switch level to transistor level

晶体管形状和电容

CMOS 结构

这个是开关级结构，PMOS连接VDD，NMOS连接GND。

IN连接PMOS和NMOS的Gate级。



这个是晶体管级结构：

NMOS 形状

L是gate极的长度

W是晶体管的宽度

X是漏极/源极的长度

tox是氧化层的高度



增加W会增加晶体管的电流，因此使得晶体管更快。但功率耗散和寄生电容也会增加。

源极/漏极面积为：

Ad = W · X

源极/漏极功耗为：

Pd = 2 · (W + X)

晶体管电容

包含三个电容：Cgb，Cgs，Cgd



ε0 is the dielectric constant of the void

εr is the relative dielectric of a specific material

tox is the thickness of the gate oxide

L is the length of gate

W is the width of transistor

MOS 晶体管的行为

从0电压一点点增加电压

逻辑门开关

分析一下逻辑门的动态行为。

微电子技术

微电子设备制造的制造是一个由多步骤组成的一个复杂的过程，包括：

1. Substrate production 基质生产
2. Front-end 前端
3. Back-end 后端

晶片（Wafer）生产

为了获得工作电路，从原材料获得的硅片要满足以下四个要求：

1. 硅要有很高的纯度（purity）
2. 硅晶体结构（crystal structure）必须完美的
3. 晶片必须非常均匀（uniform）且光滑（smooth）
4. 晶片表面不能有杂质（impurities）

硅晶圆的制造过程可以概括为三个步骤：

• 金属硅生产
• 精炼金属硅，以获得多晶硅（电子硅）
• 单晶硅片生产
  
  

从原始材料到金属硅

原材料为石英石，是一种相对纯净的二氧化硅。它和碳反应生成硅和一氧化碳，具体工作原理如下：

SiO2 + 2C → Si+ 2CO

产生的单晶硅的纯度为98%，但还是远远不能满足电子电路的要求，一部分冶金硅被进一步提炼以获得电子级多晶硅。

从电子硅到电子级多晶硅

从电子硅到晶圆

晶片制备加工

前端

制造一个芯片需要很多过程：

1. 氧化处理
2. 掩膜
3. 攻击
4. 钝化处理
5. 电气测试
   
   

晶圆加工

分为以下几个步骤：

1. 氧化处理
2. 抵制沉积
3. 平板印刷
4. 蚀刻
5. 外延式增长
   
   

CMOS 设备实现