9

ЧАСТЬ 1. МДП ТРАНЗИСТОРЫ.

1. Структура и основные параметры МДП транзистора

Общий вид ВАХ МДП транзистора

Малосигнальные параметры ВАХ

Предельная частота

; — собственная постоянная времени. При определении предельной частоты используют максимальное значение крутизны в пологой области g_S .

2. Влияние параметров транзисторов на характеристики ИМС

1). Коэффициент усиления K.

K = g / G . Должно быть K > 1 . Поскольку K есть усредненный коэффициент усиления, максимальное значение K_S = g_S / G_S должно быть больше.

Право на существование имеют только транзисторы с

.

В аналоговых ИМС коэффициент усиления имеет еще большее значение. Так, например, коэффициент передачи истокового повторителя напряжения с нагрузкой в виде идеального источника тока составляет

K_S /(1+ K_S ).

В прецизионных схемах измерительной техники (например, АЦП) требуется иметь нестабильность коэффициента передачи менее 10^-5...10^-7. Такие значения даже при использовании специальных схемотехнических методов можно получить только при K_S >> 1.

2). Быстродействие.

В аналоговых схемах транзисторы работают в режиме малого сигнала в пологой области ВАХ.

Быстродействие определяется предельной частотой.

В цифровых схемах емкость нагрузки C складывается из входных емкостей следующих вентилей (C_IN ) и емкости соединительных трасс (C_l). При K >> 1 (G 0) время задержки:

.

, (), (), и

.

А). Короткие линии связи: С_l << C_GS , и .

Таким образом, предельная частота транзистора определяет быстродействие таких схем. Это схемы с регулярной логической структурой (счетчики, регистры и т.п.).

Б). Длинные линии связи: С_l >> C_GS , и

.

В таких схемах быстродействие определяется крутизной ВАХ транзистора. Это схемы с нерегулярной логической структурой (АЛУ и т.п.).

Заметим, что значения g и C_GS пропорциональны ширине канала Z, а не зависит от Z . Поэтому в случае А) быстродействие не зависит от ширины канала, а в случае Б) — увеличивается с увеличением ширины канала транзисторов.

В СБИС с нерегулярной логической структурой большую часть площади кристалла занимают коммуникационные тракты (при 10⁴ вентилях на чипе ~ 90 %). Поэтому умеренное увеличение ширины каналов не приводит к увеличению размеров кристалла и, следовательно, длины трактов.

Площадь кристалла и длина трактов зависят от технологичесих норм (минимальной ширины трактов и числа слоев разводки).

Разумеется, при чрезмерном увеличении ширины каналов нарушится неравенство С_l >> C_GS , а площадь кристалла и длина трактов увеличатся. Поэтому желательно иметь транзисторы с высоким значением удельной крутизны .

Выводы по разделам 1-2.

Важнейшими параметрами МДПТ являются:

- собственный коэффициент усиления K_S ;

- предельная частота ;

- удельная крутизна ВАХ .

К основным параметрам следует также отнести:

пороговое напряжение V_t ,

величина которого должна обеспечить оптимальные условия работы транзистора в схеме, и

напряжение насыщения V_{DS S} .

Чем меньше V_{DS S} , тем ближе средняя крутизна к g_S .

3.1. Пороговое напряжение

;

;

;

.

V_D – напряжение

на диэлектрике;

_S — поверхностный

потенциал

. (3.1)

Здесь — контактная разность потенциалов М - П; ;

— контактная разность потенциалов М - П (i) ;

— результирующая концентрация примеси в подложке;

— (3.2)

удельная емкость диэлектрика;

(3.3)

эффективная толщина диэлектрика;

— поверхностная плотность заряда на границе Д - П.

— поверхностная плотность заряда ионов в ОПЗ;

– толщина ОПЗ при , .

Влияние потенциала подложки

При V_SB > 0 система не является равновесной:

р-п переходы B-S, D-S и канал-B закрыты.

Через них протекает обратный ток.

Следствие:

.

Поэтому V_T (V_SB) !

В п-канальных транзисторах при увеличении V_SB V_T возрастает.

В р-канальных транзисторах при увеличении V_SB V_T снижается.

. (3.4)

Здесь

[B^1/2] — коэффициент подложки.

3.2. ВАХ (классическая модель)

. Для (крутая область ВАХ):

; (приближение плавного канала)

;

, (3.5)

где . (3.6)

Если считать l(y) = const (V_T = const), то интегрирование (3.5) по y от 0 до L дает ВАХ:

где . (3.8)

В пологой области G = 0 , и .

Продольное поле на границе со стоком:

. Из (3.5):

; При y = L :

Подставляя сюда значение тока I_D из (3.7a), получим:

. (3.9)

При : .

При перекрытии канала на границе со стоком протекание конечного тока обеспечивается бесконечной скоростью носителей.

Из (3.7б): . (3.10)

; .

Таким образом , ,

или , (3.11)

где , .

Предельная частота есть обратное время пролета носителей через канал.

Она пропорциональна подвижности и может быть как угодно велика (при увеличении среднего поля, пропорционального V_{DS S} = V_GST , растет скорость носителей).

3.3. Влияние подложки

В каждой точке канала V_T зависит от напряжения затвор-канал V_B - V.

Это надо учитывать при интегрировании (3.5).

В результате для крутой области:

. (3.12)

При увеличении V_SB (запирающее напряжение исток-подложка) ток стока I_D и V_{DS S} уменьшаются. Подложка действует как второй затвор.

Коэффициент подложки

[B^1/2]

характеризует степень влияния подложки на пороговое напряжение и ВАХ.

Он уменьшается при уменьшении толщины диэлектрика (возрастает C_S) и при увеличении концентрации примеси в подложке N.

Физическая причина:

Затвор действует через емкость

.

Подложка действует через емкость

Крутизна по подложке снижается при увеличении C_S и снижении концентрации примеси в подложке N.

Ниже мы покажем, что

повышать C_S всегда хорошо, а уменьшать N — опасно.

3.4. Законы масштабирования

1). Ток стока .

Пропорциональное изменение длины и ширины канала не меняет ВАХ.

2). Пороговое напряжение V_T зависит от свойств подложки и диэлектрика через параметр . (Правда, от N зависит также , но очень слабо — логарифмически).

; .

Можно сохранять произведения (т.е. отношение )

и без изменения V_T .

~ 0,03 мкм; Ф/см².

Кл/см².

30 мВ. Таким образом, Q_SS слабо влияет на V_T.

3). Коэффициент подложки

[B^1/2]

сохраняется при тех же правилах масштабирования, что и V_T .

При пропорциональном уменьшении длины и ширины канала крутизна не меняется, а емкость C_GS ~ L² . Поэтому возрастает квадратично !

В БИС с регулярной структурой задержка сигнала ~ .

Таким образом, быстродействие возрастает квадратично.

В БИС с нерегулярной структурой задержка сигнала ~ .

Если технологические нормы снижать пропорционально L, то C_l ~ L².

Таким образом, при уменьшении длины канала быстродействие также возрастает квадратично.

Этим объясняется стремительный прогресс в быстродействии.

При малых размерах законы масштабирования не выполняются.