CMOS VLSI DESIGN 강의정리

[정다훈]

IC(integrated circuits) -> 전자회로 기판

기판 + 부품  1) 수동소자 : R,L,C

                     2) 능동소자 : TR (트렌지스터)          

기판과 부품을 연결해주는 Wire(도선)

one chip이란? 위의 기판 + 부품, 연결해주는 wire들을 one chip에 집어 넣은 것이다.

one chip의 장점

- Fast, cheap, low power transistors, 대량생산 가능

VLSI (Very Large Scale Integration) 

CMOS  1) Nmos

             2) Pmos

1) CMOS transistor의 대한 이해 (동작 및 제작과정)

2) transistor를 이용해서 논리게이트를 어떻게 만드는지

3) transistor layout과정 이해

Layout 과정 

schematic -> simulation -> Layout -> DRC -> LVS

P형,N형 반도체

PN Junction 원리

conduction band

- 전자가 자유롭게 이동하여 전기 전도에 기여할 수 있는 높은 에너지 상태

valence band

- 전자가 원자 간의 결합을 유지하는 낮은 에너지 상태

n형쪽이 페르미 레벨이 높은 이유? 불순물이 추가된 n형 반도체는 많은 자유전자를 갖게 된다. 이는 전자의 에너지 준위를 높이고, 따라서 페르미 레벨이 상대적으로 더 높은 위치로 이동하게 된다. 

정리 : pn접합을 하기위해선 페르미 레벨(금속 내의 전자들이 가지는 최대 에너지 준위)를 맞춰줘야 하는데, 전자 및 정공이 넘어가기 위해서는 서로 다른 에너지 차이만큼의 에너지(공핍층)가 필요하게 된다.

능동소자 

극성에 따라서 소자의 특성이 바뀜

PN 다이오드 

Diod : Anode, Cathode

Anode --> 전류가 다이오드로 들어가는 쪽의 단자

Cathode --> 전류가 다이오드를 빠져나가는 쪽의 단자

순방향 전압을 걸어줬을때 전압 변화에 따른 전류량

p형에 있는 정공이 n형으로 넘어가려면(전류가 흐르려면) Vt 라는 문턱전압을 넘어야만 전류가 흐른다.(sw같은 형식의 역할을 함)

전압을 역방향으로 걸어줬을때 전류 변화

전류를 역방향으로 걸어주게 되면 공핍층이 넓어지게 되고 전자, 정공이 끝으로 몰리게 된다. --> 전류가 흐르지 않게됨

중요한그림

정공은 전류와 같은방향, 전자는 전류와 반대방향으로 흐르게 된다.

반도체란 무엇인가? 

- 어떠한 조건을 주면 도체도 되었다가 부도체도 되는 것

정리 : 전압을 순방향과 역방향으로 걸어줬을때 전류의 변화를 살펴보게되면 순방향은 문턱전압이상을 줬을때 전류가 한방향으로 흐르게 되고 역방향으로 전압을 걸어줬을때는 전류가 흐르지 않게되므로, 다이오드의 역할은 전류를 한방향으로 흘러보내는 역할을 한다고 이해할 수 있다.

MOSFET

Metal

Oxide

Semiconductor

Field

Effect

Transistor

mos 구조

수직구조로 보았을 때 커페시터의 성질과 닮아있다

nmos

여기서 N+는 n형으로 불순물을 많이 도핑했을 때를 말한다.

주목해야할점은 length의 길이이다. 보통 나노 단위로 만들어지는데 length가 짧을수록 웨이퍼에서 만들어지는 트렌지스터의 갯수가 증가하게 되고 굉장히 경제적이게 된다. 이것이 기술력이다.

Nmos의 자세한 동작설명

gate에서 +극성이 늘어나면 body부분의 소수캐리어(-)가 올라와서 채널을 형성 --> 'On'되었다는것을 의미

gate에 문턱전압을 줌으로써 트렌지스터를 off 시키거나 On 시킬수 있다

능동소자는 특성을 어떻게 걸어주냐에 따라서 동작할수도있고 안할수도 있다

수직전개 --> Gate, Body의 특성 비교, 수직전개를 통해서 트렌지스터를 On 또는 Off 시킬 수 있다.

수평전개 --> Source, Drain의 특성 비교

(+단자를 가져다 대면 Drain) 전하들을 움직이게 함

pmos