2_MOSFET物理与特性

数字集成电路设计

集成电设路计列系第3章 MSFOT物理E特性与1

上一

数字集成电路设计

讲要内容主 :1传.门输用：应始终控，制数据流制控要点如何进：行钟同步；如时何改数据保持时善间

2 MOSF.T空间E构结点：构成I要及MOSCEFT的向结横构和向结纵，构及以此衍由的工艺生 次层和平面版图；MSFOE开T的基本物关理程。

过 .半导3物体理基础要点：半导的体定义特性、、型类；几参个：数掺杂、电阻率迁移率、2

Updta e012.190

数字集成电路设计

上一主讲内要容 :1.传 门输应用始：控终制数，据流控制要点:如进行何钟同时；步如改何数据保善持时

间 .M2SFOE空T结间构要点：构成ICM及OSETF的向横结构和向纵构，结以由及衍此的工生 层艺和次平面版图M;OFETS开关的本基理过程。物

3 半.导物理体础要基点：半体导的定义、特性、类型几；个参：数掺杂电阻、率、迁移率3

Udatp e2101.90

数字集成电路设计

本章概要 述概 导体物理半基础 pn结 MOFSTE物理学 nFE I-VT特 性 尺寸小EF T p FT EI-特V性 FT开E关性特 COM物S理结构 SIPE模型C4

Updaet 2101.0

数字集成电路设计

9本参考章书

oJnh P .Uymure, Iatroductnio tno LVISCir citsua dnSy tses,mJ on hWiely &oSsn, ncI.,20 20. haCtpre 3s 中.本：译润周德，超大译模规成集电路与统系导论，电工子业 出社版20,40.1。第章3。

Jan M. aRbae yetal ,.iDgital Intgeater CdrciutiA :esDgni

Pesprctiee,v2rd Editon,iAannhat Cahndaraksn,BorivojeaNkioilc20,3. C0hatepsr3。 中译本： 周德等译润，数字集电路-成路、系统与设电计，电子工业版社出，200.140第3章。。

5Upadet 011.29

0低

数字集成电路设计

频镜 中抑像接 收器制横向构(版图)实例结：435MHz无线 通接收信片芯

数字集成电路设计

纵向构(结工层艺 )实例0:.18umCM O S片

I芯C视为大可量积木块 组的合，这的样木 块主要是晶体积管以 及这将晶些体管连接起 来的连线互，还少有 量二的极、电阻管、电 等。容

数字集成电路设计

.3 1述概基本材料构

成连层：互层单多、层 ，接连源有器件， 体导Al(C,,uopl ySi

绝)缘：层栅化氧、场层化氧，形成栅层电 、隔容有离器源及互连件，线缘绝体( SiO)2IC造首制要形先不同成材料的，然层后不在同 材料的层形上所成的需形。图C对OSM字数IC,由 nF只TE、FpTE和连线互成，构无其它型类体晶和管 源无元。件于其它对类型C,I不却定如一。此在本 章，姑且为认互线是电连理想的导，体考不虑其寄生电容及 寄生电阻，对这大尺器件寸是合理的，对 尺小器寸件不则。行对互线连寄生应及 效时延讨论的“见连”互章。一8 有源器件： n层FT 、 pFEET 、p 结二 管，极半体导S(i)料材Updtea2 011.90

数字集成电路设计

.13概 述

本视图基一层金属体立图

二视层属金9Upade 2011t09.3

数字集成电路设计

1 .述I概物C理

设计需定确 物设计理的目标

层各放叠序：取次决于工艺流程，由侧视表图 征，加工家厂提供

层图各形状与尺形寸取：决于版图计，由顶 视图设表征，IC设计者供

提艺工流程版图设计10

Udptea201 1.9

0

数字集成电路设计

.1 概述G S D3

OSMFT基E结本构nETFG断开(G0=nF,T;E=G1,FETp

S)

闭合(GD=,1nETF;=G0,FpTE)

FEpT电路符 1号

1图形式

版开关状态pUdta 2011e09

.3

数字集成电路设计

1 .述概艺表工

M征OFET基S视图本版表图征侧视图

三维视

12图视图Upd顶ae 20t110.9

数字集成电路设计

31 .述概

题问漏区、源、沟道区区的材 有何区料？

别 FnE和TpETF何区有？别沟为道何有导时、有电时导不？电沟道31pdUta e210109.

数字集成电路设计

3.2半导体 物基理 础 什么是半导体？

半导体导体：阻电率106-~0-41· Ωmc如A,、lC、Auu等绝 体：缘阻率电>110Ω·0cm, 橡如胶陶、、塑料瓷等半导体电阻： 10-3率~10Ω·9 c,m如i、Ge、GaAsS等Si 原密子的度1/0112 半 导为何有用？体 导电能受力掺、温度、杂光等因照素影的响非常显本著征半体导不含杂质：载，流子度1密.451x00cm-13( T3=00,KiS), 电阻率2.3x1054Ω cm·杂质半导：体含质杂载流，子密度114~10109m-c3, 电征本i的100万S倍 率1阻10Ω·~ c本m半导征体Si载的子流度密为in1=.4x15100m-c3(=T030K,称为本征载子密流度),有只iS 原子的密度siN=x5102c2-m3的/11102,可见导体中半只有很少电的子或空穴)参与导电(。但是 ，质杂的掺可以大大入增半加导的体流载数目子，从而著改显变导其电力能 。1U4pdat 2e11.009

数字集成电路设计

.2 半3导物体理础基 导体中半载的子类型 流

载子流

流子载半：体中可导自由动的移导粒电子电子：带个一子电量的电电荷负+q 空穴带：一电子电个量正电荷的q- q1.6021 0 91 库仑

空穴导电过的可程以做是电子看不填断充位空的过15U程pdtea 201.190

数字集成电路设计

3.2 半体导物基础 半理导体的载流中子目数载流子目数电子密度

n p ni2本载流征密子 度穴空度密

n的数i值温与度和照有关光与，导半体的导类电型及掺无杂 (关=3T0K0时，ni =145x10.1cm0-,3Si 若n> )i n则n>>p,,此称电时为子多载流子(数多),子空 为穴数少载子流少子)(;

若> np ,则pi>>n,此时空称为多穴数流载(多子子)电， 为少子载数流(子少子)1 无.论n型半是体导是还型p导半体电子浓度n,和穴空浓p均度足满上述系关2 .n 的i值掺与杂度无浓，只关随度的温上升上而升。因此要只知道半导了体掺的 杂度浓就，可以算计出其电子度浓空穴浓和。度

16Udptea2011. 90

数字集成电路设计

.23半 导物理基础体 半体导的电类型导

导半体导电的型类型半n体导：Si掺P、中sA电子为多，,空子穴为子，少P、称s为A施主(提可供子，亦即电放电子施，) 电浓度子≈施主浓Nd

度p型半导体：Si中B掺 空穴，多为，电子为子子， 称少为B受(可主提供空穴亦即接收，电子，)穴浓 度空受≈主浓Na

度 掺的作杂用

1

掺入7质的杂类型决定导半体的电导类型及流子类载型掺杂入质的数量定半决导体的载子流数(量电率阻)Upated 2110.90

数字集成电路设计

32. 半导物理基础体 半导 体电的率

导半体的电导率导与迁移率 q nn 对n,型半体(n导 p) q( = n n pp ) q p p 对p,型半导(体 p n) 电 子移率迁空穴迁移

率 半体的导迁率移 迁移率表征单电场位下流子载半在导体的运中动速度

常通n>>μμ ,p常对下温本征的Si,μ有n=361cm2/V0s μp·=804c2/mV· s

掺杂过高会增杂质加散，使迁移射率下

降移率迁于表征用流载子半导体中移动的在易难度程μ,越大运动越则易容。

然虽加增掺浓度可以提高半导杂体导电能力的但掺，过多杂也会导不致良应，其效最重中要的会是降 低流子载迁移的，因为率杂质离在子半导体中存的会阻碍在载流子的运(动之为杂质称散)。射如果时同在N存和dN,则对n型a导半体而言，nNd=-Na;对p半导体而型，p=言N-ad。N若d=NNa, 则=pn=n,i但μ则因d、NaN存的在而小本征Si的于。 18μUpdte a210.190

数字集成电路设计

33.pn结 n结pn:半型导与p体半导型彼此接触时形成的界体

面念

概p n的结单导电向性pn结：,只允许中一沿个向导电，即方p

端到从端n。当加的电压为施正p负时n,就会成形从p到n电的；流当施 加电压相反时的，基上本会形成电不。流

91Upade 2t11.009

数字集成电路设计

.33p n结B AlA SiO 2 结构

pn A p n

ICB艺中pn结 工截的面图A

l

A

BP结的一般n表示极管符二号在字I数中C,pn结极二大多管数反偏，为基无本流电流过因，是此作为生寄元件现出主(要它形 成是与电压有的关电容的)。数在字电路中图乎不出现几二管极符号的但pn,结是却所不无的。在20 pdUtea 2011.9

数字集成电路设计

3.30 p结n电流流动偏压零偏压下的零突变p结

pn

n端压电 内电势 建 N A N D 0 T ln n 2 i 热势电 kT T 62V(m T 30K0 时) q实例 若N:A 105 1m c3, DN 011 cm 63, T 03K ,则

00 63 8Vm21Update 011.209

3