（集成电路原理）第5章MOS反相器习题与答案

1. 说明MOS器件的基本工作原理。它与BJT基本工作原理的区别是什么？

MOS器件基于表面感应的原理，是利用垂直的栅压VGS实现对水平IDS的控制。它是多子（多数载流子）器件。用跨导描述其放大能力。双极器件（两种载流子导电）是多子与少子均起作用的器件，有少子存贮效应，它用基极电流控制集电极电流，是流控器件。用电流放大系数描述其放大能力。

2. 试以栅介质和栅电极的种类对MOS器件进行分类。当前VLSI MOSIC工艺的主流采用何种工艺？

以SiO2为栅介质时，叫MOS器件，这是最常使用的器件形式。历史上也出现过以Al2O3为栅介质的MAS器件和以 Si3N4为栅介质的MNS 器件，以及以SiO2+ Si3N4为栅介质的MNOS器件，统称为金属-绝缘栅-半导体器件--MIS 器件。

以Al为栅电极时，称铝栅器件。以重掺杂多晶硅(Poly-Si) 为栅电极时，称硅栅器件。它是当前VLSI MOS器件的主流器件。

3. 试述硅栅工艺的优点。

①它使|VTP|下降1.1V，也容易获得合适的VTN值并能提高开关速度和集成度。②硅栅工艺具有自对准作用，使栅区与源、漏交迭的密勒电容大大减小，也使其它寄生电容减小，使器件的频率特性得到提高。另外，在源、漏扩散之前进行栅氧化，也意味着可得到浅结。③硅栅工艺还可提高集成度，这不仅是因为扩散自对准作用可使单元面积大为缩小，而且因为硅栅工艺可以使用“二层半布线”即一层铝布线，一层重掺杂多晶硅布线，一层重掺杂的扩散层布线。

4. 画出MOS器件的输出特性曲线。指出它和BJT输出特性曲线的异同。何谓厄莱电压？

在饱和区MOS器件的电流-电压特性将不再是水平直线的性状，而是向上倾斜，也就是说，工作在饱和区的NMOS器件的电流将随着VDS的增加而增加。这种在VDS作用下沟道长度的变化引起饱和区输出电流变化的效应，被称为沟道长度调制效应。衡量沟道长度调制的大小可以用厄莱(Early)电压VA表示，它反映了饱和区输出电流曲线上翘的程度。

1

5. 画出增强型(Enhancement) NMOS晶体管和耗尽型(Depletion)N MOS晶体管的输出特性曲线。标出它们阈值电压VT 、夹断电压VP (pinch-off)的符号。

阈值电压VTN>0 、夹断电压VPN <0

6. 在实际的应用时，一般使用哪几种MOS晶体管？ 在4种MOS晶体管：增强型NMOS晶体管，耗尽型NMOS晶体管，增强型PMOS晶体管和耗尽型PMOS晶体管中，在实际的应用时，一般使用增强型NMOS晶体管，耗尽型NMOS晶体管和增强型PMOS晶体管。

7. 列出影响MOS晶的阈值电压VT 的因素。为什么硅栅NMOS器件相对于铝栅NMOS器件容易获得增强型器件？

影响MOS晶的阈值电压VT 的因素:第一个影响阈值电压的因素是作为介质的二氧化硅(栅氧化层)中的电荷Qss以及电荷的性质。第二个影响阈值电压的因素是衬底的掺杂浓度QB。

第三个影响阈值电压的因素是由栅氧化层厚度tOX决定的单位面积栅电容的大小。第四个对器件阈值电压具有重要影响的参数是栅材料与硅衬底的功函数差 ΦMS的数值。

铝栅的ΦMS为-0.3V，硅栅为+0.8V。所以硅栅NMOS器件相对于铝栅NMOS器件容易获得增强型器件。

8. 写出MOS晶体管的线性区、饱和区和截止区的电流-电压的萨式方程。

IDSKN2VGSVTNVDSVDS2VGSVTN,VDSVGSVTN 2VGSVTN,VDSVGSVTN1VDSIKVV DSNGSTNVGSVTNIDS0 

9. 写出MOS晶体管的跨导gm的数学表达式。 IW gmDSVDS,VBS0noxVDS VGStoxL IDSnoxWgVGSVTN2nCoxW/LIDS mVVDS,VBS0tLGSox  2

10. 说明MOS晶体管的最高工作频率同栅极输入电容之间的关系，说明提高MOS晶体管工作频率的有效措施。

gmVGSVTfmfm 22L2CGC

从最高工作频率的表达式，我们得到一个重要的信息：最高工作频率与MOS器件的沟道长度L的平方成反比，减小沟道长度L可有效地提高工作频率。

11. 什么是MOS晶体管的衬底偏置效应？CMOS反相器、CMOS传输门都有衬底偏置效应吗？

当MOS晶体管的源极和衬底不相连时，即VBS (Bulk-Source) ≠0 的情况，由基本的pn结理论可知，处于反偏的pn结的耗尽层将展宽。由于栅电容两边电荷守衡，所以，在栅上电荷没有改变的情况下，耗尽层电荷的增加，必然导致沟道中可动电荷的减少，从而导致导电水平下降。若要维持原有的导电水平，必须增加栅压，即增加栅上的电荷数。对器件而言，衬底偏置电压的存在，将使MOS晶体管的阈值电压的数值提高。对NMOS，VTN更正，对PMOS，VTP更负，即阈值电压的绝对值提高了。CMOS反相器没有衬底偏置效应，但CMOS传输门有。

12. 请以PMOS晶体管为例解释什么是衬偏效应，并解释其对PMOS晶体管阈值电压和漏源电流的影响。 答：对于PMOS晶体管，通常情况下衬底和源极都接最高电位，衬底偏压VBS=0，此时不存在衬偏效应。而当PMOS中因各种应用使得源端电位达不到最高电位时，衬底偏压VBS>0，源与衬底的PN结反偏，耗尽层电荷增加，要维持原来的导电水平，必须使阈值电压（绝对值）提高，即产生衬偏效应。

影响：使得PMOS阈值电压向负方向变大，在同样的栅源电压和漏源电压下其漏源电流减小。

13. 为什么通常NMOS管的宽长比(W/L)N比PMOS管的(W/L)P 小，小多少？

导电因子与迁移率有关，NMOS与PMOS的迁移率，工程上近似认为相差约为2.5倍。 11W effn/effp2.5KCOX 22L通常在设计倒相器时，要求NMOS和PMOS的驱动能力相等，还要求输出波形对称，也就是tr=tf，因为是在同一工艺条件下加工，NMOS和PMOS的栅氧化层的厚度相同，如果NMOS和PMOS的阈值电压数值相等，则KP=KN。由导电因子的表达式可以得到如下结论：此时 WLPn2.5 Wp LN

14.什么是CMOS电路？简述CMOS反相器的工作原理及特点。 答：CMOS电路是指由NMOS 和PMOS所组成的互补型电路。

 3

对于CMOS反相器，Vin=0时，NMOS截止，PMOS导通，Vout=VOH=VDD；Vin= VDD时， NMOS导通，PMOS截止，Vout=VOL=0。高低输出电平理想，与两管无关。

从对CMOS反相器工作原理的分析可以看出，在输入为0或VDD时，NMOS 和PMOS总是一个导通，一个截止，没有从VDD到VSS的直流通路，也没有电流流入栅极，因而其静态电流和功耗几乎为0。这也是CMOS电路最大的特点。

15. 为什么的PMOS尺寸通常比NMOS的尺寸大？

答：1）电子迁移率较大，是空穴迁移率的两倍，即μN=2μP。

2）根据逻辑阈值与晶体管尺寸的关系VM∝WP/WN，在VM较大的取值范围

中，WP〉WN。

16．举例说明什么是有比反相器和无比反相器。

答：有比反相器在输出低电平时，驱动管和负载管同时导通，其输出低电平由驱

动管导通电阻和负载管导通电阻的分压决定。为保持足够低的低电平，两个等效电阻应保持一定的比值。当驱动管为增强型N沟MOSFET，负载管为电阻或增强型MOSFET或耗尽型MOSFET时，即E/R反相器、E/E反相器、E/D反相器属于有比反相器。

而无比反相器在输出低电平时，只有驱动管导通，负载管是截止的，理想情况下，输出低电平为0。当驱动管为增强型N沟MOSFET，负载管为P沟MOSFET时，即CMOS反相器即属于无比反相器，具有理想的输入低电平0。 17. CMOS电路的动态功耗与哪些因素有关？写出充放电电流引起的瞬态(Transient)功耗的公式。

动态功耗Ps由三部分组成：A、电路逻辑操作所引起的状态改变所需功耗；B、P管与N管阈值电压重叠所产生的导通电流所需功耗（充放电电流引起的瞬态(Transient)功耗）；C、不同路径的时间延迟不同所产生的竞争冒险所需功耗。充放电电流引起的瞬态(Transient)功耗：

2PCVTLDDfP

可见，负载电容CL、工作频率fP、电源电压VDD  PT，与器件参量无关。当工作频率fP较高（>几MHz）时，P将十分显著。

T

18．以CMOS反相器为例，说明什么是静态功耗和动态功耗。

答：对于CMOS反相器，静态功耗是指当输入为0或VDD时，NMOS 和PMOS

总是一个导通、一个截止，没有从VDD到VSS的直流通路，也没有电流流入栅极，功耗几乎为0。

动态功耗包括短路电流功耗和瞬态功耗。短路电流功耗是指输入由0

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跳变到1或由1跳变到0的瞬变过程中，NMOS 和PMOS都导通，存在从VDD到VSS的电流通路。瞬态功耗是指电路开关动作时，对输出端负载电容进行充放电引起的功耗。

19．在图中标注出上升时间tr、下降时间tf、导通延迟时间、截止延迟时间，给

出延迟时

tpd的定义。若希望tr=tf，求WN/WP。

Vin t

Vout t

解：

Vin 50% 50% t

tPHL tPLH Vout 90% 50% 50% 90% 10% 10% t

tf tr

图中，导通延迟时间为tPHL，截止延迟时间为tPLH 延迟时间tpd=(tPHL+tPLH)/2

上升时间tr=2CL/KNVDD KN=μNCOX(W/L)N 下降时间tf =2CL/KPVDD KP=μPCOX(W/L)P 若希望tr=tf，则要求WP=2WN

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20. 什么是自举MOS反相器 (参见p.119，图7.2)？

答：电容自举MOS倒相器的电路结构,即在负载管栅极与输出端之间人为加入了一特制电容CB;在负载管栅极与漏极之间人为加入了一个MOS管MB。其优点是:电路导通时的瞬间下降时间保持不变,而电路截止时的瞬间上升时间被有效降低,这是由于加入自举电容CB后,在电路截止时负载管瞬间非饱和导通,使导通电阻大大下降;其缺点是:电路的静态输出高电平下降.为改善电容自举电路静态输出高电平下降的缺点,引入了改进型电容自举MOS倒相器的电路结构,在改进型电路(参见p.115，图7.4)中,增加了输出电平提拉管或输出电平提拉电阻,有效的提高了输出高电平。

21. CMOS集成电路使用的使用注意事项

答:TTL电路的使用注意事项， 一般对CMOS电路也适用。

因CMOS电路容易产生栅极击穿问题，所以要特别注意以下几点：  (1) 避免静电

存放CMOS电路不能用塑料袋，要用金属将管脚短接起来或用金属盒屏蔽。工作台应当用金属材料覆盖并应良好接地。焊接时，电烙铁壳应接地。  (2) 多余输入端的处理方法。

CMOS电路的输入阻抗高，易受外界干扰的影响，所以CMOS电路的多余输入端不允许悬空。多余输入端应根据逻辑要求或接电源VDD(与非门、 与门），或接地（或非门、或门），或与其他输入端连接。 

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