CMOS耗盡模式技術(shù)具有許多優(yōu)勢，第一部分

傳統(tǒng)上，耗盡型 MOSFET 被歸類為線性器件，因為源極和漏極之間的傳導(dǎo)通道無法被夾斷，因此不適合數(shù)字開關(guān)。這種誤解的種子是由 Dawon Kahng 博士播下的，他在 1959 年發(fā)明了第一個耗盡型 MOSFET——只有三個端子當柵極控制電壓在電源和地之間變化時，柵極的三端耗盡型 MOSFET 的溝道。Dr. Kahng 的耗盡型 MOSFET 只能用作可變電阻或同相線性緩沖器。從那時起，耗盡型 MOSFET 一直被用作三端線性器件。

當 Frank Wanlass 于 1963 年通過使用一對互補的四端增強型 MOSFET 發(fā)明 CMOS 技術(shù)時，Kahng 博士已經(jīng)繼續(xù)前進并結(jié)束了他對耗盡型 MOSFET 的研究工作。十年后開發(fā) SPICE 時，它的成功只是再次證實了耗盡型 MOSFET 是三端線性器件的誤解，與增強型 MOSFET 不相上下。

2007 年，作者終于發(fā)現(xiàn)了針對耗盡型 MOSFET 的偏壓，并通過引入四端耗盡型 MOSFET 進行了糾正。通過額外的襯底端子在襯底中創(chuàng)建反向偏置的 PN 結(jié)來劃分傳導(dǎo)通道，使傳導(dǎo)通道的夾斷成為可能，允許耗盡型 MOSFET 用作數(shù)字開關(guān)，最終 CMOS 正邏輯技術(shù)得以實現(xiàn)。出生。

從耗盡型 MOSFET 中發(fā)現(xiàn)正邏輯操作在三個方面具有重要意義。首先，即使在沒有 ESD 保護的情況下處理 CMOS 產(chǎn)品，它們也可以從本質(zhì)上安全地免受 ESD 事件造成的損壞。其次，同相緩沖器和1T存儲單元可以為SRAM和DRAM節(jié)省一半的成本。最后，由于在耗盡型 MOSFET 導(dǎo)通電流時，柵極控制電壓始終與導(dǎo)通溝道具有相同的電位，因此在 2004 年至 2009 年期間阻礙摩爾定律的增強型 MOSFET 的柵極漏電流突然消失，無論其間的絕緣體有多薄。柵極和傳導(dǎo)通道已成為。摩爾定律又回來了!

對于增強型 MOSFET，當它導(dǎo)通電流時，柵極的電位總是與導(dǎo)電溝道的電位相反;因此，柵極下方的絕緣體必須承受很大的電位差。隨著縮放的進行，通過越來越薄的絕緣體的漏電流只會變得更糟，成為它的致命弱點。

耗盡型 MOSFET 的實現(xiàn)與增強型 MOSFET 非常相似，只是需要在柵極下方的絕緣體下方注入淺導(dǎo)電溝道，以便可以輕松夾斷導(dǎo)電溝道。然而，淺導(dǎo)電溝道限制了要注入的載流子的數(shù)量，并延遲了耗盡型 MOSFET 的切換。為了克服這個困難，耗盡型 MOSFET 的傳導(dǎo)通道通常構(gòu)建在一個又高又薄的 3D 結(jié)構(gòu)中，這樣它就可以盡可能地被柵極包圍，同時提供盡可能多的載流子。

此外，為耗盡型 MOSFET 建立 SPICE 模型的源極引腳分配規(guī)則也應(yīng)根據(jù)夾斷的發(fā)生而改變。傳統(tǒng)上，耗盡型 MOSFET 的源極管腳分配遵循與增強型 MOSFET 相同的規(guī)則，根據(jù)載流子的感應(yīng);因此，SPICE 只能將耗盡型 MOSFET 模擬為在增強模式下工作的線性器件。由于當耗盡型 MOSFET 在耗盡模式下工作時產(chǎn)生狀態(tài)切換而不是感應(yīng)載流子的是夾斷，因此 SPICE 必須相應(yīng)地分配源極引腳以將耗盡型 MOSFET 模擬為數(shù)字開關(guān)。

理論

傳輸特性可以更好地理解 MOSFET 的狀態(tài)切換。包含所有四個 MOSFET 的傳輸特性：N 型增強型、N 型耗盡型、P 型增強型和 P 型耗盡型。MOSFET 的四種傳輸特性 自 1960 年以來就已為人所知。例如，以 N 型增強型 MOSFET 為例：當柵極控制電壓 V GS為 0 V 時，不存在導(dǎo)通溝道且 I DS = 0。 A當柵極控制電壓V GS 為+V時，將感應(yīng)出由電子組成的傳導(dǎo)通道以允許電流流過漏極和源極端子。在N型MOSFET的增強模式下，V GS 必須為正以感應(yīng)帶負電的電子以切換狀態(tài)，因此源極端子必須連接到系統(tǒng)的最低電壓以用于接地或基板。

但是對于P型增強型MOSFET，當柵極控制電壓V GS 為-V時，會感應(yīng)出一個由帶正電的空穴組成的導(dǎo)電通道，讓電流流過漏極和源極。換言之，在P型MOSFET的增強模式下，V GS 必須為負值才能切換狀態(tài)，因此源極端子必須連接到系統(tǒng)的最高電壓來供電。

載流子的感應(yīng)是 SPICE 在執(zhí)行仿真程序之前將源極引腳分配給所有 MOSFET 所遵循的規(guī)則。