MOS集成电路的功能知识详解

MOS集成电路的功能

(1)放大

MOS晶体管作为有源元件，本来就是用作放大元件的。在图3.15所示的互补型电路中，P沟道和N沟道晶体管互为有源元件和负截元件而工作，适用于重负载驱动和小功率电路。但与单沟道MOS集成电路相比，工艺流程复杂。

(2)负载

考虑其控制参数和芯片面积等单项功能，用MOS晶体管做负载要比扩散电阻负载有利。MOS晶体管负载利用了漏-源间的伏安特性,依栅接地的形式大体分为两种。还加了一种兼具两者的优点的、可实现新功能的电抗型的负载形式。

表中所列的漏接地电路是目前最常用的形式，此时漏与栅均为交流接地。很多场合，为使电路简单起见，漏和栅接在一起，也就是采用直流连接形式。这种连接多用于增强型负载，由传输特性可以看到，输出电压的最大值一定在电源电压扣除V(th)后的差值以下。也就是说电压利用率很差。

为克服这一缺点，在特殊情形下，Vg用另一电源。另一方面，在源接地型一栏内所示的两种电路，其负载都具有源接地的特性。在E-D结构的电路中，放大晶体管为增强型，负载晶体管为耗尽型。因呈现的是加上V(th)大小的有效栅偏压的饱和区特性,故负载接近于恒流负载。从而最大输出电压几乎接近电源电压，对负载充电的电流也接近于恒流，故具有小功率、高速度的性质。

互补型电路，与E-D结构有同样的效果,但由于负载可以互换，对降低功耗更为有利。也就是说，不管输入信号为1或0，总有一个晶体管处于截止状态，几乎没有电流流过两个晶体管，只是在1?0转换时，才流过对负载充电的电流。

电抗型电路由漏接地电路和源接地电路组合而成。左侧的电路对直流为漏接地，对交流为源接地。直流传输特性就表示了这种情形。若两个晶体管的尺寸大致相同，传输特性可以接近于45°，因而直流稳定度可以得到改善，又因为源系交流接地，可以获得增益。另外还可用于选频。左侧的图形为同样的,电路用互补型构成的例子。

(3)传输门和模拟开关

由于对MOS晶体管而言可以对称地构成漏和源，漏和源是双向开关的信号端，栅可用作控制端。但在双极型晶体管中，因有作为控制信号的基极电流流入信号通路，故难以实现双向功能。但对MOS晶体管而言，双向开关可用作下面将要叙述的移位寄存器的传输门，存储器的写入和读出门等。又由于漏-源之间没有偏移电压，也可用作模拟开关以及斩波器。

(4)暂存

MOS晶体管的栅输入电阻极高，由输入电容和输入电阻决定的时间常数通常为几个毫秒。因此，在输入端加电压信号后再切断信号源时，在毫秒量级的时间内还有漏电流流过。可以像在移位寄存器中所用的那样，用于暂存信息。

(5)非易失性存储

所谓非易失性存储是切断电源后还可保存存储内容的功能。由于半导体单晶没有撤除外加电压后的滞后现象，就必须利用不是电路性的而是物理性的存储现象。我们认为，如用简单的制造工艺能作成稳定的、好用的非易失性存储器,则半导体存储器的应用领域就会进一步扩大。这方面的研究工作正在进行之中。

这类存储器之一种是利用被硅上绝缘膜内陷阱所俘获的电荷来控制硅表面势。最先做出的非易失性存储器是MNOS器件，如图3.16所示。图3. 17是对该种器件的工作原理的说明。

MNOS是Metal-Silieon Nitride(Si3N4)-Silicon Oxide (SiO2 )- Semiconductor(金属-氮化硅( Si3N4)一氧化硅(SiO2)-半导体)的缩写。如图3.17所示，利用流过Si3N4和SiO2的电流之差，可以改变对Si3N4和SiO2界面处陷阱充电的电荷。

当SiO2厚度约为100~50A时，如图3.17所示，流过SiO2的电流因隧道效应通过SiO2势垒的薄弱部分。当SiO2厚度在50A以下时，直接的隧道电流增大。作为这类非易失性存储器，以后发表了用AL2O3,做绝缘体的MAS晶体管,和用Al2O3 ~SiO2做绝缘体的MAOS晶体管。

还有一种非易失性存储器，不是利用电荷穿越绝缘体的隧道现象，而是利用PN结雪崩击穿产生的高能电荷越过绝缘体势垒的现象。图3.18是利用浮置栅的非易失性存储器，漏结雪崩击穿产生的电子越过SiO2注入到用多晶硅制造的浮置栅内，电子一经注入，就被高度绝缘的SiO2包围起来，所以能够长期保存。关于这种利用雪崩击穿的方式，还有利用注入电子来写入，以同样的方法利用注入空穴消去的电可改写存储器。

这种存储器的读出,在大多数场合都利用图3.16、图3.18所示的MOS晶体管结构，通过测量由表面势变化所产生的源-漏间的电流来进行的。

（1）大规模MOS集成化的优点

与双极型晶体管相比，MOS晶体管的制造工艺简单，而且仅用同一种元件就可实现复杂的功能，所以MOS大规模集成电路成品率高，有利于大规模集成化。由于MOS集成电路的阻抗高,可以藉助与源、漏扩散区同时制作的穿接区，实现立体交叉布线而不影响电路的直流特性。因此，在需要作复杂布线时，也毋须使用会影响成品率的高难度技术。

由于阻抗高，为了在分开的集成电路中防止因外部杂散电容而降低工作速度，可以加接缓冲器，但在大规模集成电路中除了与输出端相连的单元电路外，毋需接缓冲器，又因为杂散电容小，可以降低单元电路所需的功耗并且能提高速度。

（2）大规模MOS集成化的功能

进行大规模集成化时应考虑的技术要点是成品率高、光刻掩模设计容易、外引线的数目少等。从掩模设计和检验简易以及外引线数目少等方面来看，存储器和移位寄存器是通过重复简单单元电路所构成的功能来实现的，因而这方面首先被大规模集成化。以后又实现了加法器等使用频度大的器件，现在则可根据用户订货将任意的一般电路大规模集成化，集成度可达几千个元件的规模。

（3）大规模MOS集成化的方法

存储器、移位寄存器等电路沿着尽量减少单元电路面积的方向，经过努力实现了大规模集成化。关于一般电路的大规模集成化有如下的方法:在单元电路(门)的周围设置供穿接用的扩散区。

然后根据不同电路的要求对单元电路进行任意布线的方法;采用纵向扩散区阵列作为源、漏和穿接区，横向金属薄膜阵列作为栅电极和连线，根据逻辑图简单地构成大规模集成电路图形的方法;将几种单元电路以变化不大的所有可能图案的形式存入计算机的程序库，然后通过计算机将逻辑图变为布线图，再由布线图描绘出大规模集成电路图形的自动描图法。

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