16

Методические указания

к проведению практических занятий по дисциплине

«Физика наноразмерных полупроводниковых структур»

Семинар 4

С4. Проектирование КМОП. Пороговое напряжение

План семинара

С4.1 Различные определения порогового напряжения

С4.2 Подпороговый ток и статическая (standby) мощность рассеяния

С4.3 Рабочий ток и быстродействие МОПТ

С4.4 Зависимость рабочего тока от подпорогового тока

С4.5 Проектирование профиля канала

С4.5.1 Анализ процесса проектирования КМОП

С4.5.2 Тенденции изменения напряжения питания и порогового напряжения

Литература

Задание на СРС

С4.1 Различные определения порогового напряжения

Пороговое напряжение является ключевым параметром КМОП технологии. Рассмотрим вначале различные определения порогового напряжения и требования к нему с точки зрения технологии. Имеется несколько различных способов определения порогового напряжения МОПТ. Ранее мы следовали наиболее общему определению: напряжение на затворе, при котором выполняется условие . Преимущество этого определения заключается в простоте его включения в аналитические решения. Однако эта величина не может быть прямо измерена из экспериментальных ВАХ. С помощью экстраполяции линейного участка ВАХ до пересечения с осью определяется пороговое напряжение (назовем его экстраполированным), величина которого примерно на выше порогового напряжения, определяемого из условия .

Рис.С4.1 Проходная ВАХ МОПТ при низком напряжении сток-исток

Второе обычно используемое определение порогового напряжения основано на подпороговых ВАХ :

. (С4.1)

Задавая уровень тока (скажем 50пА) можно определить пороговое напряжение так, что . Такое определение имеет два преимущества. Во-первых, его легко экстрагировать из результатов измерения и, следовательно, метод пригоден для автоматического измерения большого числа приборов. Во-вторых, ток выключенного прибора , может быть непосредственно рассчитан, зная и подпороговый размах. В дальнейших рассуждениях мы будем твердо придерживаться определения . В общем случае зависит от температуры (температурный коэффициент), смещения подложки (коэффициент подложки), длины канала и напряжения стока (ККЭ).

С4.2 Подпороговый ток и статическая (standby) мощность рассеяния

По определению ток в выключенном состоянии МОПТ (подпороговый ток) – это ток утечки сток-исток, когда напряжение затвор-исток равно нулю, а напряжение сток-исток равно напряжению питания. Из выражения (С4.1) для подпорогового тока при

. (С4.2)

Коэффициент

(С4.3)

определяется как ток сток-исток при пороговом напряжении на затворе (). В наихудшем случае напряжение сток-исток транзистора в закрытом состоянии равно напряжению питания . При этом статическая мощность рассеяния будет равна . Пусть величина . Если мы желаем, чтобы в режиме ожидания мощность рассеяния СБИС чипа, содержащего 10⁸ транзисторов, была не выше 1Вт, ток утечки одного транзистора должен быть менее 10нА.

Заметим, что ток менее чувствителен к температуре (чем ), так как (лишь степенная зависимость). Однако он зависит от технологии. Для 0,1мкм КМОП технологии с Å, равен примерно 1мкА () (заметим, что это число получено для пМОПТ. Ток рМОПТ примерно в 3 раза меньше вследствие более низкой подвижности дырок). Технические условия СБИС чипа обычно рассчитываются на наихудшую температуру 100°С, когда подпороговый ток много больше, чем при комнатной температуре, поскольку не только уменьшается с увеличением температуры, но и наклон кривой (подпороговый размах) также деградирует пропорционально . Типично величина подпорогового размаха составляет 100мВ/декаду при 100°С. Чтобы добиться желаемого результата и сократить величину , за счет коэффициента в формуле (С4.2), величина должна быть по крайней мере 0,2В. Поскольку имеет отрицательный температурный коэффициент , это означает, что .

Описанная картина приемлема для КМОП логических технологий. Однако в технологии динамической памяти (DRAM) требования к току утечки более строгие: . Это означает для DRAM выбранного прибора с . Нужно заметить, что аналитические выражения (С4.2) и (С4.3) выведены при некоторых упрощающих предположениях: длинный канал, равномерное легирование и т.д. Они могут быть использованы для установления величин в первом приближении. Более точные значения подпорогового тока для конкретного проектирования должны быть получены численным моделированием.

Насколько малым может быть предел порогового напряжения, определяет также процедура термотренировки (burn-in). Термотренировка требуется для большинства СБИС технологий, чтобы выявить ранние отказы и гарантировать надежность продукции. Она обычно выполняется при повышенных температуре и напряжении, чтобы ускорить деградационные процессы. Оба эти условия понижают пороговое напряжение и увеличивают токи утечки. Поэтому процедура термотренировки должна быть спроектирована так, чтобы не подвергать приборы риску выхода из строя.

С4.3 Рабочий ток и быстродействие мопт

В то время как нижняя граница порогового напряжения обусловлена ограничением мощности в статическом режиме (подпороговый ток), верхняя граница определяется из рассмотрения рабочего тока (ток во включенном состоянии) и времени переключения. Ток в открытом состоянии МОПТ определяется в режиме насыщения как

. (С4.4)

Вначале рассмотрим пМОПТ в выключенном состоянии с заземленным истоком и напряжением на стоке . Если для включения МОПТ к затвору приложено напряжение , емкость узла стока будет разряжаться током (в первый момент), и напряжение стока будет уменьшаться со скоростью, определяемой выражением

, (С4.5)

где С – полная эффективная емкость узла стока. Тогда для приращения время переключения . Чем меньше пороговое напряжение, тем выше рабочий ток , и, следовательно, выше скорость переключения. С этой точки зрения, желательно иметь пороговое напряжение как можно меньше.

Вследствие конечного времени нарастания напряжения на входе, реальный ток, который входит в уравнение разряда емкости (С4.5), несколько меньше, чем . Рис.С4.2. показывает типичный пример полученной моделированием зависимости обратной величины задержки от нормированного напряжения . Для зависимость может быть аппроксимирована выражением . Из этого выражения следует, например, что будет потеряно примерно 30% быстродействия, если возрастет от 0,2 до 0,3. Вследствие такой высокой чувствительности отношение для быстродействующих схем (HP) обычно сохраняют .

Рис.С4.2 Обратная величина задержки в нормированных единицах в зависимости от . Точки – моделирование с помощью SPICE. Пунктирная линия − аппроксимация по формуле . Здесь определяется как напряжение на затворе, при котором ток равен току, получаемому по формуле (С4.3).