Chapter02_122208432

Chapter02_122208432 - CMOS 1 CMOS CMOS MOSFET MOSFET...

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1 1 第二章 纳米 CMOS 技术 2 纳米 CMOS 技术 z 第一节、 CMOS 技术进展 z 第二节、小尺寸 MOSFET 的次级效应 z 第三节、纳米 MOSFET 新结构,新材料 z 第四节、终极( ultimate MOSFET ⎯⎯ 传统 MOSFET 极限 z 第五节、高性能 ULSI 连接
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2 3 第一节、 CMOS 技术进展 z 至少在 21 世纪的前二、三十年内,传统的、 CMOS 术为基础的 电子技术仍将是信息电子技术发展的 主流,但此时的 电子技术已进入了纳米新阶段。 z 纳米 CMOS FET 虽在基本原理上与传统的一致,但无 论是结构或基本材料都将会有所改变。 z 这些改变都是为了克服一些次级效应,使器件尺寸的 按比例缩小( scaling down )得以不断推进,即按 Moore 定律的发展得以不断向前伸延。 4 图1 NMOSFET的结构纵剖面及其按某一比例缩小后的示意图 其中 n+Source n+Drain Gate 分别为源、漏、栅 极,虚线示出的为源、漏空间电荷区 边界 L W t ox 为对应的尺度。
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3 5 依据这一结构,求解泊桑方程和电流连续 方程,就可求得相对应的器件电流、电压 特性。在长沟( L >> W (沟道宽度); W D W S 可忽略)和电场缓变条件下的解析 解可见于相关书籍。 z S. M. Sze, Ed.,Modern Semiconductor Device Physics, P.137, John Wiley and Sons Inc., New York, 1998 6 为了讨论方便,以相关公式为基础,可近似地 推出 CMOS 开关(反相器)的延时 τ 。设 CMOS 反相器输出端驱动的电容为 C Q=CV 为充电电荷, 则: (1) 其中: V DD 为偏置电压, I D 饱和漏电流, V G 电压, V T 开启电压, C OX 单位面积栅氧化层电 容, μ 迁移率, W L 为沟道宽度和长度。 () DD T G OX DD D DD V V V C L W V C I V C I V C = μ τ
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4 7 在一定的简化下,不难推出:当负载为与驱动级 相同的后一级反相器时,或简单地令被驱动的电 C C OX WL 时,称之为 CMOS 的本征延时 τ d (2) 其中,为了保证有一定的抗噪音能力, 设定 (3) (一般取 ),而 (4) v d 为漂移速度, 为沟道内的平均电场强度 (5) d d L ν η τ × 1 DD T V V = d E μ = L V E DD = 5 ~ 4 = E 8 另一方面, CMOS 每开关一次的功耗为: 对应本征条件 所以 6 () 2 0 2 1 2 1 DD T DD OX V DD D D d V V V C L W V I dV I P DD = = OX C W L C = = 1 1 2 1 3 2 DD d CV L P
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5 9 (2)(4)(5) (6) (7) 充电一个电容 C V=0 至电压 V=V 贮存的能 量为 (8) 2 2 1 DD d d CV P = τ 2 2 1 CV E b = 10 (7) (8) 可见,对于 CMOS 开关 (9) 即,开关的 功耗延时积 (常被称为一个二值 开关的 优值 ,优值越小越好,因为该开关可 做到更快、更省功率)恰等于开关状态的储 能。 E b 越小开关优值越佳。而 E b 小意味着尺
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