数字集成电路设计 课件.ppt

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1、DigitalIntegratedCircuitsADesignPerspectiveTheDevicesJanM.RabaeyAnanthaChandrakasanBorivojeNikolic3.1目标Presentintuitiveunderstandingofdeviceoperation理解器件的功能和机理Introductionofbasicdeviceequations基本的器件方程Introductionofmodelsformanualanalysis手工分析模型Analysisofsecondaryanddeep-sub-m

2、icroneffects二阶和深亚微米效应Futuretrends发展方向3.2TheDiode二极管pnBASiO2AlCross-sectionofpn-junctioninanICprocessIC工艺过程中PN节剖面结构npABAlABOne-dimensionalrepresentationdiodesymbol数字IC中以寄生元件的形式存在一维结构硼-受主杂质磷或砷-施主杂质每个MOS中均含有数个反偏的二极管形成与电压相关的电容结构多数载流子-空穴多数载流子-电子3.2.1DepletionRegion耗尽区（空间电荷区）NAND浓

3、度梯度→Diffusion（扩散）电势→Drift（漂移）电流（零偏）电荷密度电场静电势受主离子施主离子NAND＞内建电势（零偏）3.2.2StaticCharacteristics静态特性AvoidedinDigitalICsForwardBias正向偏置Idiffusion>Idriftnp扩散电流>漂移电流中性n区中性p区电流p→nΦp＞Φn势垒高度降低浓度梯度＋－ReverseBias反向偏置反向偏置情况下靠近pn结的中性区域中少数载流子的浓度中性区少子数量低，漂移电流可忽略不计-----不导通Idiffusion

4、>扩散电流Φp＜Φn势垒高度降低＋－不导通/阻断器件DiodeCurrent二极管电流（与偏压的指数关系）60mV/10ID复合Is饱和电流：与面积成正比，与掺杂和中性区宽度有关，10-17A/um2ΦT：热电势室温下26mV实际器件中反向电流超过IS：耗尽区因热而产生电子和空穴对，比典型值大3个数量级ModelsforManualAnalysis手工分析模型结果精确，但非线性≈0.7V理想二极管方程IS：二极管饱和电流一阶二极管模型假设导通的二极管具有一固定压降VDon固定电压源3.2.3Dynamicperformance动态特性---最快

5、工作速度JunctionCapacitance结电容正向偏置：势垒降低→较少的空间电荷→耗尽区变窄反响偏置：势垒增加→较多的空间电荷→耗尽区变宽m：梯度系数正常工作=>反向偏置Cj0：零偏平板电容中性区、结区的电荷移动速度线性结m=0.33突变结m=0.51.耗尽区电荷（VD在正偏时为正）2.耗尽区宽度3.最大电场耗尽层在n区和p区的宽度：W2/(-W1)=NA/NDDepletionCapacitance耗尽区电容由于空间电荷区几乎没有可动载流子，其作用相当于具有硅介电常数的绝缘体，n区和p区相当于电容器极板结上微小电压变化引起空间电荷变化C

6、j取决于VD,其值在不同的偏置点间变化较大，数字电路中，工作电压往往在很大范围内快速变化，可用等效电容Ceq代替与电压有关的非线性电容Cj（对于一个给定的从Vhigh至Vlow的电压摆幅，电荷改变量与非线性模型所预期的相等）3.2.4SecondaryEffects二阶效应由于中性区会产生压降，外加电压未全部施于耗尽区电容=>实际二极管电流小于理想二极管方程当反向偏置超过击穿电压时，反向电流将显著增加：→反向偏置将提高结区场强，使穿越耗尽区的载流子加速→达到临界场强时，载流子与不能移动的硅原子碰撞形成电子空穴对，它们又导致形成更多的载流子---

7、-雪崩击穿N=1016/cm3Ecrit=2x105V/cm临界场强掺杂浓度–25.0–15.0–5.05.0VD(V)–0.1ID(A)0.100AvalancheBreakdown雪崩击穿热电势ΦT(T),反比于电流ID饱和电流IS(T),double/5℃(8℃)电流/功耗显著增大降低绝缘的质量CAUTION!非破坏性，反向偏置撤除后会消失不可长期保持，大电流及其产生的热量可损坏结构3.2.5DiodeModel-SPICE非线性电流源IDStaticcharacteristic:Dynamicperformance:非线性电容CDn:发

8、射系数中性区静态特性动态特性SPICEParameters3.3MOSFETTransistorGoodswitchperformance良好的开关性