晶体管器件基础4——工艺角与PVT
“x'x'x'xxxxx”
——x'x'x'xxxxx
我们集成电路专业与计算机专业同学的一个却别就在于，我们需要考虑实际芯片生产中的物理约束和“缺陷”情况，比如不同芯片工厂生产工艺的差异，芯片工作的环境温度变化等等，这就是我们常说的PVT（工艺Process，电压Voltage，温度Temperature）。
工艺角
世界上没有两片完全相同的叶子，任何一个半导体工厂都不能保证生产的芯片中每一个晶体管都是一模一样的，而这些由工厂工艺差异导致的性能差异，我们就称为工艺角。不妨让我们先通过几道题测试一下你的半导体物理学的怎么样： 1. MOSFET的栅氧厚度减小，晶体管的速度更快还是更慢？ 2. MOSFET的沟道宽度增大呢？ 3. 供电电压VDD减小？ 4. 温度增加？
如果上面的几道题你都没有回答出来的话，那你可要赶紧复习一下半导体物理啦！
晶体管电流和晶体管速度之间有什么关系？
实际上，晶体管电流的大小一般和晶体管速度的快慢直接相关。具体我们会在接下来的2个讲义中详细讲解。这里我们做一个直观的理解：一般来说，一个晶体管最终的输出都可以等效为一个电容，因此当晶体管的电流增大，就相当于给输出负载电容充电的电流增加，所以RC电路的充电时间更短了，反之就是对应给电容的放电电流增加。所以一般晶体管速度就表示晶体管电流大小。
影响晶体管速度的工艺有很多，但是最终都会体现在晶体管的速度上。
比如实验1中的阈值电压，其中很多参数（费米势\(\phi_F\)，衬底偏置效应系数\(\gamma\)等）都与工艺相关。
实验2中的晶体管沟道长度L和宽度W，由于工艺偏差，晶体管的沟道长度和宽度与设计值有\(\pm 10\%\)的误差，进而影响晶体管速度。
实验3中的栅电容，如果栅氧厚度减小，栅电容会增加，进而会增加栅极对沟道电流的控制能力，在相同的栅极电压下，漏极电流更大，也就是说提高了晶体管的速度。
下图展示了5种工艺角，它们分别是（TT：Typical NMOS Typical PMOS 典型NMOS 典型PMOS，FS: Fast NMOS Slow PMOS 快NMOS 慢PMOS，FF, SS, SF）
工艺角
还记得我们引入的模型中最后有一个TT吗？现在大家知道这个代表什么意思了吧。在后面的实验中，我们均使用TT工艺角进行仿真。
PVT
PVT（工艺Process，电压Voltage，温度Temperature），工艺体现在工艺角上，电压体现在内部的电平切换或者外部干扰，导致供电电压VDD在一定范围内波动。一般来说，电压越高，电流越大，速度越快，但是功率也会随之升高。温度则会通过影响迁移率来影响速度。 在实际的生产中，我们一定要确保在不同的PVT下，我们设计的芯片都可以正常工作才可以，尤其当温度大范围变化时，芯片的情况会发生非常大的变化！（你总不希望你在哈尔滨冰雪大世界的时候，你的手机因为温度过低而关机！）
5.3.环形振荡器
通常，学术界和业界会通过一个环形振荡器的结构来测试一个新工艺，环形振荡器其实就是奇数个反相器首位相连的结构（反相器在下一个实验中介绍，其实就是数字电路中的非门）。显然，这是一个正反馈结构（假设输入为0，输出必为1，由于收尾节点相连，整个电路处于不稳定的状态），所以一定会发生震荡，我们可以通过最终输出的震荡频率来测试某一种工艺。
下面我们使用5个反相器构成环形振荡器，并分别测试在TT工艺角下不同温度的振荡频率。
环形振荡器原理图
结果如下：
环形振荡器结果
| 工艺角 | TT | FF | SS |
|---|---|---|---|
| 频率 | 3.53GHz | 3.89GHz | 3.17GHz |
| 温度 | -20 | 27 | 50 | 100 |
|---|---|---|---|---|
| 频率 | 3.75GHz | 3.49GHz | 3.42GHz | 3.21GHz |
最终的结果表明：当工艺角为FF时，频率最高，SS最低，温度越高频率越低，这也就是我们总是希望给手机和电脑的CPU降温的原因之一。
5.4.动手实验内容
- 请思考如何仿真SS，FF等工艺角
- 请RTFSC，并了解模型是如何改变TT,SS,FF等工艺角的结果的