半导体集成电路第6章单沟道MOS逻辑集成电路

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1、第六章单沟道MOS逻辑集成电路内容提要1：各种单沟道MOS倒相器的结构分析、性能分析2：不同倒相器之间的比较3：单沟道MOS逻辑集成电路的构成MOS逻辑集成电路是继双极型晶体管集成电路获得应用之后迅速发展的另一类型集成电路。由于采用电压控制型器件MOSFET，比之双极型集成电路，其突出优点是功耗低，占用芯片面积小，因此其集成度高，功耗小。这正好符合了集成电路的发展方向。可以广泛应用于航天，微处理机，空间技术，军事系统等领域。最早出现的MOS逻辑集成电路是P沟MOS电路。其突出的优点是制作容易成本低，但速度低，电源电压高。对一个MOS门电路，其状态的改变取决于对栅电容的

2、充放电。因此速度及扇出都受栅电容的影响。这也是早期MOS电路的发展较缓的原因之一。随着工艺技术的发展，出现了NMOS电路。由于电子表面迁移率较空穴表面迁移率高出两倍，因此在同样的几何尺寸下。NMOS管的导通能力大大增强，意味着其工作速度更快。另外，由于NMOS管阈值电平较低，其电源电压也相应降低。因此，目前NMOS电路得到解决了广泛的应用。为进一步提高电路性能，所谓短沟道MOS电路正迅速发展。主要有两种：1．高特性MOS（HMOS）2．双扩散MOS（DMOS）在线路设计上，则出现了CMOS电路。它具有极低的功耗，较高的速度及较大的噪声容限，且其集成度也大为提高。从表中

3、可以看出，综合各方面的参数考虑，MOS电路，特别是CMOS电路是最符合现代电子技术发展的集成电路。TTLECLI2LE/DMOSHMOSCMOSPC(mw)10250.0410.410-2～10-3tpd(ns)1022540.525电路优值10050140.22.5×10-1～10-2电源(V)5-5.20.84～82～43～15逻辑摆幅30.80.63～71～33～15几种数字门电路的典型电特性在本篇的内容之先，我们已学过双极型逻辑电路，而在电路形式上，MOS电路与双极电路有相似之处，我们可以参照双极电路来分析MOS电路。另外，MOSFET是多子元件，是压控元件，

4、而双极管是少子元件，电流控制元件。因此，MOS电路不需考虑少子存贮效应，而主要考虑电容效应，而对压控电件，理论扇出为无穷，但实际上负载能力受电容负载的限制。此外，MOSFET还具有衬底偏置效应，在电路分析中，应注意其特点。在接触到MOS电路之先，我们回顾一下MOS管的基本知识。MOSFET有四种类型：结构种类工作方式栅压特点P沟道增强型负易制造工作、速度慢耗尽型难于制造N沟道增强型正制造复杂、速度快耗尽型正负均可可在零栅压下工作在逻辑电路中，总是希望不另附加偏置电路，即在输入“0”状态时输入管（驱动管）截止，而输入“1”电平时，输入管导通，因而输入管毫无例外地采用增强

5、型管。§6-1电阻负载MOS倒相器一、基本电路二、电路原理T1为增强型MOSFETVi=“0”T截止RMOS≫RLVO=“1”Vi=“1”T导通RMOS≪RLVO=“0”实现了倒相器的功能。三、特性分析类似于双极型晶体管倒相器，我们也以其电压传输特性来描述MOS倒相器的静态特性。对负载RL：VO=VDD―ILRL对MOS管：饱和区非饱和区空载条件下IL=ID联立求解，可得VO～Vi关系采用图解法因IDS=IL，将负载线VDD-VDS～IL画在TI输出特性曲线中，得到一系列交点，每一点对应一组（VO、Vi），列于VO～Vi坐标中，得到VO～Vi曲线。从中可以看出：Vom

6、ax=VDD；Vomin与RL有关，为减小VOL则RL尽可能大；过渡区特性与RL有关，RL越大，过渡区越窄。四、特点：从电特性来看，电阻负载MOS倒相器要求RL越大越好，特别是在集成电路中，由于尽量采用最小面积MOS管，使得其导通电阻RMOS相当大，这对集成化很不利，因而除了在大跨导MOS电路中，一般都不使用。§６-２E/E饱和负载MOS倒相器所谓E/EMOS倒相器，即采用一个增强型MOS管代替负载电阻，这样驱动管、负载管均为增强型MOSFET，故称E/EMOS倒相器。按照负载管的工作状态，E/EMOS倒相器又分饱和负载与非饱和负载两类。1、基本电路：2、电路原理：以

7、一个饱和MOSFET代替大电阻RL饱和条件下：VDS>VGS–VT不考虑衬底效应时（VSB≠0时，△VT≠0。衬底效应）VDSL=VGSL满足VDSL>VGSL–VT故为饱和负载3、特性分析：a：电压传输特性图解法：先找出负载线VDSL～IDSL依据IDSL=IDSIVO=VDSI=VDD－VDSL将负载线画出在TI的输出特性曲线中，得到一系列交点。于是每一个交点对应一组VO、Vi值，将其联立曲线，便得到电压传输特性曲线。b：输出特性按照IDSI=IDSL=KL(VGSL-VTL)2当Vi=0时：TI截止IDSI=IDSL=0此时，TL也截止VDSL