡散電流MOS強反転領域での電流バイポーラ動作での電流MOS弱

4、反転領域での電流半導体中を流れる電流は電界によるドリフト電流と濃度勾配による拡散電流の２種類がある。2004年9月7新大　集積回路表面電位P-SiVgSiO2xQB-qNAQGToxxd図のようなMOS構造のゲートに正の電圧をかけると、P型シリコン表面の負イオンは表面に引き寄せられる。イオン（アクセプタ）が集まることにより、電気的に中性ではない領域（空乏層）が発生し、表面では電界が発生する。空乏層の電荷密度ポアソンの方程式境界条件,xdは空乏層幅単位表面積当たりの電荷VgVgを高くすると表面電位φsも高くなるVg

5、と表面電位φsの関係ゲート電極電荷分布電流に寄与しない電荷（ポテンシャルのみに寄与）電位分布・容量が形成される表面電位Vox:酸化膜の電位NA:アクセプタ濃度電界により表面電位が発生し、これはゲート電圧で制御される。2004年9月8新大　集積回路キャリアの発生P-SiVgSiO2EcEiEFEvx-qNAQGToxxd可動電荷（電子）反転層の形成N型領域これがキャリアになる表面電位を上げて、反転層を創り出す（VTにのみ関与）電子のキャリア密度真性キャリア密度P型半導体・熱平衡状態での電子密度・ホール密度表面電位が

6、2φFを越えると急激にキャリアは増加する動けない電荷（アクセプタ）表面電位がフェルミポテンシャルΦFの２倍の電圧,2ΦFになったときに強い反転が起こり、動ける電荷（電子）であるキャリアが発生して電流が流れる。また、キャリアが発生すると動けない電荷はそれ以上増加しない。ホールのキャリア密度フェルミポテンシャルフェルミポテンシャルエネルギー2004年9月9新大　集積回路しきい値電圧VTHは表面電位が2φFになる電圧であるのでQBOは空乏層幅が最大のときの単位表面積当たりの電荷で与えられる。ただし、実際にはゲート材料と

7、基板シリコンとの仕事関数の差や酸化膜中の電荷の影響があるので、フラットバンド電圧VFBを加えた値となる。温度特性：　通常　-2.4mV/deg程度の温度特性を持つしきい値電圧はチャネルの不純物濃度の平方根に比例し、単位酸化膜容量に反比例することに注意しきい値電圧を上げる：　不純物濃度を上げるしきい値電圧を下げる：　不純物濃度を下げる2004年9月10新大　集積回路電圧電流特性N+N+LCoxVgsVdsi(ｘ)v(x)IdIsＷxはソースからの距離x点を流れる電流は、x点での可動電荷とキャリア速度の積に比例する。

8、（キャリア速度は電界にモビリティをかけたものである。）チャネルに誘起されるキャリアはX点での酸化膜の電圧は電荷速度x=0で、V(x)=0,x=LでV(x)=Vdsを用いてVox2004年9月11新大　集積回路リニア領域での電圧電流特性（V(0)=0,V(L)=Vdsより）流れる電流はどこでも等しい、（電流連続）　を用いてリニア領域の電圧・電流式チャネルの平均電荷ドリフト速