Microsoft PowerPoint - vlsi_chapter03
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1 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 本章目录 3.1 集成电路工艺层 3. MOSFET 3.3 CMOS 工艺层 3.4 FET 阵列设计 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 集成电路工艺层 硅集成电路 (IC) 分层的一个主要特点 : 形成图形的导体层在绝缘体的上面 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构
2 3.1 集成电路工艺层 叠放过程完成后的各层情形 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 集成电路工艺层 加上另一层绝缘层和第二层金属层 侧视图显示叠放顺序 绝缘层将两金属层分隔开, 所以它们在电气上不同 每层的图形由顶视图表示 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 4
3 3.1 集成电路工艺层 互连线的电阻和电容 1 互连线电阻 R = R line S l w 1 R S = σ t R S : 薄层电阻, 方块电阻 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 集成电路工艺层 互连线电阻计算 R line =R S n (n=l / w 方块数 ) 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 6
4 3.1 集成电路工艺层 互连线电容 设满足平行板电容条件 C line ε oxwl = T ε ox : 绝缘层 (SiO) 介电常数, 单位 : F/cm ox 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 集成电路工艺层 互连线上的寄生电阻和寄生电容, 引起时间延迟 时间常数 : τ = R C line line 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 8
5 3.1 集成电路工艺层 互连线电阻和电容 互连线电阻和电容使传播延时增加, 相应于性能的下降 互连线电阻会消耗功率 互连线电容会引起额外的噪声, 影响电路的可靠性 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 集成电路工艺层 Intel 0.18µm 工艺互连线 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构
6 3. MOSFET NMOS 电路符号与相应的工艺层 NMOS 的简化工作图 栅信号 G 决定了在漏区与源区之间是否存在导电区 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 MOSFET 形成 MOSFET 的各工艺层 MOSFET 的宽长比定义为 (W/L), 它是 VLSI 设计者考虑的最重要参数! 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 1
7 3. MOSFET MOSFET 侧视图与顶视图 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 MOSFET 3..1 硅的导电性 半导体 : 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质 本征半导体 : 完全纯净的 具有晶体结构的半导体 半导体的特点 : 当受外界热和光的作用时, 它的导电能力明显变化 往纯净的半导体中掺入某些杂质, 会使它的导电能力明显改变 半导体器件中用的最多的半导体是硅 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 14
8 3. MOSFET Si:IV 族元素 Si 原子密度 : N Si = 5 本征载流子密度 ( 室温 :300K): n i =1.45 / cm / cm 注意 : (1) 本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差 ; 3 () 温度愈高, 载流子的数目愈多, 半导体的导电性能也就愈好 所以, 温度对半导体器件性能影响很大 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 MOSFET 掺杂 : 增加载流子, 提高导电性, 形成 n 型和 型半导体 掺入磷 P 砷 As V 族元素杂质, 增加电子浓度, 形成 n 型材料 ; 提供自由电子的杂质原子称为施主掺杂剂 ; 掺杂浓度 N d = 16 n 型材料中, 每个施主提供一个自由电子 ; 电子为多子, 浓度为 n n ; 空穴为少子, 浓度为 n 3 有 nn N d ( n i =1.45 / cm ) ni 3 n / cm N d ~ 19 / cm 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 16 3
9 3. MOSFET 掺入硼 B III 族元素, 增加空穴, 形成 型材料 ; 提供空穴的杂质原子称为受主掺杂剂 ; 掺杂浓度 型材料中, 每个受主提供一个空穴, 空穴为多子, 浓度为 ; 电子为少子, 浓度为 n 并有 N a N a = n n N i a / cm 3 / cm 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 MOSFET 电导率 σ 载流子密度为 n 和 的半导体区域电导率 : σ = q( μ n n + μ ) 式中 : μ n和 μ 为电子和空穴迁移率, cm /(V s) 常温下本征硅 : 1360cm μ = /(V s) = 480cm /(V s) n 本征硅电导率 本征硅电阻率 N 型材料 : σ P 型材料 : σ σ 4.7 μ 6 /( Ω cm) ρ = 1/ σ.34 qμ n n qμ 5 Ω cm 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 18
10 3. MOSFET 3 例 3.: 一个硼掺杂密度为 15 cm 的 型硅掺杂样品, 其多子电荷载体为空穴, 密度为 N a = 15 cm 则少子载体的电子密度为 ni n = N a 已知该样品的迁移率为 μ n 1350cm /(V s), μ -3 ( 1.45 ) cm cm /(V s) 其电导率为 电阻率为 σ qμ 1 ρ = = σ = = 0.07( Ω 1 = 13.9( Ω cm) 0.07 cm) 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 MOSFET 迁移率与掺杂浓度的关系 室温下 : 电子空穴 μ = μ + 1 μ = 9cm 1 N ref μ μ 1+ / = 1.3 μ = 47.7cm 1 N ref = 6.3 N N ref 1 α ( V s), μ = 1380cm /( V s) 17 / / cm 3, α = 0.91 ( V s), μ = 495cm /( V s) 16 / cm 3, α = 0.76 结论 : 迁移率随掺杂浓度增加而降低!,, 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 0
11 3. MOSFET CMOS 工艺, 掺杂区同时存在施主和受主, 其极性由占优势的类型决定 N 型区 :N d >N a, 载流子密度 : 多子 nn N d N a ni 3 少子 n / cm Nd Na P 型区 :N a >N d 载流子密度 : 多子 N a N d ni 3 少子 n / cm N N a 全补偿 :N d =N a, 此时由于掺杂的数量非零, 它的迁移率将小于本征值 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 1 d 3. MOSFET PN 结 PN 结的特点 : 单向导电性 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构
12 3. MOSFET 3.. NMOS 和 PMOS 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 3 3. MOSFET 3..3 MOSFET 中的电流 n 沟道 MOSFET 中的栅电容 C ox = ε ox / tox 单位面积栅氧电容 ( 单位 F/cm ) 栅电容 : C = C A C WL G ox G = 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 4 ox
13 3. MOSFET 例 3.3, 考虑一个栅氧化层, 厚度为 C ox A G ε = t ox ox t ox = = 1 = 50 A = 50 其每单位面积的栅氧电容为 假定栅面积为 8 cm ε F/cm = = tox 50 4 cm cm = 4 9 cm 栅电容为 C G = C ox A G = = F =.76fF 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 5 3. MOSFET NMOS 中的电流 W I Dn μncox ( VGSn VTn) V L 定义工艺互导 ' k = μ C 单位 :A/V 定义器件互导 W βn = μncox = k L 沟道电阻 : R n R n = V n DSn = R n c, n / I ox Dn L W = ' n W L β ( V n R 1 V GSn c, n DSn 单位 :A/V Tn ) = 1 μ C ( V V ) NMOS 沟道的方块电阻 n ox GSn 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 6 Tn
14 3. MOSFET PMOS 中的电流 W I D μ Cox ( VSG VT ) V L 定义工艺互导 k ' = μ C ox 单位 :A/V SD 定义器件互导 W β = μ Cox = k L ' W L 单位 :A/V 沟道电阻 : R = V SD / I D = β ( V SG 1 V T ) 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 7 3. MOSFET 3..4 栅电容的驱动 dq dv i( t) = = C P R = i R dt dt 由于器件和互连线的物理特性引起的开关延迟 ; 电路中每次开关都需要能量转移, 将消耗功率 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 8
15 3.3 CMOS 工艺层 工艺层 : 具有不同电特性的区域 n 阱工艺 衬底 n 阱 n+(nfet 漏 / 源 ) +(FET 漏 / 源 ) 栅氧化层 栅 ( 多晶硅 ) 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 CMOS 工艺层 金属互连层 金属层之间以及金属层与晶体管之间用绝缘层实现电绝缘 相邻导电层之间的电接触要求在它们之间的氧化层上形成接触孔和通孔 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 30
16 3.3 CMOS 工艺层 互连线的版图例子 M 与 M1 连接需要一个通孔 M1 与栅连接需要一个栅接触孔 M1 与 D/S 连接需要有源区接触 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 FET 阵列设计 1 串联 FET 版图设计 器件可以共用图形区域, 以节省版图面积或降低复杂性 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 3
17 3.4 FET 阵列设计 并联 FET 版图设计 统一的版图可以使硅表面上有较高的集成度 互相分开的晶体管通常比共享源 / 漏区的晶体管占用更多的面积 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 FET 阵列设计 基本门设计 V DD 和 GND 用金属层布线 n+ 和 + 区用同样的填充图案表示, 不同的是 FET 嵌在 n 阱内 金属和 n+/+ 区处于不同的结构层, 从金属层至 n+/+ 区需有接触孔非门 NOT( 反相器 INV) 版图 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 34
18 3.4 FET 阵列设计 非门 NOT( 反相器 INV) 另一种方案的版图 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 FET 阵列设计 两个独立的反相器 ( 共享电源和地 ) 物理设计的目标之一是使整个芯片的面积最小 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 36
19 3.4 FET 阵列设计 缓冲器 BUF: 电信号的整形 提高驱动能力 金属可以跨越多晶栅而不会在电气上连接 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 FET 阵列设计 带有驱动器的传输门版图? 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 38
20 3.4 FET 阵列设计 NAND 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 FET 阵列设计 NOR 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 40
21 3.4 FET 阵列设计 NAND 和 NOR 的版图比较 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 FET 阵列设计 NOR3 和 NAND 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 4
22 3.4 FET 阵列设计 3.4. 复合逻辑门例 : f = a + bc 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 FET 阵列设计 g = a ( b + c) 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 44
23 3.4 FET 阵列设计 例 : F = x y + z w 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 FET 阵列设计 一般性讨论 逻辑门版图的一般几何图布置 规则的图形和阵列可以得到最高的密度! 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 46
24 3.4 FET 阵列设计 棍棒图 ( 版图简单画法 ) 各工艺层常用的颜色 多晶硅 ( 栅极 ): 红色 掺杂 n+/+( 有源区 ): 绿色 n 阱 : 黄色 金属 1: 蓝色 金属 : 灰色 触点 : 黑色的叉号 ( ) 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 FET 阵列设计 设计棍棒图的规则 红色和绿色交叉产生一个晶体管 黄色边框内的晶体管为 PMOS 管, 不在黄色框内为 NMOS 管 红色可以越过蓝色或灰色 蓝色可以越过红色 绿色或灰色 灰色可以越过红色 绿色或蓝色 蓝色与绿色连接必须通过晶体管的接触孔 蓝色与灰色连接必须通过通孔 蓝色与红色连接必须通过多晶接触孔 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 48
25 3.4 FET 阵列设计 例 : 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 FET 阵列设计 紧凑版图的实现方法 图论中 FET 的表示法 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 50
26 3.4 FET 阵列设计 紧凑版图的实现方法 1 构造欧拉图晶体管网络的欧拉图是一个用边代表晶体管 用节点代表网络节点的图 CMOS 逻辑门电路的上拉网络和下拉网络是对偶的, 所以它们相应的欧拉图也是对偶的 识别欧拉路径欧拉路径 : 经过欧拉图中所有节点并且只经过每条边一次的一条路径 只有当上拉 ( 下拉 ) 网络的欧拉图中存在欧拉路径时, 才能对输入端排序使多个 PMOS(NMOS) 晶体管共用一条连续的扩散区 要使每个输入只用一条多晶硅线, 上拉网络和下拉网络必须具有一致的欧拉路径 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 FET 阵列设计 欧拉图的构成 第 3 章 CMOS 集成电路的物理结构 5
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第 2 章 MOSFET 逻辑设计 本章目录 2.1 理想开关 2.2 MOSFET 开关 2.3 基本的 CMOS 逻辑门 2.4 CMOS 复合逻辑门 2.5 传输门电路 2.6 时钟控制和数据流控制 2017-9-7 第 2 章 MOSFET 逻辑设计 1 2.1 理想开关 1 高电平有效的控制开关 2 低电平有效的控制开关 y = x? 2017-9-7 第 2 章 MOSFET 逻辑设计
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第 6 章 MOFET 的电气特性 本章目录 6. MO 物理学 6. FET 电流 - 电压方程 6.3 FET 的 R 模型 6.4 pfet 特性 6.5 小尺寸 MOFET 模型 08-9-5 第 6 章 MOFET 的电气特性 6. MO 物理学 NMO 的电流和电压 D D ( G, D 08-9-5 第 6 章 MOFET 的电气特性 6. MO 物理学 MO 的结构 ε 4 ε 3.9ε
場效電晶體簡介.doc
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第 8 章高速 MOS 逻辑电路设计 本章目录 8. 门延时 8. 驱动大电容负载 8. 逻辑努力 (ogical Effot) 8.4 BiMOS 驱动器 08-9-5 第 8 章高速 MOS 逻辑电路设计 8. 门延时 MOS 逻辑门的开关时间 上升时间 : t 下降时间 : t f t 0 t f 0 α p n α 08-9-5 第 8 章高速 MOS 逻辑电路设计 8. 门延时 参照晶体管
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电子技术基础 ( 第 版 ) 3. 图解单相桥式整流电路 ( 图 4-1-3) 电路名称电路原理图波形图 整流电路的工作原理 1. 单相半波整流电路 u 1 u u sin t a t 1 u 0 A B VD I A VD R B
直流稳压电源 第 4 章 4.1 整流电路及其应用 学习目标 1. 熟悉单相整流电路的组成, 了解整流电路的工作原理. 掌握单相整流电路的输出电压和电流的计算方法, 并能通过示波器观察整流电路输出电压的波形 3. 能从实际电路中识读整流电路, 通过估算, 能合理选用整流元器件 4.1.1 认识整流电路 1. 图解单相半波整流电路 ( 图 4-1-1) 电路名称电路原理图波形图 4-1-1. 图解单相全波整流电路
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第12章_下_-随机微分方程与扩散.doc
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Chapter 3 1 N P 掺 ( 掺 ) MOS 2 3 掺 Si Ge (SiGe), (SiC) (GaAs), (InP) 4 5 P 掺 掺 N 掺 6 , E c, E g, E v 7 E g = 1.1 ev E g = 8 ev 2.7 cm 4.7 cm ~ 10 10 cm > 10 20 cm 8 Shared electrons Si Si Si Si Si Si Si
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第9章 排队论
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实验室诊断专辑
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证券代码（A股/H股）：000063/ 证券简称：中兴通讯 公告编号：
2 21,310,164 21,779,131-2.15 10,156,038 10,125,095 0.31 10.58 10.55 0.28 10.57 10.55 0.19-2,271,243-2,336,083 2.78% 0.035 0.240-85.42% 0.33 2.45 2.12 0.35 2.43 2.08 3 2,089 2,292 7,425-457 -2,587 4.2 33,418
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模拟电子技术 蒋乐天 http://nuedc-sh.sjtu.edu.cn/analog/analog.htm Jiangletian@163.com QQ 群 :545196085 主要内容 半导体器件 放大电路 集成运放电路 负反馈 波形的发生及信号转换 功放电路 直流电源 第一章半导体器件 1.1 半导体基础 1.2 二极管 1.3 双极型晶体管 ( 三极管 ) 1.4 场效应管 1.1 半导体基础
ⅠⅡⅢ Ⅳ
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Application Note Transient Voltage Suppressors (TVS) for 表 1 VISHAY 的 SM6T 系列的电特性 25 C 型号 击穿电压 器件标识码 V BR AT I T I T 测试电流 (ma) 关态电压 V RM 漏电流 I RM AT V
VISHAY GE NERAL SEMICONDUCTOR 瞬态电压抑制器 应用笔记 用于汽车电子保护的瞬态电压抑制器 (TVS) Soo Man (Sweetman) Kim, Vishay I) TVS 的重要参数 TVS 功率等级 TVS Vishay TVS 10 μs/1000 μs (Bellcore 1089) 1 TVS ESD 8 μs/20 μs 2 1 10 µs 10 µs/1000
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