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(mén)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(hào)極性是相反的，稱(chēng)為“倒相器”。

倒相器由負(fù)載器件和驅(qū)動(dòng)器件組成，MOS倒相器如圖1-1-1所示。實(shí)際應(yīng)用中負(fù)載器件可采用電阻、p溝增強(qiáng)型MOS管、n溝增強(qiáng)型MOS管和n溝耗盡型MOS管。而驅(qū)動(dòng)器件則一般采用增強(qiáng)型MOS管，這是因?yàn)樵鰪?qiáng)型MOS管的柵和漏是同一極性，在電路中便于級(jí)間的直接耦合。另外驅(qū)動(dòng)管導(dǎo)通時(shí)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(qiáng)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(lái)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(gè)優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)負(fù)載MOS管在關(guān)態(tài)運(yùn)用時(shí)，可以降低倒相器的功耗。如果負(fù)載MOS管受時(shí)鐘控制，則功耗就成為時(shí)鐘占空比的函數(shù)。MOS負(fù)載器件的種類(lèi)較多，可以是增強(qiáng)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(dòng)器件采用各種不同種類(lèi)的組合，構(gòu)成倒相器的不同類(lèi)型，如表1-1-1所示。

表中各種類(lèi)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(qiáng)/耗盡MOS倒相器（E/D MOS）具有集成度高和開(kāi)關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，雖然它要求在同一芯片上制造出增強(qiáng)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(diǎn)是功耗低、速度高和抗干擾能力強(qiáng)，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(shì)，被廣泛應(yīng)用于字宙空間技術(shù)、攜帶式電子計(jì)算機(jī)和通訊機(jī)以及電子鐘表等方面。由于這種互補(bǔ)電路要求在一個(gè)晶片襯底上制造兩種不同溝道的MOS管，阱的運(yùn)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(duì)的優(yōu)勢(shì)。  

表1-1-1MOS倒相器的主要類(lèi)型

以上不同的MOS倒相器都可以通過(guò)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(lèi)型、器件運(yùn)行模式、襯底材料和版圖設(shè)計(jì)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(lèi)型的倒相器，分別描寫(xiě)它們的輸出特性、靜態(tài)轉(zhuǎn)換特性、動(dòng)態(tài)特性和版圖沒(méi)計(jì)等。至于用p溝或n溝作驅(qū)動(dòng)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(mén)和傳輸門(mén)，然后介紹觸發(fā)器的各種結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式。

圖1-1-2 電阻負(fù)載倒相器的特性曲線(xiàn)和工作點(diǎn)

圖1-1-1a的電阻倒相器是由一個(gè)MOS管（作驅(qū)動(dòng)器件）和一個(gè)擴(kuò)散電阻（作負(fù)載器件）組成。輸入器件為增強(qiáng)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(xiàn)，如圖1-1-2所示。流過(guò)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(xiàn)路可看出，它滿(mǎn)足下列關(guān)系：

上式也稱(chēng)為倒相器電路的負(fù)載線(xiàn)方程。

由于流過(guò)T₁管的電流I_DS與流過(guò)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(xiàn)上，根據(jù)（1-1-1）式的直線(xiàn)方程作出V_o∝I_DS 曲線(xiàn)。該曲線(xiàn)是一條直線(xiàn)，稱(chēng)為負(fù)載線(xiàn)。負(fù)截線(xiàn)與χ軸（V_DS軸）的交點(diǎn)為（0，V_DD，0）；負(fù)載線(xiàn)與y軸（I_DS軸）的交點(diǎn)為（0，V_DD/RL）。負(fù)載線(xiàn)的斜率為△VDs/△IDS=一RL。

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

當(dāng)輸入電壓V.~Vam，T；管充分導(dǎo)通，T，管電流電壓曲線(xiàn)與負(fù)載線(xiàn)相交于B點(diǎn)。B點(diǎn)在T；管的非飽和區(qū)，此時(shí)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(diǎn)稱(chēng)為開(kāi)態(tài)工作點(diǎn)。負(fù)載電阻RL越大，則負(fù)載線(xiàn)的斜率越小，輸出低電平越低，如圖1-1-2中的B'點(diǎn)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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