集积回路ppt课件

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1、集積回路松澤昭2004年 9月MOSCMOS論理回路集積回路1.VLSI？2VLSI設計製造3.CMOS論理回路4回路5.CMOS回路6.回路設計7.論理設計8.混載集積回路9.則低消費電力化設計10LSIVLSI今後MOSFET MOS:Metal Oxide Semiconductor FET:Field Effect Transistor 電界効果 CMOS:Complementary MOS 相補的MOS n-MOSp-MOS 組合MOSp型基盤構造nnSiO2Poly SiliconLW基板VGSVDSIDIDVGS0VT値弱反転領域強反転領域MOSFET電気的特性VDSNMOS正電

2、圧電流流、値電圧低電圧電流殆流。、値電圧以下電圧僅電流流、最近深化問題。PMOS値電圧以上負電圧電流流。状態状態半導体中流電流面積 AJn:伝導電流密度Qdv(1)電流vQId電流電流=動電荷量動電荷量 x 速度速度dxdnqDEqnJnn 電荷密度電界生速度濃度勾配生電荷流電流多数流拡散電流少数流(2)電流拡散電流nAJI MOS 強反転領域電流動作電流MOS 弱反転領域電流半導体中流電流電界電流濃度勾配拡散電流種類。半導体中流電流電界電流濃度勾配拡散電流種類。外表電位P-SiVgSiO2xQB-qNAQGToxxd図MOS構造正電圧、P型外表負外表引寄。集、電気的中性領域空乏層発生、外表電

3、界発生。AqN 空乏層電荷密度osAqNdxxd 22)(方程式)0,0:(dxdxxd境界条件,xd空乏層幅dABxqNQ単位外表積当電荷sVgVg高高外表電位外表電位s高高soxBsoxgCQVVVg外表電位s関係電極電荷分布電荷分布電流寄与電荷寄与電位分布電位分布容量构成外表電位Vox:酸化膜電位NA:濃度電界外表電位発生、電圧制御。電界外表電位発生、電圧制御。AssddsAsddsAqNxxqNxxxqNx0202202,2,12)(発生P-SiVgSiO2EcEiEFEvx-qNAQGToxxd)(xq sq 可動電荷電子反転層构成N型領域外表電位上、外表電位上、反転層創出反転層創出

4、 VT関与関与Fq kTqpokTqissFenenn/)(電子密度kTEgvcieNNn2/真性密度popopn,P型半導体熱平衡状態電子密度密度外表電位2F越急激増加動電荷VnNqkTiAF4.0ln 外表電位外表電位F F 倍倍電圧電圧,2 F,2 F 強強反転反転起起、動、動電荷電子電荷電子発生発生電流電流流流。、発生発生動動電荷電荷以上増加以上増加。kTqpokTqissFepenp/)(密度qEEEEqfiFfiF値電圧OXBFthCQV02 VTH外表電位2F電圧)2(20max0FAsdABqNxqNQ QBO空乏層幅最大単位外表積当電荷OXFAsFTHCqNV)2(220 与

5、。OXFAsFFBTHCqNVV)2(220 、実際资料基板仕事関数差酸化膜中電荷影響、電圧VFB加値。温度特性：通常-2.4mV/deg程度温度特性持値電圧不純物濃度平方根比例、単位酸化膜容量反比例留意値電圧上：不純物濃度上値電圧上：不純物濃度上値電圧下：不純物濃度下値電圧下：不純物濃度下電圧電流特性N+N+LCoxVgsVdsi()v(x)IdIsx距離x点流電流、x点可動電荷速度積比例。速度電界。)VV(WCQTHOXOX)x(VVVgsOX誘起X点酸化膜電圧dx)x(dV)x(Q)x(E)x(Q)x(v)x(Q)x(inxnx電荷速度dx)x(dVV)x(VVWC)x(iTHgsoxn

6、dVV)x(VVWCdx)x(idsVTHgsoxnL00 x=0、V(x)=0,x=LV(x)=Vds用Vox領域電圧電流特性V(0)=0,V(L)=VdsdVV)x(VVWCdx)x(idsVTHgsoxnL00流電流等、電流連続用2200dsdsTHgsoxnVVTHgsoxndsVVVVWCVdVdVVVWCLIdsdsdsdsTHgsOXndsVVVVLWCI2THgsdsVVV領域電圧電流式領域電圧電流式LVVVVWCIdsndsTHgsOXds2平均電荷平均電荷速度速度解釈vQI飽和領域電圧電流特性N+N+LCoxVgsVdsIdIsxpoV(xpo)=Vgs-VTN点誘起電荷側

7、誘起電荷消滅電圧平均誘起電荷平均誘起電荷速度速度電圧関一定電圧Vgs-VTN印加。)V)x(VV(WCQTHgsOXTHgspoVV)x(Vx方向電圧Vgs-VTH制限THgsdsVVV22THgsOXndsVVLWCILVVVVWCITHgsnTHgsOXds2領域電圧電流式代入飽和領域電圧電流式飽和領域電圧電流式VDSID領域領域飽和領域飽和領域TGSDSVVV221DSDSTGSoxDVV)VV(CLWI2222)VV()VV(CLWITGSTGSoxD(強反転領域特性)MOSFET特性電圧 VD電流 ID(VG-VT)2比例増加電圧 VD電流 ID電圧対等間隔傾斜傾斜)VV(WCvIM

8、OSFET)VV(CLWIMOSFETTgsoxSdsTgsoxods 21 2短長実際中間取、以下表現用場合。微細電圧電流特性TgsoxdsVVCLWI021:12,通常1.3程度桜井乗則T.Sakurai,et al.,IEEE,JSC,Vol.25,no.2,pp.584-594,1990.微細電圧比例電流。主定数 Vgs:間電位差 Vds:間電位差 Id:間電流 Vt:電圧 k:Transconductonce W:幅 L:長長VgsVdsId動作 線形領域Vds Vgs-Vt Id=0.5(k W/L)(Vgs-Vt)2VdsIdVgs=1.5VVgs=2.5VVgs=5V線形領域飽

9、和領域値電圧漏電流nMOSpMOSnMOSCMOS入力出力入力出力nnp抵抗VddVddon常時電流流。1970年代主流一方必off.出力変化瞬間電流流。1980年代以降主流CMOS論理CMOS論理入力x出力znp入力x出力z状態0(V)Vdd(V)p:onn:offVdd(V)0(V)p:offn:onVdd入力出力論理回路記号動作VsignalCLVddQ=CLVddCMOS論理回路論理回路INOUTINOUTCMOS実現VddCLGNDVddIdspIdsnVddGNDVinVoutCMOS論理回路他論理回路ECL異、根本的定常電流流。根本的低消費電力回路。高速動作定常電流増必要実質的高

10、速化能够。動作VinGND時PMOSON,NMOS。電流Idsp流負荷容量CL充電、出力電圧上昇。出力電圧Vdd達PMOSVds=0電流遮断。VinVddNMOSON,PMOS。電流Idsn流負荷容量CL放電、出力電圧下降。出力電圧GND達NMOSVds=0電流遮断。VddNAND入力x入力y出力z=(x y)xyz状態001px,py:onnx,ny:off011px,ny:onnx,py:off101nx,py:onpx,ny:off110nx,ny:onpx,py:offpxpynynxxyzCMOS論理側側出力入力入力側and:並列or:直列側and:直列or:並列互双対回路出力否认C

11、MOS論理回路CMOS論理構成演習 入力NOR 入力NAND(A+B)(C+D)(A+B)C)+(D E+F)演習回答入力NOR 入力NANDVddABZVddABCZ演習回答(A+B)(C+D)VddABCDZ演習回答(A+B)C)+(DE+F)VddABCZDEFABCDEFCMOS入出力VinVoutVddVddVILVIHVOHVOL0論理値論理値VOH-VIHVIL-VOL傾-1遅延VinCLVddRL遅延近似計算例CLRLRn Vout(t)=Vdd exp(-t/(Rn(t)+RL)CL)Vout(t1)=0.9 Vdd ,Vout(t2)=0.9 Vdd 立下遅延時間tf=t2

12、-t1Vout遅延 遅延時間近似式 Delay=CL L/Vdd W L:長 W:幅p型基板nnSiO2Poly SiliconLW遅延時間短縮 工夫L小、W大 負荷容量CL小。配線短 負荷抵抗RL小。電源電圧Vdd大。記憶根本的構成 受動素子利用 情報電荷貯。、DRAM 能動素子利用 利用、SRAM記憶素子Dynamic Latch動作10on0/10/11/001off0/11/0入力取込記憶記憶素子Static Latch1122動作112210on x x x x01off入力取込動作11221100offon x x x x x記憶構成1122Clock動t1=21=2入力取込入力取

13、込記憶記憶留意：入力取込時入力出力Q筒抜！Master-Slave Flip FlopD Q D Q clockdataoutput入力取込記憶記憶入力取込L1L2L1L2交互記憶状態、data入力output必切断。動tL1L2入力取込入力取込記憶記憶記憶記憶入力取込入力取込Set-up TimeHold TimeF/FQCLKQF/F配線遅延遅延順序回路構成組合論理回路Q DQ D.clock入力出力回路詳細解析 動作速度消費電力 則 配線遅延時間動作速度oLTLpdIVCIoCLtIoVoVoVLTTpd遅延時間短縮容量下論理値電圧下出力電流増加真性微細化CMOS場合ddTsatpdsa

14、tTddoxsatchddchoTddoxchoxLVVvLTv)VV(WCvQLVQI)VV(WCQLWCCgC112VT/Vdd比一定取長比一定取長L比例遅延時間短縮比例遅延時間短縮動作速度論理電圧駆動電流、容量関係決。消費電力VddCLCMOS回路消費電力ddleakddLdVIVfCP2従来大今後影響大容量電力消費電力下動作周波数下容量下電源電圧下CMOS回路優定常電流流駆動電流上速度上消費電力増加LSI技術黄金則：則技術黄金則：則tox L W ScalingDevice/Circuit parameterScaling FactorDevice dimensions L,W,Tox

15、1/SDoping concentrationSS1.5Voltage1/SField1Current1/SGate Delay1/SPower dissipation/device1/S3 1/S22S則則LSI黄金則黄金則微細化低電圧化、微細化低電圧化、高密度化高密度化(低低高速化高速化低消費電力低消費電力同時達成動作電圧1/SR.H.Dennard,et al.,IEEE,JSC,SC-9,p.256,1974.不純物濃度上空乏層厚下。則検証遅延時間dsdsLpdIVC STTSVVSvSVSVSVSWvVVTWISSWSLTLWCCpdpdddddsatddTddSToxsatTddo

16、xdsSToxoxgsL1)1()(1STTpdpd規格化消費電力=消費（消費）22ddLdddLdVCEVfCP3221SSVSCVCEddLddLd乗反比例。実際配線容量下S2程度。配線容量配線容量HWireOther Metal or bulkwhdJ.M.Rabaey,“Digital Integrated Circuits,pp.445容量値寸法比与、絶対的大依存。容量値寸法比与、絶対的大依存。配線縮線間容量増加配線緩対地容量増加最適単横方向微細化容量減容量寸法比与、微細化縮小困難。容量寸法比与、微細化縮小困難。低誘電率化低容量化最効果。低誘電率化低容量化最効果。34.122.022

17、.003.007.083.015.180.2HdHwHhHhHwHhoxCtotHWireOther Metal or bulkwhdHWireOther Metal or bulkwhd配線抵抗ALRAL)(107.1:)(107.2:88mCumAl配線抵抗寸法決微細化増大配線抵抗寸法決微細化増大配線長S倍S=1.4：世代同一配線長S2倍配線遅延時間配線遅延時間VsRuLuCuRL Lu is negligible when RoCinLength:XXCrXCRCrXRCTuoinuinouupd2.22inopdCrRCT2.2Wire delayGate delayXCCXRRuu配

18、線遅延時間配線抵抗容量積比例T.Sakurai,IEEE,JSC,SC-18,No.4,p.418,1983.桜井単位回路分布定数回路配線配線HwhdCRLS:Device scaling factorSc:Chip size scaling factorTdrc will increase at 2x or 3x for one generation配線：配線：RC遅延対一定遅延対一定配線：配線：RC遅延対増加遅延対増加更増加拍車更増加拍車配線容量低下、配線長短縮効果、単位長当容量一定(SSc)21Td(=RC)Sc1/SCS2ScSR1/S1/SH,h1/S1/SW,dSc1/SLGlob

19、alLocalParameters(SSc)21Td(=RC)Sc1/SCS2ScSR1/S1/SH,h1/S1/SW,dSc1/SLGlobalLocalParameters配線極困難。配線極困難。遅延配線遅延遅延配線遅延50501001000.20.20.40.40.60.60.80.81 1500500Delay time(ps)Design Rule(um)T.Mogami“LP&HS LSI Circuit&Technologypp.547-560,Realize Inc.1998.Gate delayInterconnection delay遅延減少配線遅延増加。遅延減少配線遅延増

20、加。CMOS高性能化ddTsatpdVVvLT112inopdCrRCT2.2TRTRTRTR微細化微細化低電圧化低電圧化ddleakddLdVIVfCP2微細化高速微細化高速微細化配線幅配線長減一定微細化配線幅配線長減一定電源電圧下低電力電源電圧下低電力更配線容量下低電力更配線容量下低電力更高密度化低化図更高密度化低化図性能微細化低電圧化良方向！参考文献1)Neil H.E.Weste and Kamran Eshraghian:Principles of CMOS VLSI Design-A systems Perspective-,Second Edition,Addison Wesle

21、y,1993.情報系学生知集積回路関知識非常述名著日本語訳：CMOS VLSI 設計原理視点，富沢，松山監訳，丸善，1988.，第版訳2)菅野卓雄監修:CMOS超LSI設計，培風館，19893)Saburo Muroga:VLSI System Design-When and How to Design Very-Large Scale Integrated Circuits-,John Wiley&Sons,1982.4)CMOS 集積回路入門実用，榎本忠儀，培風館，1996実習行実用的教科書5)Wayne Wolf:Mordern VLSI Design-A System Approach

22、-,PTR Prentice Hall,1994.設計者立場VLSI設計論6)集積回路設計入門，国枝博昭，社，1996教科書7)Carver Mead and Lynn Conway:Introduction to VLSI Design,Addison-Wesley,1980.設計立場VLSI設計議論時代変有名指導書8)CMOS Digital Integrated Circuits-Analysis and Design-,Sung-Mo Kang and Yusuf Leblebici,McGraw Hill,1996.9)ULSI効果的設計法，中村行宏 小野定康，社，1994.Parthenon利用大規模集積回路設計進過程解説10)Jeffrey D.Ullman:Computational Aspects of VLSI,Computer Science Press,1984.VLSI計算計算複雑理論解説日本語訳：VLSI計算諸側面，都倉訳，近代科学社，199011)西村吉雄：半導体産業時代，丸善176，1995年.半導体産業経済的位置付明快解説好著