Электроника и электротехника

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ

(Технический университет)

Курсовая работа

по дисциплине "Электроника и электротехника"

Выполнила:

студентка группы С-45

Сотова Юлия

Преподаватель:

Самбурский Л.М.

Москва 2011

Задание

Дано:

И-НЕ схема на n-МОП транзисторах

Минимальный размер - 3 мкм.

Толщина окисла - 50 нм.

Требуется:

.        Описать принцип работы схемы.

.        Выбрать и описать технологию изготовления схемы.

.        Нарисовать топологию и разрез элементов схемы.

.        Рассчитать параметры элементов схемы.

.        С помощью программы P-Spice рассчитать:

передаточную характеристику схемы;

переходную характеристику схемы;

статическую и динамическую мощности, потребляемые схемой.

.        Нарисовать топологию всей схемы.

.        Сравнить с аналогами, выпускаемыми промышленностью.

1. Принцип работы схемы

Таблица истинности для логического элемента И-НЕ:

Для логических схем на -МОП транзисторах уровень логического нуля приблизительно равен нулю, а уровень логической единицы - меньше чем E_пит. Сток и затвор верхнего нагрузочного транзистора подключены к питанию, поэтому всегда выполняется неравенство

,

следовательно нагрузочный транзистор всегда открыт и работает в пологой области как нелинейный транзистор.

Если хотя бы один на один активный транзистор подано напряжение логического нуля, то он оказывается заперт, вследствие чего выход отключается от земли и на нём устанавливается напряжение логической единицы. При этом U¹_лог будет меньше E_пит из-за влияния нагрузочного транзистора:

.

. Технология изготовления схемы

Технологический процесс для -канального МОП-прибора с металлическим затвором будет следующим:

1.       Получение p-подложки со структурой (100) (N_a=10¹⁵ см^-3)

2.       Выращивание защитного слоя окисла

3.       Фотолитография для вскрытия областей стока и истока n⁺ типа.

4. n⁺ диффузия и выращивание окисла

. Фотолитография для p-ограничителей канала

. Диффузия или внедрение ионов p-типа, рост окисла (N_a=10¹⁷ см^-3).

7. Фотолитография для тонких слоёв окисла под затворы. Вскрытие окон под выводы.

8. Ионное внедрение бора для регулировки U_ЗИпор n-МОП-приборов.

9. Термическое выращивание тонкого слоя окисла под затворами (l_OX=100 нм).

10. Отжиг для активации внедрённых ионов и восстановления повреждений кристаллической решётки.

11. Фотолитография для вскрытия окон под контакты стока и истока.

. Осаждение парообразного алюминия.

. Фотолитография для формирования рисунка металлической разводки и контактных площадок.

14. Нанесение низкотемпературного пиролитического стекла.

15. Фотолитография для вскрытия окон под контактные площадки для проволочных соединений.

3. Топология и разрез транзисторов

В проектируемой схеме присутствует два типа транзисторов:  - нагрузочный изготавливают с узким, длинным каналом,  - активные изготавливают с широким и коротким каналом. Такие требования предъявляют условия хорошей помехоустойчивости и хороших логических уровней.

. Расчёт параметров элементов схемы

Константы, используемые при расчётах:

 Дж/К - постоянная Больцмана,

 Ф/см - диэлектрическая проницаемость вакуума,

 - диэлектрическая проницаемость кремния,

 - диэлектрическая проницаемость оксида кремния,

 нм - толщина тонкого окисла,

 К - температура транзистора,

 Кл - заряд электрона,

 см^-3 - собственная концентрация носителей в Si,

  - концентрация внедрённых в канал ионов

Мы хотим найти пороговое напряжение затвора U_ЗИпор и пороговое напряжение окружающего окисла U_Ппор (полевое).

,

где U_f - потенциал Ферми, считается по следующей формуле:

U_OX - падение напряжения на слое окисла, находится по формуле

,

где  - заряд приповерхностного слоя кремния

 - удельная ёмкость подзатворного диэлектрика

,

где  - поверхностный заряд, расположенный на границе раздела  для структуры кремния (100).

Тогда .

Запирающее напряжение

W_M-Si - работа выхода из металла в зону проводимости Si.

W_M-O = 3,2 эВ - работа выхода из металла в SiO₂

W_Si-O = 3,25 эВ + 0,55 эВ + - работа выхода из кремния в SiO₂

Окончательно получаем:

Рассчитаем полевое пороговое напряжение U_Ппор:

Толщина толстого окисла - .

Концентрация ионов, ограничителей канала - .

Таким образом, ограничитель канала не будет проводящим, пока к алюминию на окружающем окисле не будет приложено напряжение 52,02 В.

.

Для достижения этого  должно быть минимальным. Так как минимальный размер 5 мкм, то для ширины и длины канала необходимо взять по 10 мкм:

Для получения  и , необходимо взять оптимальное соотношения, при котором  и  - минимально:

Тогда крутизны транзисторов будут следующими:

Расчёт ёмкостей.

) Ёмкости перекрытия каналов

Так как область перекрытия со стороны сток и исток одинакова, то и ёмкости будут одинаковы:

Где

 - удельная ёмкость подзатворного диэлектрика

 - ширина области перекрытия

 - длина области перекрытия (равна ширине канала)

Аналогично для нагрузочного транзистора:

В программе P-Spice используются удельные ёмкости перекрытия на длину перекрытия (CGSO, CGDO):

) Ёмкости  переходов.

Ёмкость  перехода исток-подложка и сток-подложка:

где

  - диэлектрическая проницаемость вакуума,

 - диэлектрическая проницаемость кремния,

 - площадь донной части перехода сток-подложка и исток-подложка.

В соответствии с топологией нагрузочного и активного транзистора (см. пункт 3) получаем:

Для нахождения  воспользуемся формулой , где

 - заряд электрона,

 - концентрация внедрённых в канал ионов,

 - напряжение на  переходе.

Подставляя числа в выражение для , получаем:

.

Подставляя полученные значения в формулу для и , получаем:

,

.

Ёмкость затвор-подложка:

,

.

В программе P-Spice используются удельные ёмкости перекрытия на длину перекрытия (CGBO):

,

.

Суммарная ёмкость:

,

транзистор топология прибор программа

5. Расчёт с помощью программы P-Spice

Перед расчётом необходимо обозначить узлы схемы:

Передаточная характеристика схемы

1 0 5V2 0 5V3 0 5V4 0 5V1 1 5 0 nmosn5 2 6 0 nmosa6 3 7 0 nmosa7 4 0 0 nmosa

.model nmosn nmos (level=1 vto=0.585 uo=450 tox=50n w=10u l=40u

+cbs=1.84pF cbd=1.84pF cgbo=2.124e-9 cgdo=7.08e-10 cgso=7.08e-10)

.model nmosa nmos (level=1 vto=0.585 uo=450 tox=50n w=40u l=10u

+cbs=2.4pF cbd=2.4pF cgbo=8.5e-9 cgdo=7.08e-10 cgso=7.08e-10)

.op

.dc vin1 0 5 0.01

.print dc v(5)

.probe

.end

Уровень логической единицы: ,

Уровень логического нуля: ,

Логический перепад: ,

Порог переключения: , ,.

.

Помехоустойчивость по отрицательной помехе:

.

Переходная характеристика схемы

Vpit 1 0 5V

vin1 2 0 pulse (0.38 4.42 10u 10u 20u 150u 227u)3 0 4.42V4 0 4.42V5 0 15pF1 1 5 0 nmosn5 2 6 0 nmosa6 3 7 0 nmosa7 4 0 0 nmosa

.model nmosn nmos (level=1 vto=0.585 uo=450 tox=50n w=10u l=40u

+cbs=1.84pF cbd=1.84pF cgbo=2.124e-9 cgdo=7.08e-10 cgso=7.08e-10)

.model nmosa nmos (level=1 vto=0.585 uo=450 tox=50n w=40u l=10u

+cbs=2.4pF cbd=2.4pF cgbo=8.5e-9 cgdo=7.08e-10 cgso=7.08e-10)

.op

.tran 0.1u 400u

.print tran v(5) v(2) i(vpit)

.probe

.end

Параметры схемы

Длительность задержек:

,

.

.

Длительность фронтов:

,

.

Статическая и динамическая мощности, потребляемые схемой.

Входной файл для определения тока такой же, как и для динамики.

Из графика видно, что ток потребления при логической единице на выходе равен нулю:

,

.

Тогда, для определения статической мощности воспользуемся формулой:

.

Динамическая мощность.

Частота переключения

.

Для определения динамической мощности воспользуемся формулой

.

6.       Топология всей схемы

7. Сравнение с аналогами, выпускаемыми промышленностью

В качестве схемы для сравнения использовались цифровые базовые матричные кристаллы на основе -МОП-структур типа К1801ВП1.