干貨|MOS集成電路的功能知識解析-KIA MOS管

MOS集成電路的功能

(1)放大

MOS晶體管作為有源元件，本來就是用作放大元件的。在圖3.15所示的互補(bǔ)型電路中，P溝道和N溝道晶體管互為有源元件和負(fù)截元件而工作，適用于重負(fù)載驅(qū)動和小功率電路。但與單溝道MOS集成電路相比，工藝流程復(fù)雜。

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(2)負(fù)載

考慮其控制參數(shù)和芯片面積等單項(xiàng)功能，用MOS晶體管做負(fù)載要比擴(kuò)散電阻負(fù)載有利。MOS晶體管負(fù)載利用了漏-源間的伏安特性,依柵接地的形式大體分為兩種。還加了一種兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)的、可實(shí)現(xiàn)新功能的電抗型的負(fù)載形式。

MOS集成電路的功能

表中所列的漏接地電路是目前最常用的形式，此時漏與柵均為交流接地。很多場合，為使電路簡單起見，漏和柵接在一起，也就是采用直流連接形式。這種連接多用于增強(qiáng)型負(fù)載，由傳輸特性可以看到，輸出電壓的最大值一定在電源電壓扣除V(th)后的差值以下。也就是說電壓利用率很差。

為克服這一缺點(diǎn)，在特殊情形下，Vg用另一電源。另一方面，在源接地型一欄內(nèi)所示的兩種電路，其負(fù)載都具有源接地的特性。在E-D結(jié)構(gòu)的電路中，放大晶體管為增強(qiáng)型，負(fù)載晶體管為耗盡型。因呈現(xiàn)的是加上V(th)大小的有效柵偏壓的飽和區(qū)特性,故負(fù)載接近于恒流負(fù)載。從而最大輸出電壓幾乎接近電源電壓，對負(fù)載充電的電流也接近于恒流，故具有小功率、高速度的性質(zhì)。

互補(bǔ)型電路，與E-D結(jié)構(gòu)有同樣的效果,但由于負(fù)載可以互換，對降低功耗更為有利。也就是說，不管輸入信號為1或0，總有一個晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，幾乎沒有電流流過兩個晶體管，只是在1?0轉(zhuǎn)換時，才流過對負(fù)載充電的電流。

電抗型電路由漏接地電路和源接地電路組合而成。左側(cè)的電路對直流為漏接地，對交流為源接地。直流傳輸特性就表示了這種情形。若兩個晶體管的尺寸大致相同，傳輸特性可以接近于45°，因而直流穩(wěn)定度可以得到改善，又因?yàn)樵聪到涣鹘?/span>地，可以獲得增益。另外還可用于選頻。左側(cè)的圖形為同樣的,電路用互補(bǔ)型構(gòu)成的例子。

(3)傳輸門和模擬開關(guān)

由于對MOS晶體管而言可以對稱地構(gòu)成漏和源，漏和源是雙向開關(guān)的信號端，柵可用作控制端。但在雙極型晶體管中，因有作為控制信號的基極電流流入信號通路，故難以實(shí)現(xiàn)雙向功能。但對MOS晶體管而言，雙向開關(guān)可用作下面將要敘述的移位寄存器的傳輸門，存儲器的寫入和讀出門等。又由于漏-源之間沒有偏移電壓，也可用作模擬開關(guān)以及斬波器。

(4)暫存

MOS晶體管的柵輸入電阻極高，由輸入電容和輸入電阻決定的時間常數(shù)通常為幾個毫秒。因此，在輸入端加電壓信號后再切斷信號源時，在毫秒量級的時間內(nèi)還有漏電流流過。可以像在移位寄存器中所用的那樣，用于暫存信息。

(5)非易失性存儲

所謂非易失性存儲是切斷電源后還可保存存儲內(nèi)容的功能。由于半導(dǎo)體單晶沒有撤除外加電壓后的滯后現(xiàn)象，就必須利用不是電路性的而是物理性的存儲現(xiàn)象。我們認(rèn)為，如用簡單的制造工藝能作成穩(wěn)定的、好用的非易失性存儲器,則半導(dǎo)體存儲器的應(yīng)用領(lǐng)域就會進(jìn)一步擴(kuò)大。這方面的研究工作正在進(jìn)行之中。

MOS集成電路的功能

這類存儲器之一種是利用被硅上絕緣膜內(nèi)陷阱所俘獲的電荷來控制硅表面勢。最先做出的非易失性存儲器是MNOS器件，如圖3.16所示。圖3. 17是對該種器件的工作原理的說明。

MNOS是Metal-Silieon Nitride(Si3N4)-Silicon Oxide (SiO2 )- Semiconductor(金屬-氮化硅( Si3N4)一氧化硅(SiO2)-半導(dǎo)體)的縮寫。如圖3.17所示，利用流過Si3N4和SiO2的電流之差，可以改變對Si3N4和SiO2界面處陷阱充電的電荷。

當(dāng)SiO2厚度約為100~50A時，如圖3.17所示，流過SiO2的電流因隧道效應(yīng)通過SiO2勢壘的薄弱部分。當(dāng)SiO2厚度在50A以下時，直接的隧道電流增大。作為這類非易失性存儲器，以后發(fā)表了用AL2O3,做絕緣體的MAS晶體管,和用Al2O3 ~SiO2做絕緣體的MAOS晶體管。

還有一種非易失性存儲器，不是利用電荷穿越絕緣體的隧道現(xiàn)象，而是利用PN結(jié)雪崩擊穿產(chǎn)生的高能電荷越過絕緣體勢壘的現(xiàn)象。圖3.18是利用浮置柵的非易失性存儲器，漏結(jié)雪崩擊穿產(chǎn)生的電子越過SiO2注入到用多晶硅制造的浮置柵內(nèi)，電子一經(jīng)注入，就被高度絕緣的SiO2包圍起來，所以能夠長期保存。關(guān)于這種利用雪崩擊穿的方式，還有利用注入電子來寫入，以同樣的方法利用注入空穴消去的電可改寫存儲器。

MOS集成電路的功能

這種存儲器的讀出,在大多數(shù)場合都利用圖3.16、圖3.18所示的MOS晶體管結(jié)構(gòu)，通過測量由表面勢變化所產(chǎn)生的源-漏間的電流來進(jìn)行的。

MOS集成電路的功能

（1）大規(guī)模MOS集成化的優(yōu)點(diǎn)

與雙極型晶體管相比，MOS晶體管的制造工藝簡單，而且僅用同一種元件就可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，所以MOS大規(guī)模集成電路成品率高，有利于大規(guī)模集成化。由于MOS集成電路的阻抗高,可以藉助與源、漏擴(kuò)散區(qū)同時制作的穿接區(qū)，實(shí)現(xiàn)立體交叉布線而不影響電路的直流特性。因此，在需要作復(fù)雜布線時，也毋須使用會影響成品率的高難度技術(shù)。

由于阻抗高，為了在分開的集成電路中防止因外部雜散電容而降低工作速度，可以加接緩沖器，但在大規(guī)模集成電路中除了與輸出端相連的單元電路外，毋需接緩沖器，又因?yàn)殡s散電容小，可以降低單元電路所需的功耗并且能提高速度。

（2）大規(guī)模MOS集成化的功能

進(jìn)行大規(guī)模集成化時應(yīng)考慮的技術(shù)要點(diǎn)是成品率高、光刻掩模設(shè)計(jì)容易、外引線的數(shù)目少等。從掩模設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)簡易以及外引線數(shù)目少等方面來看，存儲器和移位寄存器是通過重復(fù)簡單單元電路所構(gòu)成的功能來實(shí)現(xiàn)的，因而這方面首先被大規(guī)模集成化。以后又實(shí)現(xiàn)了加法器等使用頻度大的器件，現(xiàn)在則可根據(jù)用戶訂貨將任意的一般電路大規(guī)模集成化，集成度可達(dá)幾千個元件的規(guī)模。

（3）大規(guī)模MOS集成化的方法

存儲器、移位寄存器等電路沿著盡量減少單元電路面積的方向，經(jīng)過努力實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模集成化。關(guān)于一般電路的大規(guī)模集成化有如下的方法:在單元電路(門)的周圍設(shè)置供穿接用的擴(kuò)散區(qū)。

然后根據(jù)不同電路的要求對單元電路進(jìn)行任意布線的方法;采用縱向擴(kuò)散區(qū)陣列作為源、漏和穿接區(qū)，橫向金屬薄膜陣列作為柵電極和連線，根據(jù)邏輯圖簡單地構(gòu)成大規(guī)模集成電路圖形的方法;將幾種單元電路以變化不大的所有可能圖案的形式存入計(jì)算機(jī)的程序庫，然后通過計(jì)算機(jī)將邏輯圖變?yōu)椴季€圖，再由布線圖描繪出大規(guī)模集成電路圖形的自動描圖法。