anton

МИНИСТЕРСТВО оБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Московский государственный институт электроники и математики

МИЭМ НИУ ВШЭ

Кафедра «Электроника и электротехника»

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему

«N-МОП транзистор. Схема ИЛИ-НЕ»

по дисциплине «Электроника»

Вариант №112

Выполнил: студент группы С–21 Макаренко А. М.

Руководитель: Харитонов И.А. ______________

Москва 2014

1. Исходные данные для проектирования

Вариант №112

ИЛИ – НЕ схема на n – МОП транзисторах Минимальный размер: 5 мкм Толщина окисла: 60 нм

2. Принцип работы схемы

Для логических схем на n - МОП транзисторах уровень логического нуля приблизительно равен нулю, а уровень логической единицы ― меньше чем E_ПИТ.

Затвор и сток нагрузочного транзистора подключены к питанию, в любой момент времени выполняется неравенство U_ЗИ – U_ПОР < U_СИ, поэтому нагрузочный транзистор всегда открыт и работает как резистор.

Если на хотя бы один активный транзистор подается напряжение, равное , то он оказывается открыт и ток уходит в землю. На выходе формируется уровень напряжения, соответствующий (порядка 0.1– 0.3 В).

Если на оба активных транзистора подано напряжение , то они оба заперты, выход отключается от земли и на нем устанавливается напряжение . Стоит заметить, что уровень на выходном электроде всегда меньше, чем E_ПИТ вследствие влияния нагрузочного транзистора.

3. Технология изготовления МОП – транзистора

В этом пункте опишем технологический процесс производства n – канального МОП – транзистора с алюминиевым затвором.

	1) Получение исходной подложки р-типа со структурой (100) ().
	2) Выращивание толстого защитного слоя окисла
	3) Фотолитография для вскрытия областей истока и стока n+-типа
	4) n+ - диффузия
	5) выращивание окисла
	6) Фотолитография для р - ограничителей канала
	7) Диффузия или внедрение ионов р - типа
	8) рост окисла ().
	9) Фотолитография для тонких слоев окисла под затворы, и вскры­тие окон под выводы.
	10) Термическое выращивание тонкого слоя окисла под за­творами ().
	11) Ионное внедрение бора для регулировки UЗИпор n – МОП - приборов. Отжиг для активации внедренных ионов и восстановле­ния повреждений кристаллической решетки
	12) Фотолитография для вскрытия окон под контакты истока и стока
	13) Осаждение парообразного алюминия
	14) Фотолитография для формирования рисунка металлической разводки и контактных площадок
	15) Нанесение низкотемпературного пиролитического стекла

4. Топология и структура МОП – транзисторов в разрезе

В схеме, исследуемой в данном курсовом проекте присутствует два типа МОП – транзисторов: активный и нагрузочный. Основной отличительной особенностью активных транзисторов является короткий и широкий канал, тогда как у нагрузочных транзисторов он длинный и узкий.

Структура активного МОП – транзистора в разрезе:

Топология активного МОП – транзистора:

Структура нагрузочного МОП – транзистора в разрезе:

Топология нагрузочного МОП – транзистора:

5. Расчет параметров схемы

Для определения параметров n – канальных МОП – транзисторов, рассматриваемых в данном курсовом проекте, воспользуемся выражениями, приведенными в книге У. Тилла и Дж. Лаксона «Интегральные схемы. Материалы, приборы, изготовление».

В первую очередь найдем пороговое напряжение на затворе U_ЗИ.ПОР и пороговое напряжение на окружающем окисле U_П.ПОР

- пороговое напряжение на затворе, где:

U_f – потенциал Ферми, U_Д – падение напряжение на слое окисла,

U_SS – поверхн. заряд на границе раздела Si – SiO₂ для кремния структуры 100,

U_W – напряжение работы выхода

- потенциал Ферми, где:

- постоянная Больцмана

- температура транзистора

- заряд электрона

- концентрация носителей в кремнии

- концентрация ионов, имплантированных в канал

подставим данные значения в уравнение, получим:

- падение напряжения на слое окисла, где:

- заряд приповерхностного слоя кремния

- диэлектрическая проницаемость вакуума

- диэлектрическая проницаемость кремния

- удельная емкость подзатворного диэлектрика, где:

- диэлектрическая проницаемость оксида кремния SiO₂

- толщина слоя тонкого окисла

-напряжение, компенсирующее поверхностный заряд, где

- поверхностный заряд на границе раздела Si – SiO₂

- напряжение работы выхода (пост. для данного вещества), где

― работа выхода из металла в зону проводимости Si.

― работа выхода из металла в SiO₂

― работа выхода из кремния в SiO₂

Окончательно получаем:

Толщина толстого слоя окисла: 0.72 мкм

Концентрация ионов, ограничителей канала: N_A = 10¹⁷ атомов/см³

- заряд приповерхностного слоя окисла

Таким образом, ограничитель канала не будет проводящим, пока к алюминию на окружающем окисле не будет приложено напряжение в 28,75В.

Условие помехоустойчивости требует соотношения между крутизнами активного и нагрузочного транзисторов 20:1, т.е.

, раскроем это выражение:

, где

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

Для получения W_AL_H необходимо взять оптимальное соотношение, при котором W_A и L_H – минимальны:

Тогда крутизны транзисторов будут следующими:

6. Расчет емкостей

1) Найдем емкости перекрытия каналов. Так как область перекрытия со стороны стока и истока одинакова, то и емкости будут одинаковы:

,где:

- удельная емкость подзатворного диэлектрика

- ширина области перекрытия

- длина области перекрытия, равная ширине канала

Аналогично для нагрузочного транзистора:

Поскольку ряд дальнейших расчетов мы будем выполнять в программе P-Spice, то придется учесть ее специфику и вывести величины удельных емкостей на длину перекрытия, обозначаемые CGSO и CGDO

2) Найдем емкости p-n переходов. Емкость p-n перехода исток – подложка и сток – подложка:

, где

- диэлектрическая проницаемость в вакууме

- диэлектрическая проницаемость кремния

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

- ширина ОПЗ

В соответствии с топологией активного и нагрузочного транзисторов, описанных выше, получим следующие выражения:

Определим значение W_PN из следующего выражения:

, где

- заряд электрона

- концентрация имплантированных в канал ионов

- напряжение на p – n переходе

Подставим полученное значение:

Определим емкость затвор – подложка:

где η – коэффициент влияния подложки

Суммарная емкость:

7. Расчеты в P - Spice

Перед проведением расчетов пронумеруем узлы схемы и обозначим элементы:

Текст программы для получения передаточной характеристики схемы

Kurs n-MOS transistors

Vpit 1 0 5V

Vin1 2 0 0V

Vin2 3 0 0V

MPs 1 1 4 0 nmosn

MA1 4 2 0 0 nmosa

MA2 4 3 0 0 nmosa

MP2 1 1 5 0 nmosn

MA3 5 4 0 0 nmosa

MA4 5 1 0 0 nmosa

.model nmosn nmos(level=3 Vto=0.698 Uo=450 Tox=60n W=10n L=40n CBS=0.7633pF+CBD=0.7633pF CGDO=5.9e-14 CGSO=5.9e-14 lambda=0.05 kp=26.55)

.model nmosa nmos(level=3 Vto=0.698 Uo=450 Tox=60n W=50n L=10n CBS=1.427pF +CBD=1.427pF CGDO=5.9e-14 CGSO=5.9e-14 lambda=0.05 kp=26.55)

.op

.DC Vin1 0 5 0.01

.print DC v(4)

.probe

.end

Текст программы для получения переходной характеристики схемы

Kurs n-MOS transistors

Vpit 1 0 5V

Vin1 2 0 pulse(0.218 5 10u 10u 20u 150u 323u)

Vin2 3 0 0V

MPs 1 1 4 0 nmosn

MA1 4 2 0 0 nmosa

MA2 4 3 0 0 nmosa

C1 4 0 15pF

.model nmosn nmos(level=3 Vto=0.69 Uo=450 Tox=60n W=10n L=40n CBS=0.7633pF+CBD=0.7633pF CGDO=5.9e-12 CGSO=5.9e-12 lambda=0.05 kp=26.55)

.model nmosa nmos(level=3 Vto=0.69 Uo=450 Tox=60n W=50n L=10n CBS=1.427pF+CBD=1.427pF CGDO=5.9e-12 CGSO=5.9e-12 lambda=0.05 kp=26.55)

.op

.tran 0.1u 400u

.print tran v(4) v(2) i(vpit)

.probe

.end

Передаточная характеристика схемы

Уровни логического нуля (U0) и единицы (U1):

(U0) = 0.2V

(U1) = 4.3V

∆Uлог = (U1)- (U0) = 4.1V

(Uc гр) = 2.8V

Помехоустойчивость по положительным и отрицательным помехам

(Uпом +)= (Uc гр) - (U0) = 2.6V

(Uпом -)= (U1) - (Uc гр) = 1.5V

Порог переключения:

(Uп)=( (U0) + (U1))/2 = 2.25V

Переходная характеристика схемы

Статическая и динамическая мощности

9. Сравнение с аналогами, выпускаемыми промышленностью

Для сравнения использовались цифровые базовые матричные кристаллы на основе n – МОП структур типа К1801ВП1

Параметр схемы	Не менее	Не более	Исследуемая схема
Напряжение питания, В	4,75	5,25	5
Напряжение логического нуля, В	-	0,4	0,2
Напряжение логической единицы, В	2,7	-	4,3
Ток потребления, мкА	-	300	59
Максимальная входная частота, кГц	-	8	3.012
Среднее время задержки, мкс	5,5	7,5	5,2