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見るところ花にあらずと云ふことなし

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The Transistors 1---Bulk CMOS  

2017-01-01 22:01:26|  分类: IC design |  标签: |举报 |字号 订阅

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一、The MOSFETs in CMOS

2017新年伊始,就让我来说说我爱的Transistor们吧The Transistors - dreamtower - 見るところ花にあらずと云ふことなし

首先当然是老朋友CMOS里的MOSFET们。
CMOS,也叫互补金属氧化物半导体,在工艺里可以同时做NMOS和PMOS,到现在都还是数字类的主流。
如果我们把一颗芯片剖开来在电子显微镜下看的话,其实可以看到很多层次。下图是IBM的照片。
The Transistors - dreamtower - 見るところ花にあらずと云ふことなし
 
其实如果简化的话,可以表示为:
The Transistors - dreamtower - 見るところ花にあらずと云ふことなし

The Transistors - dreamtower - 見るところ花にあらずと云ふことなし
 
 图中黑框圈起来的就是MOS管了The Transistors - dreamtower - 見るところ花にあらずと云ふことなし
 
是不是跟我们的城市很像~
如果说芯片是一座城市,芯片里的各层金属线就好像我们的道路一样(各种高架和天桥啊),MOS管可以说是芯片城市中的小区或者聚集区,而小区里的居民,自然就是电子和空穴啦。
我们的芯片可以通过电子和空穴的各种运动来完成不同的功能。
那么电子和空穴怎样才能动起来呢?既然说了金属线都是道路,那么管控自然靠MOS上的信号。
让我们来单独看一个MOS管。
下图是三星28nm的MOS管:
The Transistors - dreamtower - 見るところ花にあらずと云ふことなし
 
The Transistors - dreamtower - 見るところ花にあらずと云ふことなし
 
如果看不太清晰,再来看简化版:
The Transistors - dreamtower - 見るところ花にあらずと云ふことなし
 
之前我们有说MOS管要分NMOS和PMOS。这里就是一个NMOS和一个PMOS。我们会发现,不论是NMOS还是PMOS,每个MOS都有4个端,D (DRAIN)、G(GATE)、S(SOURCE)和B(BODY)。所以我们只要先关注NMOS是怎么工作的,PMOS基本是类似的。从所属区域来说,NMOS会坐落在P衬底或是P阱里,而PMOS会坐落在N阱或者N衬底里。一般现在工艺P衬底居多。当然也有双阱和三阱工艺。
另外,我们会发现NMOS的BODY是P,一般直接接到P衬底上,电位上一般接最低电位,这是为了和衬底形成反偏PN结,保证晶体管正常工作。而PMOS的BODY则是N惨杂,一般接最高电位。因为大部分是统一的接法,所以很多时候我们会看到4端口的MOS管被简化成3端器件。实际上仍然是4端的。

那么MOS是怎么工作的呢?一个经典的比喻是水闸。
The Transistors - dreamtower - 見るところ花にあらずと云ふことなし

所有的MOS管都有一个阈值电压。对于CMOS工艺来说,NMOS的阈值电压一般在0.4~0.7V左右,PMOS的电压则在-0.7~-0.4V左右。
以NMOS为例:
当Vgs<Vth时,相当与水闸关断,这时候电子被关在了小区里面,那么此时MOS管不导通。
当Vgs刚超过Vth以后,相当与水闸降到水面下,电子开始可以走动。但如果高度差不大,那么也只有一部分电子水流能够流过水闸。
若Vgs>Vth, 而Vgs-Vth>Vds,就是上图的线性状况,S端和D端的电子都在水闸之上,我们会发现随着Vgs的升高,相当于S端电子水平面的升高,电流会增大,因为高度差增大了,更多的电子可以流动到D端。也就是S区和D区的门都敞开了,而D区的门比S区的大,离开S区的电子都能成功进入D区。此时被称为线性区。
Vgs>Vth, 而Vgs-Vth<Vds,就是上图的饱和状况,我们会发现,尽管本该有更多的电子可以流动过来,但是由于D区落到了水闸之下,虽然对于S区的电子来说离开S区也许不是问题,可是水闸仍然把D区的入口给限制住了。之后不论S去的门开的多大,都不能增加进入D区的电子数。所以此时被称为饱和区。

详细的数学表达式如下图:
The Transistors - dreamtower - 見るところ花にあらずと云ふことなし

我们会发现电流Id表达式中除了Vgs、Vth和Vds还有其它参数。u0和Cox是工艺相关的,不由设计决定,然后W和L确实管子的尺寸,需要我们根据需要进行计算。
我们回头看前面的剖面图,可以很容易找到L。
The Transistors - dreamtower - 見るところ花にあらずと云ふことなし
那么W在哪里呢?
之前的剖面图只显示了晶体管的两个维度,也就是一张平面照片。实际上,晶体管有他的宽度W。
如下图:
The Transistors - dreamtower - 見るところ花にあらずと云ふことなし
宽度Width和长度Length都可以由设计者在一定范围内取值。
 一个常见的反相器的SYMBOL电路表示、俯视图和剖面图如下图:
The Transistors - dreamtower - 見るところ花にあらずと云ふことなし
 
 
最后先上个CMOS工艺制造的视频吧The Transistors - dreamtower - 見るところ花にあらずと云ふことなし
http://v.youku.com/v_show/id_XNTUzMzQ2Nzcy.html
大家可以空降到23分钟开始
其余待续~

 
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