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J.Hsu微电子学研究所
微电子与纳电子学系
半导体器件
物理进展
第四章CMOS的等比例缩小、优化
设计及性能因子
CMOSScaling,DesignOptimization,
andPerformanceFactors
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微电子与纳电子学系
Part2MOS器件的等比例缩小与
优化设计
内容提要：
MOSFET的等比例缩小
MOS器件阈值电压的设计考虑
MOS器件的优化设计
量子化效应对MOS器件V的影响
t
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微电子与纳电子学系
1.MOSFET的等比例缩小
MOS晶体管由于其具有性能优越、结构简单等
优点，因此在其诞生之后立即成为大规模和超大规模
集成电路的主流器件，特别是在提出了等比例缩小原
则之后。
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如上页图所示，等比例缩小（Scaling-down）原
则最早是在1974年由Dennard等人提出，其基本思想
就是将MOS器件的横向尺寸、纵向尺寸以及器件的
工作电压按照同一个比例因子k进行缩小，同时等比
例提高衬底的掺杂浓度（从而减小耗尽层宽度），这
样可以确保在不断缩小器件尺寸、提高集成电路性能
和元件密度的同时，既能够保持器件内部的最大电场
基本不变，又能够保持集成电路的功耗密度基本不
变，从而保证MOS器件工作的可靠性和集成电路长
期工作的热稳定性。
上述这种等比例缩小准则有时也称为恒定电场
（Constant-Electricfield）的等比例缩小准则，简称
CE准则。下页表中给出了按照CE准则等比例缩小后
MOS器件参数与集成电路性能的变化情况。
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微电子与纳电子学系
按CE准则等比例缩小后MOS器件与电路的性能参数：
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从上页表中可见，器件参数中，耗尽层宽度、栅
极电容以及输出电流都出现了等比例的减小；电路性
能中，功耗延迟积按三次方减小，功耗按平方关系减
小，集成密度按平方关系增大，门延迟等比例下降，
最重要的是功耗密度保持不变。
关于耗尽层宽度的变化：
对于MOS器件漏端，耗尽层宽度为：
2εψ(+V)
WSibidd
D
qNa
按照CE准则进行等比例缩小，则有：
N→kN,V→Vk
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