Расчет временных параметров кмоп-вентиля

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту:

"Расчет быстродействия КМОП-вентилей,

изготовленных в КНИ-структурах"

Выполнил: Принял:

Минск, 2013

ВВЕДЕНИЕ.

В 1963 г. американские специалисты разработали технологию формирования n- и p-каналъных МОП-транзисторов на одном кристалле. Эта технология получила название комплементарной (совмещенной), а микросхемы, изготавливаемые по этой технологии, называются КМОП ИМС. К настоящему времени технология КМОП ИМС вобрала в себя все преимущества и достижения различных технологий и стала основной технологией формирования БИС и СБИС.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

Электрическая схема КМОП-вентиля приведена на рис. 1. Вентиль состоит из двух последовательно соединенных МОП-транзисторов с каналами n- и p- типов. Истоки транзисторов подключаются к соответствующим полюсам источника питания. Транзистор Т1 является ключевым, причем исток его соединен с заземленной шиной питания, а сток подсоединяется к стоку нагрузочного транзистора Т2. Ключевой тран­зистор Т1 имеет канал n-типа, а нагрузочный Т2 – канал p-типа. Карманы (подложки) обоих транзисторов соединены с истоками, а зат­воры объединены и служат входом вентиля.

Рис. 1. Электрическая схема КМОП-вентиля.

КМОП-вентиль работает следующим образом. При поступлении на вход сигнала логической единицы, когда , открывается ключевой транзистор ( ), а нагрузочный транхистор закрывается ( ). При этом на выходе формируется уровень логического нуля, близкий к потенциалу земли, то есть . Когда на вход подается напряжение , соответствующее сигнула логического нуля, ключевой транзистор закрывается, а нагрузочный открывается. Это приводит к формированию на выходе уровня логичекой единицы, близкого к напряжению питания .

В КМОП-венитиле (инверторе) уровни логического нуля и логической единицы имеют экстремальные значения и , а логический размах равен напряжению питания. Поэтому для таких схем отпадает необходимость в топологическом расчете исходя из статических требований. Благодаря этому быстродействие КМОП ИМС оказывается выше по сравнению с обычными МОП ИМС на транзисторах с каналами одного типа проводимости, у которых перезарядка емкости осуществляется значительно меньшими токами. КМОП-вентиль практически не потребляет мощность ни в одном из логических стационарных состояний, что обусловлено самой конфигурацией вентиля. В статическом состоянии n- и p-канальные транзисторы не могут быть открыты одновременно. Поэтому полный статицеский ток равен лишь току утечки закрытого транзистора. КМОП-вентили расходуют энергию лишь при переключении из одного логического состояния в другое.

Время переключения КМОП-вентиля из одног логического состояния в другое называется задержкой переключения и обозначается как t. Задержка переключения единичного КМОП-вентиля без нагрузки (выход свободен) определяется конструктивно-технологическими параметрами его элементов, основными из которых являются длины каналов транзисторов (L_N, L_P) и толщина подзатворного диэлектрика (t_OX). В общем случае, чем меньше длина каналов и меньше толщина подзатворного диэлектрика, тем меньше задерка переключения вентиля. Уменьшение длины каналов МОП-транзисторов и уменьшение толщины подзатворного диэлектрика, как и уменьшение других геометричексих размеров всех элементов, является основной тенденцией развития микроэлектроники. Величина минимальных шеометрических размеров характеризует уровень развития технологии. Основным параметром для оценки уровня развития технологии являются топологические номы проектирования – геометрический размер минимального элемента, который может быть получен с использованием данной технологии. Для КМОП ИМС топологическая норма проектирования показывает, какую минимальную длину канала можно получить. В настоящее время на отечественном предприятии электронной промышленности НПО "Интеграл" выпускаются серийные КМОП БИС и СБИС с нормами проектирования 0.35 мкм, 0.5-0.8 мкм и 1.2 мкм.

КМОП ИМС включает в себя большое количество определенным образом соединенных КМОП-вентилей. Динамические параметры КМОП ИМС будут определяться задержкой переключения единичного вентиля при условии, что вентиль работает на нагрузку, т.е. выход вентиля соединен со входом последующего каскада. Расчет динамических параметров КМОП ИМС представляет собой сложную техническую задачу, которая решается с помощью ЭВМ. На практике на этапах проектирования топологии широо используются инженерные методы расчета динамических параметров отдельных вентилей.

В настоящем курсовом проекте рассматривается простой метод расчета временных параметров переключения единичного базового КМОП-вентиля. Несмотря на простоту, этот метод дает результаты, которые достаточно близки к результатам более детального моделирования по программе SPICE. В курсовом проекте показано, как с помощью достаточно простых аналитических выражений можно определить базовые конструктивно-технологические параметры КМОП-вентилей с различными нормами проектирования и рассчитать их временные характеристики.

Исходными данными для проекта являются:

– L_G – норма проектирования, мкм (L_N и L_P);

– t_ox – толщина подзатворного диэлектрика, A;

– N_SUB – концентрация примеси в подложке;

– U_DD – напряжение питания, В;

– U_T – пороговое напряжение, В.

Рис. 2. Поперечное сечение МОП-транзистора КМОП-вентиля, изготовленного в объемном кремнии.

Кроме того, для КНИ структур, должна быть известна также толщина пленки монокристаллического кремния.

Рис. 3. Поперечное сечение МОП-транзистора КМОП-вентиля, изготовленного по технологии КНИ.

РАСЧЕТ ВРЕМЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ КМОП-ВЕНТИЛЯ

В основе расчета лежит инженерный метод, который, конечно, не претендует на абсолютно достоверное и детальное рассмотрение процессов, происходящих в МОП-транзисторе, но тем не менее, дает весьма достоверные результаты.

Задержка переключения КМОП-вентиля может быть представлена в виде:

t_d = t_SW + t_CJ + t_L ,

где t_SW – внутренняя задержка переключения;

t_CJ – средняя задержка, связанная с зарядом-разрядом емкостей собственно переходов (И/С);

t_L – задержка, связанная с зарядом-разрядом нагрузочного элемента (включая паразитные емкости);

; ;

; .

V_max – максимальная скорость носителей заряда (0.6·10⁷ см/с);

q – параметр (q = 0.08).

.

Задержка τ_CJ определяется выражением:

,

где .

Здесь емкость С_J определена при U_DD/2, так как именно такое значение емкости представляет собой среднюю перезаряжаемую емкость переходов.

Параметр A_J – это полная площадь переходов (для КМОП ИМС ). И наконец,

,

где C_L – полная "нагрузочная" емкость.

В приведенных выше уравнениях ток I_{D SAT} равен:

,

где ,

.

Следует отметить, что применительно к КНИ-структуре в вычисления были внесены некоторые изменения. В частности, при расчете компоненты t_CJ (средней задержки заряда-разряда емкостей переходов исток-подложка и сток-подложка) полная площадь переходов заменялась на площадь границы исток-карман и сток-карман.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

Целью курсового проекта является установление возможности применения упрощенного метода инженерного расчета для определения временных характеристик КМОП вентиля.

Основная задача экспериментальной части данного курсового проекта состояла в определении величины времени задержки переключения единичного КМОП вентиля τ_вент.

Прямое измерение данной величины при помощи имеющегося в нашем распоряжении лабораторного оборудования является сложным, т.к. времена задержки переключения единичных КМОП вентилей с размерами элементов порядка 1 мкм ожидаются в пределах пикосекунд. Поэтому разумным было последовательное включение нескольких вентилей в цепочку, так называемый кольцевой генератор (КГ), общее время задержки переключения τ_КГ которого – величина значительная (нс) и могла быть легко замерена внешними приборами. Число вентилей, включенных в кольцевой генератор n = 23. Отсюда

Для проведения расчетов необходимо знать топологические размеры исследуемых вентилей. Эти данные представлены в таблице 1.

Табл.1.

№ Кольцевого генератора
Ширина транзистора n-типа, Wn, мкм
Ширина транзистора p-типа, Wp, мкм

По рассчитанным данным построить зависимости временных параметров КМОП-вентилей от величины подаваемого на них напряжения.