3. Топология и разрез транзисторов.

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

Топология и разрез схемы нагрузочного транзистора.

Топология и разрез схемы активного транзистора.

3. Расчет параметров элементов схемы.

Для определения рабочих параметров n-канального МОП-прибора с алюминиевым затвором можно восполь­зоваться уравнениями, выведенными в [1]. Мы хотим най­ти пороговое напряжение затвора U_ЗИпор, пороговое напряже­ние окружающего окисла U_Ппор. Необходимые для этого формулы при­водятся ниже:

где ― потенциал Ферми, считается по следующей формуле:

― постоянная Больцмана,

― температура транзистора,

― заряд электрона,

― собственная концентрация носителей в Si,

― концентрация внедренных в канал ионов.

Подставляя эти значения, получаем:

― падение напряжения на слое окисла, находится по формуле

где ― заряд приповерхностного слоя кремния.

― диэлектрическая проницаемость вакуума

― диэлектрическая проницаемость кремния.

―удельная емкость подзатворного диэлектрика

― диэлектрическая проницаемость оксида кремния.

―толщина тонкого окисла.

где ― поверхностный заряд расположенный на границе раздела Si―SiO₂ для структуры кремния (100).

Тогда .

― работа выхода из металла в зону проводимости Si.

― работа выхода из металла в SiO₂

― работа выхода из металла в SiO₂

Окончательно получаем:

Найдем также полевое пороговое напряжение:

Толщина толстого окисла ― 1,2 мкм

К онцентрация ионов, ограничителей канала ― .

Таким образом, ограничитель канала не будет проводящим, пока к алюминию на окружающем окисле не будет приложено напряжение 51,7В.

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

где

Для достижения этого должно быть минимальным. Так как минимальный размер 3 мкм, то для ширины и длины канала необходимо взять по 6 мкм:

Для получения , необходимо взять оптимальное соотношения, при котором ― минимальны:

Тогда крутизны транзисторов будут следующими:

Расчет емкостей.

1. Емкости перекрытия каналов

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

где

― удельная емкость подзатворного диэлектрика

― ширина области перекрытия

― длина области перекрытия (равна ширине канала)

Аналогично для нагрузочного транзистора:

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

2. Емкости p-n переходов

Емкость p-n 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 внедренных в канал ионов.

― напряжение на p-n переходе.

Подставляя числа в выражение для , получаем:

Подставляя полученные значения в формулу для и , получаем:

Емкость затвор-подложка:

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

Суммарная емкость: