大规模集成电路(全套课件)上.ppt

1、大规模集成电路大规模集成电路关于我 2004.03 日本东北大学 博士姓名：张姓名：张 俊俊 RISC，SOC，Communication Processor 2004.04 - 2011.02 日本富士通株式会社 高性能三维图形处理内核及SOC集成芯片： Carmine，Ruby，Emerald-L，Emerald-P1 1关于参考教材 推荐1：集成电路设计 清华大学出版社 叶以正、来逢昌 主编 “十一五”国家级规划教材 定价：45元2 2 推荐2：集成电路设计导论 清华大学出版社 罗萍 张为 主编 定价：35元关于授课内容3 31 1绪论（基本概念、发展历程及应用）绪论（基本概念、发展历程

2、及应用）2 2MOSFETMOSFET场效应管场效应管3 3数字集成电路基本单元与版图数字集成电路基本单元与版图4 4大规模集成电路的设计流程大规模集成电路的设计流程5 5系统级设计系统级设计( (一）一）6 6系统级设计系统级设计( (二）二）7 7功能设计与逻辑设计功能设计与逻辑设计( (一）一）8 8功能设计与逻辑设计功能设计与逻辑设计( (二）二）9 9功能、逻辑验证功能、逻辑验证1010 可测性设计可测性设计1111 版图设计版图设计1212 芯片制造与封装芯片制造与封装关于考核4 4 期末考试总分：100分 期末最终成绩 = 期末考试成绩*70% + 平时表现分*30% 平时表现总

3、分：100分 缺课一次扣20分，扣完为止！请不要无故缺课！请不要无故缺课！ 积极讨论、踊跃回答问题者适当加分！ 以讲课内容为主。本讲的内容5 5绪论绪论1 1 集成电路的应用集成电路的应用2 2 集成电路的定义集成电路的定义3 3 集成电路的发展历程集成电路的发展历程4 4 集成电路的分类集成电路的分类5 5 集成电路产业链集成电路产业链本讲的内容6 6绪论绪论1 1 集成电路的应用集成电路的应用2 2 集成电路的定义集成电路的定义3 3 集成电路的发展历程集成电路的发展历程4 4 集成电路的分类集成电路的分类5 5 集成电路产业链集成电路产业链集成电路的应用 1智能手机7 7 iPhone

4、3G 8GB 115.5mm x 62.1mm x 12.3mm 133克 599美元iPhone 3G的基板8 8iPhone 3G基板结构图9 9iPhone 3G部件构成表1010集成电路的应用 2 数码相机1111 Sony Cyber-shot DSC-T9 600万像素 54.9mm x 89.7mm x 16.8mm 134克 光学3倍放大 3700元DSC-T9分解图1212FRONTFRONTCASECASEREAR REAR CASECASELCDLCD2.4inc2.4incBATTRYBATTRYMAINMAINPCBPCBLENSLENSMODULEMODULESPE

5、AKERSPEAKERSTOROBESTOROBEFRAMEFRAMEI/OI/OCONNECTORCONNECTORDSC-T9主板1313image prossorimage prossorCDX4200CDX4200sonysonySRAMSRAMM6MGKM6MGKrenesasrenesasPower MNGPower MNG901570B901570BfreescalefreescaleMotor DRVMotor DRVBD6876ABD6876ArohmrohmBONOBOBONOBOAudio AMPAudio AMPBH6414BH6414rohmrohm2ch REG2c

6、h REGBD3916BD3916rohmrohmOSCOSC33.75kHz33.75kHzndkndkDSPDSPADSP-BF534ADSP-BF534(RTC)(RTC)analog devicesanalog devices(Video AMP)(Video AMP)NJx3230NJx3230JRCJRC2ch P-MOS2ch P-MOSFDW2508PFDW2508PfairchildfairchildBoost CNVBoost CNVTPS61027TPS61027TITIL11L11L12L12L13L13L14L14L15L15L16L16lens caplens ca

7、pdetect switchdetect switchOSCOSCB550B550MurataMurataOSCOSCA548A548MurataMurataDSC-T9部件列表1414集成电路的应用 2 液晶电视1515 夏新 LC-37HWT3P 37寸 8500元LC-37HWT3P分解图1616LC-37HWT3P Graphic Processing Engine Board1717LC-37HWT3P USB Control Board1818LC-37HWT3P LCD Control Board1919LC-37HWT3P 部品列表12020LC-37HWT3P 部品列表221

8、21思考2222 集成电路产业已经发展成为：国民经济中的重要集成电路产业已经发展成为：国民经济中的重要支柱产业，推动社会文明进步的原动力！支柱产业，推动社会文明进步的原动力！ 计算机、交通、通信、娱乐、医疗、家电、 国防、航空、航天 便携、轻巧、高速、多功能、低价、节能、 安全 我国是全球最大的电子产品生成基地及消费市场，我国是全球最大的电子产品生成基地及消费市场，同时也是同时也是最大的芯片输入国最大的芯片输入国！ 核心技术的缺乏 话语权、自主定价权低下，利润微薄自主创新自主创新! !本讲的内容2323绪论绪论1 1 集成电路的应用集成电路的应用2 2 集成电路的定义集成电路的定义3 3 集成

9、电路的发展历程集成电路的发展历程4 4 集成电路的分类集成电路的分类5 5 集成电路产业链集成电路产业链集成电路的定义2424 集成电路（IC：Integrated Circuit） 所谓集成电路，是指采用半导体工艺，把一个电路中所需的二极管、晶体管、电阻、电容和电感等元件连同它们之间的电气连线在一块或几块很小的半导体晶片或介质基片上一同制作出来，形成完整电路，然后封装在一个管壳内，成为具有特定电路功能的微型结构。 晶体管（Transistor）：内部含有两个PN结，外部通常为3个引出电极，对电信号具有放大和开关等作用的电子器件。 二极管（Diode）：按照外加电压的方向，具有单向传导电流的电

10、子器件。 晶圆（Wafer），晶片（Die，Chip） 封装（Package）本讲的内容2525绪论绪论1 1 集成电路的应用集成电路的应用2 2 集成电路的定义集成电路的定义3 3 集成电路的发展历程集成电路的发展历程4 4 集成电路的分类集成电路的分类5 5 集成电路产业链集成电路产业链集成电路的诞生2626 1947年12月16日，贝尔实验室约翰巴丁、威廉肖克莱及沃特布拉顿发明了第一个锗点接触型晶体管，为今天的微电子学奠定了基石。1956年获诺贝尔物理学奖。 1958年12月12日，德州仪器公司杰克基尔比基于锗材料采用单管互连方法制作了第一片雏形集成电路，奠定了半导体集成电路技术的基础，

11、于2000年获得诺贝尔物理学奖。集成电路的发展2727 1962年，美国无线电公司（RCA）研制出金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）。 1963年，仙童半导体公司首次提出互补金属氧化物半导体制造技术，即CMOS技术。今天，95%以上的集成电路芯片都是基于CMOS工艺。 1965年，仙童半导体公司的戈登摩尔提出摩尔定律，预测晶体管的集成度每18个月将会增加1倍。戈登摩尔与1968年与罗伯特诺伊斯、安迪格鲁夫共同创立英特尔公司（Intel）。 1966年，RCA公司研制出CMOS集成电路，并研制出第一块门阵列（50门）。 1970年，斯皮勒和卡斯特兰尼发明光刻工艺。 1971年，In

12、tel推出1KB DRAM，标志着大规模集成电路的出现。同年，推出全球第一个微处理器4004：主频108KHZ，4位总线0.74MHz，10微米技术，2250个晶体管，4位运算，支持8位指令集及12位地址集，为日本公司Busicom 设计，用来生产电算机NEC-2200,65年Sony TV8-301,60年集成电路的发展2828 1974年，RCA公司推出第一个CMOS微处理器1802：主频3.58MHz，8位数据总线，支持8位或16位地址总线，16个16位寄存器。 1976年，16KB DRAM和4KB SRAM问世。 1978年，64KB DRAM诞生，0.5cm2的硅片上集成了14万个

13、晶体管，标志着VLSI时代的来临。 1979年，Intel推出5MHz8088微处理器，IBM基于8088推出全球第一台PC。 1985年，80386微处理器问世。 1988年，16MBDRAM问世，1cm2的硅片上集成3500万个晶体管，标志着ULSI时代的来临。 1989年，486微处理器推出，25MHz，1微米工艺。Sony walkman,79年 1995年，Pentium Pro,133MHz, 0.6-0.35微米工艺。 1997年，Pentium II,300MHz, 0.25微米工艺。 1999年，Pentium III,450MHz, 0.25微米工艺。Toshiba,89年

14、集成电路的发展 2000年，1GB RAM投放市场。 2000年，Pentium 4问世，1.5GHz，0.18微米工艺。 2004年，采用90纳米工艺的Pentium 4E推出。 2005年，Intel推出65纳米工艺的微处理器。 2007年，Intel推出45纳米工艺的微处理器。 2008年，Intel宣布完成32纳米工艺的开发工作。 2009年，IBM联盟展示22纳米的超紫外线光刻检验芯片。 2008年，2400万像素的CMOS图像传感芯片开发成功。Sony PS2,00年Sony PSP,04年Ipod,01,05年iphone 4,10年iPad,10年iphone 3G,07年29

15、29思考3030 摩尔定律摩尔定律: :晶体管的集成度每晶体管的集成度每1818个月将会增加个月将会增加1 1倍倍 过去60年里，集成电路产业基本上遵循了这一规律的发展： 电子器件、光刻、封装技术的发展 每2年，芯片的制造工艺上一个新的台阶 CAD设计技术的发展 每1-2年，芯片的功能翻一番 未来，摩尔定律是否同样成立？半导体发展面临的新挑战3131 漏电流增大问题漏电流增大问题 90nm90nm工艺的栅极酸化膜厚度工艺的栅极酸化膜厚度为为2nm2nm：5-65-6个硅原子个硅原子 总功耗增大 散热问题 接近物理极限 可靠性降低多核时代火箭的喷射口太阳表面半导体发展面临的新挑战3232 配线延

16、迟问题配线延迟问题 制作工艺特征尺寸的降低 配线电阻增大 芯片面积的增大 平均配线长度增大配线的信号传播延迟增大 性能降低 t tholdhold + t + tcdcd + t + twdwd + + t tsetup = setup = T Tclockclock DQDQFFFFClock半导体发展面临的新挑战3333 配线延迟问题配线延迟问题 漏电流增大问题漏电流增大问题 栅极酸化膜厚度接近物理极限栅极酸化膜厚度接近物理极限进入超深亚微米工艺时代后，摩尔定律将可能被打破！？ 三维堆叠技术 改良技术、新材料、新技术的出现改良技术、新材料、新技术的出现 应变硅、高速铜连接、新兴低K介质材料

17、 光连接技术本讲的内容3434绪论绪论1 1 集成电路的应用集成电路的应用2 2 集成电路的定义集成电路的定义3 3 集成电路的发展历程集成电路的发展历程4 4 集成电路的分类集成电路的分类5 5 集成电路产业链集成电路产业链集成电路的分类3535 按集成度分类按集成度分类 年代年代集成电路规模集成电路规模集成度集成度1960年以前分离元件120世纪60年代前期小规模集成电路SSI：Small Scale Integrated Circuits109集成电路的分类3636 按制作工艺分类按制作工艺分类 双极型工艺(Bipolar Technology) CMOS工艺（NMOS、PMOS） Bi

18、CMOS（Bipolar、CMOS） 按封装分类按封装分类 DIP、S-DIP、SIP、ZIP、PGA、SOP、MSP、QFP、SVP、CLCC、PLCC、SOJ、BGA、LGA、CSP、TCP等 BCD（Bipolar、CMOS、DMOS）集成电路的分类3737 按应用领域分类按应用领域分类 存储器（Memory）DRAM、SRAM、ROM、Flash Memory 微处理器（Microprocessor）RISC、CISC、VLIW、DSP 逻辑集成电路（Logic IC）ASIC：Application Specific Integrated CircuitsASSP：Applicati

19、on Specific Standard Products 模拟集成电路（Analog IC）AD/DA转换器、电源IC、RF IC、USB、IEEE1394、LVDS微处理器（Microprocessor）3838 “大脑大脑”地位的核心器件地位的核心器件 通用CPU：Intel（Pentium、Celeron、iCore),AMD(Athlon、Sempron） 嵌入式CPU：ARM、MIPS、Loongson 冯诺依曼（Von Neumann）结构：内藏程序型计算机 CPU（Central Processing unit)与MicroprocessorMemoryALUI/OContro

20、lCPU coreCacheROMSRAMCoprocessorInternal BusMemory ControllerDMAInterrupterClockTimerDRAMI/O Devicesexternal Bus微处理器（Microprocessor）3939 高性能化的体系结构高性能化的体系结构 CISC（Complex Instruction Set Computer）： 由1到几十个字节构成的可变长指令 1条指令可以完成多个处理 RISC（RISC Instruction Set Computer）： 指令长固定在16位或32位。 1条指令基本上只能完成一个简单操作。 流水线

21、处理方式（Pipeline）IAIFDCEXWAIAIFDCEXWAIAIFDCEXWAIAIFDCEXWAIAIFDCEXWAcycle0cycle1cycle2cycle3cycle4cycle5cycle6cycle7cycle8指令0指令1指令2指令3指令4微处理器（Microprocessor）4040 高性能化的体系结构高性能化的体系结构 Super Scalar结构 设置多个并行流水处理线，从而增加每个时钟可以处理的指令数，增大输出量。IAIFDCEXWAIAIFDCEXWAIAIFDCEXWAIAIFDCEXWAIAIFDCEXWAcycle0cycle1cycle2cycle

22、3cycle4cycle5cycle6cycle7cycle8指令0指令1指令2指令3指令4IAIFDCEXWA指令5 多核（MultiCore）结构 对称性并列处理SMP：Symmetric Multi-Processing 非对称型并列处理AMP：Asymmetric Multi-Processing AMP/SMP混在型本讲的内容4141绪论绪论1 1 集成电路的应用集成电路的应用2 2 集成电路的定义集成电路的定义3 3 集成电路的发展历程集成电路的发展历程4 4 集成电路的分类集成电路的分类5 5 集成电路产业链集成电路产业链集成电路产业链4242 综合型企业综合型企业（IDM:In

23、tegrated Design and Manufacture)IDM:Integrated Design and Manufacture)设计晶圆加工封装测试市场需求芯片功能性能功耗PatternDesignWafer样片成品 Intel、Samsung、AMD、TI、Fujitsu、Motorola、Freescale 集成电路设计企业集成电路设计企业(Fabless)(Fabless) ARM、Qualcomm、NVIDIA、Media Tek、Xilinx、Altera 集成电路制造代工厂集成电路制造代工厂(Foundry)(Foundry) TSMC、UMC、SMIC、IBM Mic

24、roelectronics 封装和测试企业封装和测试企业 南通富士通集成电路产业链4343 集成电路设计企业集成电路设计企业(Fabless)(Fabless)全球前十位全球前十位Fabless公司公司2006200711Qualcomm22Broadcom43NVIDIA34Marvell Technology Group65Media Tek56Xilinx77Altera98Novatek109Himax Technology1110Cambridge Silicon集成电路产业链4444 集成电路制造代加工厂集成电路制造代加工厂(Foundry)(Foundry)全球前十位全球前十位F

25、oundry公司公司2006200711TSMC22UMC43SMIC34Chartered Semiconductor55IBM Microelectronics86Vanguard International107X-Fab68Dongbu Electronics79MagnaChip910Hua Hong NEC集成电路产业链4545 美国美国 Intel： CPU, 销售额436亿美元，半导体业界全球第一。 TI： 模拟IC、DSP，模拟集成电路全球第一，半导体业界全球第四。 AMD： CPU、GPU（06年收购ATI）。 Freescale Semiconductor（飞思卡尔）：

26、04年Motorola的半导体部门独立而来，以通信及汽车用芯片为主。半导体业界全球第10位 Micron Technolo9y： 美国唯一的DRAM生产商，半导体业界全球第10位。 高通（Qualcomm）： Febless业绩全球第一，W-CDMA，半导体业界全球第八。 Broadcom： Febless业绩全球第二，半导体业界全球第14位。集成电路产业链4646 日本日本 东芝半导体（Toshiba Semiconductor)： 半导体业界全球第三。 瑞萨电子（Renesas Electronics)： 10年由瑞萨科技和NEC电子合并而成，半导体业界全球第五。 富士通微电子（Fujit

27、su Microelectronics）： 09年由富士通半导体部门独立而来，手机电子、汽车电子为主。 半导体业界全球第18位。 韩国韩国 三星电子（Samsung Electronics)： 存储器业界全球第一，半导体业界全球第二。 海力士半导体（Hynix Semiconductor)： 99年由现代电子和LG半导体合并而成，半导体业界全球第九。集成电路产业链4747 欧洲欧洲 英飞凌（Infineon Technologies)： 99年德国西门子的半导体部门独立而来，通信及汽车领域的ASIC、Anolog IC为主,半导体业界全球第13。 意法半导体（STMicroelectronic

28、s)： 87年由意大利SGS微电子和法国Thomson半导体合并而成，通信、汽车、家电等领域的芯片为主。半导体业界全球第七。 NXP Semiconductors： 06年由Philips半导体部门独立而来，通信电子、汽车电子为主。半导体业界全球第16位。 ARM： 嵌入式CPU业界全球第一。以CPU为主。 06年收购挪威Falanx公司，进入嵌入式GPU业绩。集成电路产业链4848 台湾台湾 台积电（TSMC）： Foundry业界全球第一，半导体业界全球第六。 联华电子（UMC）： Foundry业界全球第二，半导体业界全球第24位。 联发科（Media Tek）： Fabless业界全球

29、第五，半导体业界全球第17位。上一讲的回顾1 11 1 集成电路的应用集成电路的应用2 2 集成电路的定义集成电路的定义3 3 集成电路的发展历程集成电路的发展历程4 4 集成电路的分类集成电路的分类5 5 集成电路产业链集成电路产业链上一讲的回顾2 2 集成电路产业已经发展成为国民经济中的重要支柱产业，推动社会文明进步的原动力。我国存在缺乏核心技术、严重依赖进口的严重问题。 所谓集成电路，是指采用半导体工艺，把一个电路中所需的 、 、电阻、电容和电感等元件连同它们之间的电气连线在一块或几块很小的半导体 或介质基片上一同制作出来，形成完整电路，然后 在一个管壳内，成为具有特定电路功能的微型结构

30、。二极管晶体管晶片封装上一讲的回顾3 3 1965年，仙童半导体公司的戈登摩尔提出摩尔定律，预测晶体管的集成度每18个月将会增加1倍。 1979年，Intel推出5MHz8088微处理器，IBM基于8088推出全球第一台PC。 1971年，Intel推出1KB DRAM，标志着大规模集成电路的出现。同年，推出全球第一个微处理器4004。 1947年12月16日，贝尔实验室约翰巴丁、威廉肖克莱及沃特布拉顿发明了第一个锗点接触型晶体管，为今天的微电子学奠定了基石。1956年获诺贝尔物理学奖。 1958年12月12日，德州仪器公司杰克基比尔基于锗材料采用单管互连方法制作了第一片雏形集成电路，奠定了半

31、导体集成电路技术的基础，于2000年获得诺贝尔物理学奖半导体发展面临的新挑战:4 4 配线延迟问题配线延迟问题 漏电流增大问题漏电流增大问题 栅极酸化膜厚度接近物理极限栅极酸化膜厚度接近物理极限进入超深亚微米工艺时代后，摩尔定律将可能被打破！？ 三维堆叠技术 改良技术、新材料、新技术的出现改良技术、新材料、新技术的出现 应变硅、高速铜连接、新兴低K介质材料 光连接技术上一讲的回顾上一讲的回顾5 5 按制作工艺分类 双极型工艺(Bipolar Technology) CMOS工艺（NMOS、PMOS） BiCMOS（Bipolar、CMOS） 按封装分类 DIP、S-DIP、SIP、ZIP、PG

32、A、SOP、MSP、QFP、SVP、CLCC、PLCC、SOJ、BGA、LGA、CSP、TCP等 BCD（Bipolar、CMOS、DMOS） 按集成度分类 SSI、MSI、LSI、VLSI、ULSI、GSI 按应用领域分类 存储器、微处理器、逻辑集成电路、模拟集成电路上一讲的回顾6 6 Febless VS Foundry55LayoutChipDesignkitsInternetFoundryFabless设计单位代工单位本讲的内容10101 MOSFET场效应管2 MOSFET的阈值电压3 MOSFET的体效应4 MOSFET的温度特性 5 MOSFET的噪声6 MOSFET尺寸按比例缩

33、小7 MOS器件的二阶效应 第二讲第二讲 MOSFETMOSFET场效应管的特性场效应管的特性本讲的内容11111 MOSFET场效应管2 MOSFET的阈值电压3 MOSFET的体效应4 MOSFET的温度特性 5 MOSFET的噪声6 MOSFET尺寸按比例缩小7 MOS器件的二阶效应 第二讲第二讲 MOSFETMOSFET场效应管的特性场效应管的特性 两个PN结： 1）N型漏极与P型衬底； 2）N型源极与P型衬底。 同双极型晶体管中的PN 结 一样， 在结周围由于载流 子的扩散、漂移达到动态平 衡，而产生了耗尽层。 一个电容器结构： 栅极与栅极下面的区域形成一个电容器，是MOS管的核心。

34、MOSFET结构1212MOSFET的三个基本几何参数1313 栅长:L 栅宽:W 氧化层厚度: toxtoxSDn(p)poly-Sidiffusionp+/n+p+/n+WGLMOSFET的三个基本几何参数1414toxSDn(p)poly-Sidiffusionp+/n+p+/n+WGL Lmin、 Wmin和 tox 由工艺确定。 Lmin： MOS工艺的特征尺寸(feature size) 决定MOSFET的速度和功耗等众多特性。 L和W由设计者选定。 通常选取L= Lmin，由此，设计者只需选取W。 W影响MOSFET的速度，决定电路驱动能力和功耗。MOSFET的伏安特性1515

35、当栅极不加电压或加负电压时，栅极下面的区域保持P型导电类型，漏和源之间等效于一对背靠背的二极管，当漏源电极之间加上电压时，除了PN结的漏电流之外，不会有更多电流形成。 当栅极上的正电压不断升高时，P型区内的空穴被不断地排斥到衬底方向。当栅极上的电压超过阈值电压VT，在栅极下的P型区域内就形成电子分布，建立起反型层，即N型层，把同为N型的源、漏扩散区连成一体，形成从漏极到源极的导电沟道。这时，栅极电压所感应的电荷Q为， Q=CVge式中Vge是栅极有效控制电压。MOSFET的伏安特性1616非饱和时，在漏源电压Vds作用下，这些电荷Q将在时间内通过沟道，因此有dsdsVLELL 2 为载流子速度

36、，Eds= Vds/L为漏到源方向电场强度，Vds为漏到源电压。 为载流子迁移率： n = 650 cm2/(V.s) 电子迁移率(nMOS) p = 240 cm2/(V.s) 空穴迁移率(pMOS) 电荷在沟道中的渡越时间 MOSFET的伏安特性1717 方程推导 非饱和情况下，通过MOS管漏源间的电流Ids为：dsTgsgedsdsTgsoxoxdsdsTgsoxoxdsgeoxoxdsgedsVVVVVVVVLWtVVVVLWtVVLtWLVLCVQI21with 21 )21( 222 = .0 栅极-沟道间氧 化层介电常数 = 4.5, 0 = 0.88541851.10-11 C

37、.V-1.m-1 Vge: 栅级对衬底的有效控制电压,其值为栅级到衬底表面的电压减VT。MOSFET的伏安特性1818 漏极保护电流 当Vgs-VT=Vds时，满足:Ids达到最大值Idsmax，其值为Vgs-VT=Vds，意味着近漏端的栅极有效控制电压 Vge=Vgs-VT-Vds=Vgs-Vds-VT = Vgd-VT =0感应电荷为0，沟道夹断，电流不会再增大，因而，这个 Idsmax 就是饱和电流。0dsdsdVdI2Tgsoxoxdsmax21VVLWtIIdsVds0线性区饱和区击穿区MOSFET的特征曲线1919 在非饱和区 ：线性工作区 在饱和区 ： ：Ids与Vds无关， M

38、OSFET是平方律平方律器件!11bVaIgsCVdsds22TgsdsVVaI本讲的内容20205.1 MOSFET场效应管5.2 MOSFET的阈值电压5.3 MOSFET的体效应5.4 MOSFET的温度特性 5.5 MOSFET的噪声5.6 MOSFET尺寸按比例缩小5.7 MOS器件的二阶效应 第二讲第二讲 MOSFETMOSFET场效应管的特性场效应管的特性MOSFET的阈值电压V VT T2121 阈值电压是MOS器件的一个重要参数。按MOS沟道随栅压正向和负向增加而形成或消失的机理，存在着两种类型的MOS器件： 耗尽型耗尽型( (Depletion)Depletion)：沟道在

39、Vgs=0时已经存在。当Vgs“负”到一定程度时截止。一般情况，这类器件用作负载。 增强型增强型( (Enhancement)Enhancement)：在正常情况下它是截止的，只有当Vgs“正”到一定程度，才会导通，故用作开关。MOSFET的阈值电压VT2222 VT的组成 概念上讲, VT就是将栅极下面的Si表面从P型Si变为N型Si所必要的电压。 它由两个分量组成, 即: VT= Us+ Vox Us : Si表面电位; Vox: SiO2层上的压降。MOSFET的阈值电压VT2323 Us的计算 将栅极下面的Si表面从P/N型Si变为N/P型Si所必要的电压Us 与衬底浓度Na有关。 在

40、半导体理论中，P型半导体的费米能级是靠近满带的，而N型半导体的费米能级则是靠近导带的。要想把P型变为N型，外加电压必须补偿这两个费米能级之差。 所以有:iabpSnNqkTqUln22MOSFET的阈值电压VT2424 Vox的计算 Vox根据右图从金属到氧化物到Si衬底Xm处的电场分布曲线导出:aiaSioxaNqnNkTCqNV2ox/ln40XMOS-toxXmEoxE0ExmE(X)MOSFET的阈值电压VT2525 VT的理想公式aiaSioxaiaoxsTNqnNkTCqNnNqkTVUV2/ln4ln2在工艺环境确定后，MOS管的阈值电压VT主要决定于： 1. 衬底的掺杂浓度Na

41、。 2. Cox（单位面积的栅极氧化层电容）本讲的内容26265.1 MOSFET场效应管5.2 MOSFET的阈值电压5.3 MOSFET的体效应5.4 MOSFET的温度特性 5.5 MOSFET的噪声5.6 MOSFET尺寸按比例缩小5.7 MOS器件的二阶效应 第二讲第二讲 MOSFETMOSFET场效应管的特性场效应管的特性MOSFET的体效应2727前面的推导都假设源极和衬底都接地，认为Vgs是加在栅极与衬底之间的。实际上，在许多场合，源极与衬底并不连接在一起。通常，衬底是接地的，但源极未必接地,源极不接地时对VT值的影响称为体效应(Body Effect)。MOSFET的体效应2

42、828 某一CMOS工艺条件下，NMOS阈值电压随源极-衬底电压的变化曲线本讲的内容29295.1 MOSFET场效应管5.2 MOSFET的阈值电压5.3 MOSFET的体效应5.4 MOSFET的温度特性 5.5 MOSFET的噪声5.6 MOSFET尺寸按比例缩小5.7 MOS器件的二阶效应 第二讲第二讲 MOSFETMOSFET场效应管的特性场效应管的特性MOSFET的温度特性3030MOSFET的温度特性主要来源于沟道中载流子的迁移率和阈值电压VT随温度的变化。载流子的迁移率随温度变化的基本特征是： T 由于漏极电流与栅极电压的比值： 所以， T gm 阈值电压VT的绝对值同样是随温

43、度的升高而减小：T VTVT(T) (2 4) mV/CVT的变化与衬底的杂质浓度Ni和氧化层的厚 度tox有关： (Ni , tox) VT(T) Tgsoxm VVLWtg本讲的内容31315.1 MOSFET场效应管5.2 MOSFET的阈值电压5.3 MOSFET的体效应5.4 MOSFET的温度特性 5.5 MOSFET的噪声5.6 MOSFET尺寸按比例缩小5.7 MOS器件的二阶效应 第二讲第二讲 MOSFETMOSFET场效应管的特性场效应管的特性MOSFET的噪声3232MOSFET的噪声来源主要由两部分： 热噪声(thermal noise) 闪烁噪声(flicker no

44、ise，1/f-noise) MOSFET的热噪声3333 热噪声是由沟道内载流子的无规则热运动造成的，通过沟道电阻生成热噪声电压 veg(T，t)，其等效电压值可近似表达为 f为所研究的频带宽度, T是绝对温度. 设MOS模拟电路工作在饱和区, gm可写为所以，结论：增加MOS的栅宽和偏置电流，可减小器件的热噪声。fgTvm2eg32DSoxm2ILtWg2eg vW2eg vIdsMOSFET的闪烁噪声3434 闪烁噪声(flicker noise，1/f -noise)的形成机理：沟道处SiO2与Si界面上电子的充放电而引起。 闪烁噪声的等效电压值可表达为K2是一个系数，典型值为3102

45、4V2F/Hz。因为 1，所以闪烁噪声被称之为1/f 噪声。 电路设计时，增加栅长L或栅宽W，可降低闪烁噪声。 ffWLtKvf1ox22/1MOSFET的噪声3535 两点重要说明： 有源器件的噪声特性对于小信号放大器和振荡器等模拟电路的设计是至关重要的； 所有FET(MOSFET, MESFET等)的1/f 噪声都高出相应的BJT的1/f 噪声约10倍。这一特征在考虑振荡器电路方案时必须要给予重视。本讲的内容36365.1 MOSFET场效应管5.2 MOSFET的阈值电压5.3 MOSFET的体效应5.4 MOSFET的温度特性 5.5 MOSFET的噪声5.6 MOSFET尺寸按比例缩

46、小5.7 MOS器件的二阶效应 第二讲第二讲 MOSFETMOSFET场效应管的特性场效应管的特性MOSFET尺寸缩小对器件性能的影响3737 非饱和区 饱和区2dsdsTgsoxds21 VVVVLWtI2Tgsoxds2 VVLWtIL Ids tox Ids L + tox Ids 结论1：减小L和tox引起MOSFET的电流控制能力提高W Ids P 结论2：减小W引起MOSFET的电流控制能力和输出功率减小( L + tox +W )Ids=C AMOS 结论3：同时减小L，tox和W， 可保持Ids不变，但导致器件占用面积减小，电路集成度提高。总结论：总结论：缩小缩小MOSFETM

47、OSFET尺寸是尺寸是VLSIVLSI发展的总趋势发展的总趋势！MOSFET尺寸缩小对器件性能的影响3838 减小L引起的问题： LVds=C (Ech，Vdsmax) 即在VdsVdsmax=VDD不变的情况下，减小L将导致击穿电压降低。解决方案：减小L的同时降低电源电压VDD。降低电源电压的关键：降低开启电压VT MOSFET尺寸缩小对器件性能的影响3939 MOSFET尺寸缩小的例子栅长、阈值电压、与电源电压 L(m)1020.50.350.18VT(V) 7-9 410.60.4VDD(V) 201253.31.8VT的功能与降低VT的措施4040 VT的功能：1) 在栅极下面的Si区

48、域中形成反型层；2) 克服 SiO2介质上的压降。 降低VT的措施：1) 降低衬底中的杂质浓度，采用高电阻率的衬底;2) 减小SiO2介质的厚度 tox。 (两项措施都是工艺方面的问题)MOSFET尺寸按比例缩小的三种方案41411) 恒电场(constant electrical field)2)恒电压(constant voltage)3)准恒电压(Quasi-constant voltage) 采用恒电场CE缩减方案, 缩减因子为(1)时, 电路指标变化。Parameter 参参 数数 变变 化化 因因 子子 备备 注注 Voltage 电电 压压 1/ Circuit density

49、电电 路路 密密 度度 2 L W Device current 器器 件件 电电 流流 1/ Power 功功 率率 1/ 2 Ids Vds Capacitance 电电 容容 1/ Delay 沟沟 道道 延延 迟迟 1/ Line resistance 连连 线线 电电 阻阻 Line capacitance 连连 线线 电电 容容 1/ Line response time 连连 线线 响响 应应 时时 间间 1 RL CL Figure of merit 0 优优 值值 2 1/L2 MOSFET尺寸按比例缩小的三种方案4242 MOSFET特征尺寸按(1)缩减的众多优点： 电路密

50、度增加2倍 VLSI, ULSI 功耗降低2倍 器件时延降低倍 器件速率提高倍 线路上的延迟不变 优值增加2倍 这就是为什么人们把MOS工艺的特征尺寸做得一小再小，使得MOS电路规模越来越大，MOS电路速率越来越高的重要原因。本讲的内容43435.1 MOSFET场效应管5.2 MOSFET的阈值电压5.3 MOSFET的体效应5.4 MOSFET的温度特性 5.5 MOSFET的噪声5.6 MOSFET尺寸按比例缩小5.7 MOS器件的二阶效应 第二讲第二讲 MOSFETMOSFET场效应管的特性场效应管的特性MOS器件的二阶效应4444 随着MOS工艺向着亚微米、深亚微米的方向发展，采用简