MOS管集成電路最基本的基礎(chǔ)-（倒相器）分析

MOS-IC最基本的單元——倒相器

最基本的MOS管集成電路是完成邏輯“非”功能的門電路，它是數(shù)字電路的最基本單元。

由于它輸出和輸入的信號極性是相反的，稱為“倒相器”。

倒相器由負(fù)載器件和驅(qū)動器件組成，MOS倒相器如圖1-1-1所示。實際應(yīng)用中負(fù)載器件可采用電阻、p溝增強型MOS管、n溝增強型MOS管和n溝耗盡型MOS管。而驅(qū)動器件則一般采用增強型MOS管，這是因為增強型MOS管的柵和漏是同一極性，在電路中便于級間的直接耦合。另外驅(qū)動管導(dǎo)通時一般工作在晶體管的非飽和區(qū)，非飽和區(qū)小的導(dǎo)通電阻可以獲得較低的輸出低電平。

（a）電阻負(fù)載（b）增強型負(fù)載（c）耗盡型負(fù)載

 圖1-1-1MOS倒相器

倒相器的負(fù)載器件用MOS管來替代擴(kuò)散電阻，可以極大地減少負(fù)載器件在集成電路芯片中所占的面積；另一個優(yōu)點是當(dāng)負(fù)載MOS管在關(guān)態(tài)運用時，可以降低倒相器的功耗。如果負(fù)載MOS管受時鐘控制，則功耗就成為時鐘占空比的函數(shù)。MOS負(fù)載器件的種類較多，可以是增強型，也可以是耗盡型；可以工作在飽和區(qū)，也可以工作在非飽和區(qū)。負(fù)載器件和驅(qū)動器件采用各種不同種類的組合，構(gòu)成倒相器的不同類型，如表1-1-1所示。

表中各種類型的倒相器中，PMOS為早期采用的一種形式，但是PMOS的導(dǎo)電載流子是空穴，其遷移率是電子的三分之一至二分之一，所以現(xiàn)在隨著NMOS工藝的成熟，PMOS已逐漸被NMOS所取代。而增強/耗盡MOS倒相器（E/D MOS）具有集成度高和開關(guān)速度快的優(yōu)點，雖然它要求在同一芯片上制造出增強型和耗盡型兩種不同閾值電壓的器件，應(yīng)用離子注入技術(shù)后，在制作工藝中可隨意調(diào)整鬧值電壓，所以N溝E/D MOS電路已是MOS大規(guī)模集成電路中采用的主要形式。至于CMOS倒相器的優(yōu)點是功耗低、速度高和抗干擾能力強，是表1-1-1所列的倒相器中最優(yōu)越的一種，目前的中大規(guī)模MOS管集成電路大多采用CMOS形式。特別因CMOS的微功耗優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于字宙空間技術(shù)、攜帶式電子計算機和通訊機以及電子鐘表等方面。由于這種互補電路要求在一個晶片襯底上制造兩種不同溝道的MOS管，阱的運用和電隔離的要求，使集成度受到影響，但隨著目前亞微米工藝技術(shù)的發(fā)展，CMOS電路在超大規(guī)模集成電路中已占絕對的優(yōu)勢。  

表1-1-1MOS倒相器的主要類型

以上不同的MOS倒相器都可以通過不同的集成工藝技術(shù)，在硅襯底上制造。然而，不同的倒相器類型、器件運行模式、襯底材料和版圖設(shè)計細(xì)節(jié)都決定和影響倒相器的參數(shù)：分布電容、速度、功耗和輸出擺幅等等。

本章首先介紹不同類型的倒相器，分別描寫它們的輸出特性、靜態(tài)轉(zhuǎn)換特性、動態(tài)特性和版圖沒計等。至于用p溝或n溝作驅(qū)動器件，其基本特性是相同的，只是極性和某些參數(shù)（如遷移率）不同，我們以n溝作為分析的代表電路。在倒相器的基礎(chǔ)上，接著介紹電路的基本門和傳輸門，然后介紹觸發(fā)器的各種結(jié)構(gòu)和運行模式。

圖1-1-2 電阻負(fù)載倒相器的特性曲線和工作點

圖1-1-1a的電阻倒相器是由一個MOS管（作驅(qū)動器件）和一個擴(kuò)散電阻（作負(fù)載器件）組成。輸入器件為增強型N溝MOS晶體管T₁，T₁的不同輸入電壓（即柵源電壓Vcs）下的電流電壓特性曲線，如圖1-1-2所示。流過T₁管的電流Ios受電源電壓Vam與負(fù)載電阻RL的限制。從圖1-1-1a的線路可看出，它滿足下列關(guān)系：

上式也稱為倒相器電路的負(fù)載線方程。

由于流過T₁管的電流I_DS與流過負(fù)載電阻R的電流相同，且T₁，管的漏源電壓V_Ds與輸出電壓V_o相等，故可以在T₁管的電流電壓特性曲線上，根據(jù)（1-1-1）式的直線方程作出V_o∝I_DS 曲線。該曲線是一條直線，稱為負(fù)載線。負(fù)截線與χ軸（V_DS軸）的交點為（0，V_DD，0）；負(fù)載線與y軸（I_DS軸）的交點為（0，V_DD/RL）。負(fù)載線的斜率為△VDs/△IDS=一RL。

當(dāng)輸入電壓Vi，接近零伏時，T1管截止，反向漏電流ID≈0，T1管電流電壓曲線與負(fù)載我相交于A點。A點在T，管的截止區(qū)，此時輸出電壓接近Va，輸出為高電平，A點稱為關(guān)態(tài)工作點。

當(dāng)輸入電壓V.~Vam，T；管充分導(dǎo)通，T，管電流電壓曲線與負(fù)載線相交于B點。B點在T；管的非飽和區(qū)，此時T1管漏源兩端呈現(xiàn)的電阻很?。ㄟh(yuǎn)低于RL），電源電壓VDD絕大部分降落在負(fù)載電阻RL兩端，輸出為低電平，B點稱為開態(tài)工作點。負(fù)載電阻RL越大，則負(fù)載線的斜率越小，輸出低電平越低，如圖1-1-2中的B'點所示。

在電源電壓一定的情況下，負(fù)載電阻RL的選擇是很重要的。除了上述為降低輸出低電平宜采用大的阻值以外，為降低電路功耗和提高輸出邏輯擺幅也需要采用大電阻。然而，大阻值的擴(kuò)散電阻在芯片中占去較大的面積，不利于集成度的提高。所以，在MOS管集成電路的制造中倒相器都采用MOS管作負(fù)載器件的形式。

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