zabika.ru 1


Министерство образования и науки РФ

Московский Государственный Институт Электроники и Математики

(Технический Университет)

Кафедра «Электроника и Электротехника»


Курсовая работа

на тему

«Расчёт характеристик КМОП транзистора»

Вариант №200


Выполнил

Черешнев Р.И.

группа С-44
Руководитель

Самбурский Л.М.


Москва 2012

Задание.
Дано: КМОП схема ИЛИ-НЕ.

Минимальный размер 5 мкм.

Толщина окисла 150 нм.


Требуется:

  1. Описать принцип работы схемы.

  2. Выбрать и описать технологию изготовления схемы.

  3. Нарисовать топологию и разрез элементов схемы.

  4. Рассчитать параметры элементов схемы.

  5. С помощью программы Spice рассчитать:

    1. передаточную характеристику схемы: UВЫХ (UВХ); по ней – уровни логическогонуля (U0) и единицы (U1), запас помехоустойчивости;

    2. потребляемый ток: IПОТР (UВХ);

    3. переходную характеристику схемы: UВЫХ (t); по ней – времена задержек и фронтов переключения, максимальную рабочую частоту схемы (fmax);

    4. г. статическую и динамическую потребляемую мощность;

передаточную характеристику схемы;

переходную характеристику схемы;

статическую и динамическую мощности, потребляемые схемой.

  1. Нарисовать топологию всей схемы.

  2. Сравнить с аналогами, выпускаемыми промышленностью.

1. Принцип работы схемы.
Таблица истинности для логического элемента ИЛИ-НЕ:

Вх1

Вх2


Вых

0

0

1

0

1

0

1

0

0

1

1

0


В схеме транзисторы Т1 и Т2 n-канальные, T3 и T4 - p-канальные. Все транзисторы имеют наведённые (индуцированные) каналы.

Уровень логического нуля для КМОП схем приблизительно равен нулю, а уровень логической единицы приблизительно равен Eпит:

U0лог = 0

U1лог = Eпит = +10 В

Пусть на вход Вх1 подается уровень логической единицы, тогда транзистор Т1 открывается, а Т3 запирается. Тогда на выходе получается логический ноль, независимо от того, что было подано на вход Вх2.

При подаче логической единицы на вход Вх2 транзистор Т2 открывается, а Т4 запирается. Тогда, аналогично, на выходе получается логический ноль, независимо от того, что было подано на вход Вх1.

Если подаются нули на оба входа, то транзисторы Т1 и Т2 будут заперты, а транзисторы Т3 и Т4 – открыты. Тогда получается, что выход присоединен к питанию, и на выходе мы имеем уровень логической единицы.
2. Технология изготовления схемы.
В изготовлении КМОП - схем применяются технологии самосовмещенного кремниевого затвора и ионного внедрения. Технология самосовмещенного кремниевого затвора подразумевает, что на общей подложек формируются транзисторы с каналами p-типа и n-типа.

Методом фотолитографии из поликристаллического кремния формируют шины затвора шириной 3...5 мкм и проводники первого (если не считать диффузионных шин) слоя межэлементных соединений. Диффузия примесей, производимая после формирования дорожек из поликремния, приводит к формированию областей истоков и стоков и одновременно к легированию поликремния, что снижает его поверхностное сопротивление. Шины затвора из поликремния защищают при диффузии области каналов от проникновения акцепторной примеси, благодаря чему области истоков и стоков автоматически совмещаются с затвором и обеспечивают перекрытие затвором этих областей менее 1 мкм.



1. Первое окисление.


2. Первая фотолитография.


3. Диффузия бора (загонка).


4. Второе окисление. Разгонка бора.


5. Вторая фотолитография.


6. Диффузия бора (загонка).


7. Третье окисление. Разгонка бора.



8. Третья фотолитография.


9. Диффузия фосфора (загонка).


10. Четвертое окисление. Разгонка фосфора.


11. Четвертая фотолитография (под тонкий окисел).


12. Пятое окисление.


13. Осаждение поликремния.

14. Пятая фотолитография по поликремнию.




15. Шестая фотолитография (под контакты).


16. Осаждения алюминия (металлизация).


17. Седьмая фотолитография по алюминию.



Расчёт параметров элементов схемы.
Константы, используемые при расчётах.
- диэлектрическая проницаемость вакуума.

- диэлектрическая проницаемость кремния.

- диэлектрическая проницаемость оксида кремния.

- толщина тонкого окисла.

- температура транзистора.

- заряд электрона.

- собственная концентрация носителей в ,


- концентрация внедрённых в канал -канального КМОП - транзистора ионов.

- концентрация внедрённых в канал -канального КМОП - транзистора ионов.

- подвижность электронов.

- подвижность дырок.

- концентрация внедренных в затвор МОП - транзистора ионов.

-плотность заряда на границе раздела .
- постоянная Больцмана.


Величины, зависящие от параметров схемы и используемые при расчётах.
Тепловой потенциал.



Потенциал Ферми для -канального КМОП – транзистора.



Потенциал Ферми для -канального КМОП – транзистора.




Разность работ выхода электронов из затвора и полупроводника подложки -канального КМОП – транзистора.

,

где - потенциал Ферми для затвора -канального КМОП — транзистора.
.
Разность работ выхода электронов из затвора и полупроводника подложки -канального КМОП – транзистора.

,

где - потенциал Ферми для затвора -канального КМОП – транзистора;

- потенциал Ферми для подложки -канального КМОП - транзистора.

.
Удельная ёмкость подзатворного диэлектрика.


.
Коэффициенты крутизны и размеров канала.
Крутизна -канального КМОП – транзистора.



.
Крутизна -канального КМОП – транзистора.



.

Размеры канала.
Для оптимальной работы схемы должно выполняться равенство:

,

где , - ширина и длина канала -канального КМОП – транзистора;

, - ширина и длина канала -канального КМОП – транзистора.
По условию минимальный размер .

Пусть , .


Тогда выразим и найдем из вышеуказанного равенства:



.




Пороговые напряжения.
Пороговое напряжение -канального КМОП – транзистора.





Пороговое напряжение -канального КМОП – транзистора.






Ёмкости -переходов.
Емкости -переходов исток-подложка и сток-подложка:



где - площадь -перехода (т.е. площадь донной части перехода сток-подложка и исток-подложка)



,

где ;
Ёмкости -переходов -канального КМОПТа.
.

.

.
Ёмкости -переходов -канального КМОПТа.
.

.

.
Ёмкости перекрытия каналов.
Величины перекрытий затвор-сток и затвор-исток одинаковы и равны , поэтому соответствующие емкости будут одинаковы. Их можно вычислить по формуле:





Ёмкость перекрытия каналов -канального КМОП-транзистора:



Ёмкость перекрытия каналов p-канального КМОП-транзистора:


.
Ёмкости под затворами.
Эти удельные емкости перекрытия между затвором и подложкой на длину перекрытия не оказывают на работу схемы значительного влияния и поэтому ими можно пренебречь:

.


Суммарная ёмкость.
Суммарная емкость – это алгебраическая сумма всех емкостей схемы (емкости двух -канальных транзисторов + емкости двух -канальных транзисторов + нагрузочная емкость).

– нагрузочная емкость, подключается к выходу схемы (в динамике).








Расчёт с помощью программы Spice.




Передаточная характеристика.
Kurs in
Vpit 4 0 10

Vin1 1 0 0

Vin2 2 0 0
.model pkan pmos (W=90u L=10u Vto=-1.51 level=1 kp=6.72u)

.model nkan nmos (W=30u L=10u Vto= 1.53 level=1 kp=20.16u)
Mp1 4 1 5 4 pkan

Mp2 5 2 3 4 pkan


Mn1 3 1 0 0 nkan

Mn2 3 2 0 0 nkan
.DC Vin2 0 300 0.01

.PROBE

.END


Логический перпад.







Порог переключения.





Помехоустойчивость по положительной помехе.





Помехоустойчивость по отрицательной помехе.





Общая помехоустойчивость (в процентах от )



.

Переходная характеристика.
Kurs 2

Vpit 4 0 10

Vin1 1 0 pulse (0 10 200n 100n 100n 400n 1300n)

Vin2 2 0 0

Cload 3 0 25p

.model nm nmos (W=30u L=10u Vto=1.53 level=3 kp=20.16u CBD=0.16e-13 CBS=0.16e-13 CGSO=2.24e-11 CGDO=2.24e-11 CGBO=0 Tox=150n UO=900 LD=0.1u)

.model pm pmos (W=90u L=10u Vto=-1.51 level=3 kp=6.72u CBD=0.4e-13 CBS=0.4e-13 CGSO=2.24e-11 CGDO=2.24e-11 CGBO=0 Tox=150n UO=300 LD=0.1u)
Mp1 4 1 5 4 pm

Mp2 5 2 3 4 pm

Mnl 3 1 0 0 nm

Mn2 3 2 0 0 nm
.tran 0.01p 2u

.probe

.end



Времена задержек.











Статическая и динамическая мощности, потребляемые схемой.
Статическая мощность.



, - входные токи потребления (при напряжениях на входе и соответственно).

Входные напряжения подаются на затворы транзисторов. Через затворы то­ки течь не могут, т.к. между затвором (проводником) и каналом лежит диэлек­трик, поэтому:



Тогда статическая мощность будет равна:


Динамическая мощность.

,

где - частота переключения, - суммарная емкость схемы.

.
Тогда динамическая мощность будет равна:

.


8. Сравнение с аналогами, выпускаемыми промышленностью.


Параметр

Спроектированная схема

Аналог К564ЛА7

Напряжение питания

10

10

Напряжение логической единицы

10

9,99

Напряжение логического нуля

0

0,01

Максимальный уровень положительной помехи

3,8


4,9

Помехоустойчивость , %

84

91

Среднее время задержки при емкости нагрузки

106,5

57,5

Максимальная входная частота

0,53

1.76


В данной курсовой работе была спроектирована схема логического элемента ИЛИ-НЕ на комплементарных МОП - транзисторах. Промышленный аналог данного элемента К564ЛА7. Спроектированная схема обладает меньшей максимальной входной частотой, меньшей помехозащищенностью и имеет большее задержки.