МИЭТ

Московский институт электронной техники.

Курсовая работа

по курсу “Микроэлектроника и микросхемотехника”

раздел “Элементная база цифровых ИМС”

по теме: ”Проектирование логического

элемента в n-МОП базисе”

преподаватель Миндеева А. А.

выполнил студент гр.

2001 Г. Задание на курсовую работу

“ Проектирование логического элемента

В n-моп базисе ”

В рамках курсовой работы необходимо:

1. Минимизировать заданную логическую функцию с учетом схемотехнического базиса.

2. Разработать электрическую схему логического элемента в заданном схемотехническом базисе. Рассчитать параметры компонентов.

3. Провести расчет передаточных и переходных характеристик на PC по программе PSPICE.

4. Предложить технологический маршрут изготовления логического элемента.

5. Разработать топологию логического элемента в соответствии с предложенным технологическим маршрутом и топологическими допусками.

Заданная функция имеет вид:

Упрощение с помощью карт Карно.

Так как логическая функция задана в совершенноконъюнктивной нормальной форме, то карта Карно заполняется по0или хотя бы однопроизведениепринимает значение равное0:

Заполненная карта Карно выглядит так:

AB CD	00	01	11	10
00	1	1	1	1
01	1	0	0	1
11	0	0	0	0
10	0	0	0	0

Для считывания F с карты Карно необходимо сначало минимизировать F по единицам,то есть объединяем соседние состояния, при которых F принимает одинаковые состояния. Здесь объединяются квадрат и строка по четыре состояния. Одно состояние может войти в несколько объединений. В результате объединения записываются те переменные, которые не меняются при переходе из клетки в клетку.

После считывания проводятся преобразования к нужному элементному базису при использовании теоремы Де Моргана и двойной инверсии, в итоге мы получим:

Справочные данные и принятые обозначения.

Толщина изолирующего диэлектрика d_SiO2 = 50нм

Емкость нагрузки С=0,5 пФ

Материал под затворного диэлектрика – окись кремния (SiO₂)

Относительная диэлектрическая проницаемость _SiO2 = 4

Диэлектрическая проницаемость вакуума ₀ = 8,85*10^-12 Ф/м

Подвижность электронов _n = 600 см²/В*с

Подвижность дырок _p = 300 см²/В*с

Глубина диффузии х_J= 0.7 мкм

Коэффициент влияния подложки  = 0,3

Минимальный топологический размер  = 1 мкм

Напряжение логического нуля U⁰ = 0,2 В

Напряжение логической единицы U¹ = 8 В

Напряжение помехоустойчивости U_пу = 0,8 В

Средняя потребляемая мощность Р_ср = 0,8 мВт

В данном варианте задан ключ с квазилинейной нагрузкой и алюминиевый затвор транзисторов.

Разработка электрической схемы в заданном схемотехническом базисе.

После упрощения функции, в соответствии с заданной нагрузкой, получаем следующую электрическую схему:

Аналитический расчет

параметров транзисторов схемы.

По заданным параметрам определяем U_пор.0 :

U_пор.0 = U⁰+U⁰_пу = 0,2+0,8=1 (В)

Далее находим численные значения следующих величин U_ип U_з :

U_ип = U¹ = 8 (В)

U_з  U_ип*(1+)+U_пор0 = 8*(1+0,3)+1 = 11.4  12 (В )

Определяем значение I⁰:

Р_ср=(Р⁰ + Р¹) /2 ; Р¹ = 0

Р_ср = Р⁰/2 = (U_ип * I⁰)/2

В итоге получаем :

I⁰ = 2*Р_ср/U_ип = (2*0,8*10^-3) / 8 = 0,2*10^-3 = 0,2 ( мА )

Крутизна нагрузочного транзистора (к_н) определяется из следующего выражения :

Затем определяем крутизну для остальных транзисторов:

Найденное к_0экв - для схемы в целом. Определим крутизну для каждого транзистора по отдельности, в соответствии с его включением. У параллельно включенных транзисторов крутизна равна, а у последовательно включенных :

1/к_экв = 1/к₁ + 1/к₂ = 2/к

к=2*к_экв

В итоге, значения для каждого транзистора примут следующие значения:

Для B- и D-сигналов :к=2*к_экв=2*0.146*10^-3 = 0.291*10^-3 (А/В²)

Для C-сигнала : к=0.146*10^-3 (А/В²)

В следующем пункте определим геометрические размеры каждого транзистора по следующей методике :

к = к_уд*W/L

к_уд = *С_уд

С_уд = ₀*_SiO2/d_ок

а=W/L=к/к_уд

При а1 L = L_min, W = L_min*а;

При а1 L = W_min/a, W = W_min.

Для транзисторов с алюминиевым (Al) затвором :

L_min = 3*

W_min= 2*

С_уд = ₀*_SiO2/d_ок = 4*8.85*10^-12/50*10^-9 = 0.708*10^-3 (Ф)

Так как транзистор n-канальный, то  = _n= 600 (см²/В*с) :

к_уд = *С_уд = 600*10^-4*0,708*10^-3 = 424,8*10^-7 (А/В²)

Геометрические размеры транзисторов Т₃, Т₄:

а=W/L=к/к_уд = 0.291*10^-3/424,8*10^-7 = 6.853,

так как а1, то L = L_min= 3*= 3 (мкм).

W = a*L_min= 6.853*3*= 20.56 21 (мкм).

Геометрические размеры для транзистора Т₂:

а=W/L=к/к_уд = 0.146*10^-3/424,8*10^-7 = 3.427

так как а1, то L = L_min= 3*= 3 (мкм).

W = a*L_min= 3.427*3*= 10.28 11 (мкм).

Геометрические размеры для нагрузочного транзистора Т_н:

к=к_н = 4.52*10^-6 (А/В²)

а = к/к_уд = 4.52*10^-6/42,48*10^-6 = 0,106

так как а1, то W = W_min.= 2* = 2 (мкм),

L = W_min/a = 2/0,106 = 18.87  19 (мкм).