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 gS .
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 KS = gS / GS 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
KS /(1+ KS ).
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 KS >> 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 (CIN ) и емкости соединительных трасс (Cl). При K >> 1 (G 0) время задержки:
.
, (), (), и
.
А). Короткие линии связи: Сl << CGS , 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: Сl >> CGS , и
.
В таких схемах быстродействие определяется крутизной ВАХ транзистора. Это схемы с нерегулярной логической структурой (АЛУ и т.п.).
Заметим, что значения g и CGS 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 Сl >> CGS , 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 KS ;
- предельная частота ;
- удельная крутизна ВАХ .
К основным параметрам следует также отнести:
пороговое напряжение Vt ,
величина которого должна обеспечить оптимальные условия работы транзистора в схеме, и
напряжение насыщения VDS S .
Чем меньше VDS S , тем ближе средняя крутизна к gS .
3.1. Пороговое напряжение
;
;
;
.
VD – 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 VSB > 0 система не является равновесной:
р-п переходы B-S, D-S и канал-B закрыты.
Через них протекает обратный ток.
Следствие:
.
Поэтому VT (VSB) !
В п-канальных транзисторах при увеличении VSB VT возрастает.
В р-канальных транзисторах при увеличении VSB VT снижается.
. (3.4)
Здесь
[B1/2] — коэффициент подложки.
3.2. ВАХ (классическая модель)
. Для (крутая область ВАХ):
; (приближение плавного канала)
;
, (3.5)
где . (3.6)
Если считать l(y) = const (VT = 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 ID 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 VDS S = VGST , растет скорость носителей).
3.3. Влияние подложки
В каждой точке канала VT зависит от напряжения затвор-канал VB - V.
Это надо учитывать при интегрировании (3.5).
В результате для крутой области:
. (3.12)
При увеличении VSB (запирающее напряжение исток-подложка) ток стока ID и VDS S уменьшаются. Подложка действует как второй затвор.
Коэффициент подложки
[B1/2]
характеризует степень влияния подложки на пороговое напряжение и ВАХ.
Он уменьшается при уменьшении толщины диэлектрика (возрастает CS) и при увеличении концентрации примеси в подложке N.
Физическая причина:
Затвор действует через емкость
.
Подложка действует через емкость
Крутизна по подложке снижается при увеличении CS и снижении концентрации примеси в подложке N.
Ниже мы покажем, что
повышать CS 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 VT 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 VT .
~ 0,03 мкм; Ф/см2.
Кл/см2.
30 мВ. Таким образом, QSS слабо влияет на VT.
3). Коэффициент подложки
[B1/2]
сохраняется при тех же правилах масштабирования, что и VT .
При пропорциональном уменьшении длины и ширины канала крутизна не меняется, а емкость CGS ~ 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 Cl ~ L2.
Таким образом, при уменьшении длины канала быстродействие также возрастает квадратично.
Этим объясняется стремительный прогресс в быстродействии.
При малых размерах законы масштабирования не выполняются.