Московский государственный институт электроники и математики (Технический университет) Кафедра электроники и электротехники Курсовая работа по дисциплине «Электроника и электротехника» Вариант № 59 Выполнил: Студент группы С-41 Москва 2009 Задание на курсовой проект 1) описать принцип работы схемы; 2) выбрать и описать технологию изготовления схемы;
3) нарисовать структуру транзистора; 4) рассчитать параметры элементов схемы; 5) с помощью SPICE рассчитать: а. передаточную характеристику схемы: UВЫХ (UВХ); по ней – уровни логического нуля (U0) и единицы (U1), запас помехоустойчивости; б. потребляемый ток: IПОТР (UВХ); в. переходную характеристику схемы: UВЫХ (t); по ней – времена задержек и фрон- тов переключения, максимальную рабочую частоту схемы (fmax);
г. статическую и динамическую потребляемую мощность; 6) нарисовать топологию всей схемы (в масштабе); 7) сравнить в аналогами, выпускаемыми промышленностью (из справочников). КМОП схема И-НЕ минимальный размер 3 мкм, толщина окисла 60 нм. Принцип работы схемы. Таблица истинности схемы Вх 1 Вх 2 Вых 0 Предположим, что на оба входа подано , тогда через два n-канальных
транзистора Тn1 и Тn2 ток не протекает (на затворы поданы нули). Два p-канальных транзистора открыты (на затворы также поданы нули), следовательно, выход подключен к питанию. Пусть на первый вход подано , на второй – , тогда на затвор Тp1 подано , следовательно Тp1 – открыт, Тn1 – закрыт; на затвор Тn2 подано , следовательно Тn2 – открыт, Тp2 – открыт, следовательно выход подключен к питанию.
Пусть на первый вход подано , на второй – , тогда на затворе Тp1 подано , следовательно Тp1 – закрыт, Тn1 – открыт; на затворе Тn2 подано , следовательно Тn2 – закрыт, Тp2 – открыт, следовательно выход подключен к питанию. Пусть на оба входа подано , тогда оба n-канальных транзистора открыты; на затворы p-канальных транзисторов подано высокое напряжение, следовательно, они закрыты, следовательно, выход подключен к земле.
Технология изготовления схемы. Окисление – это технологический процесс, заключающийся в термическом выращивании слоя двуокиси кремня (весьма устойчивого изолятора) на поверхности кремниевых пластин. Этот процесс выращивания выполняется посредством нагрева кремниевых пластин до температуры около 1100оС в обогащенной кислородом окружающей среде. Образовавшиеся слои окисла используются для защиты производимых микросхем от загрязнения и весьма часто используются интегральной технологии в процессе фотолитографии.
Фотолитография под p-карман. Фотолитографический процесс для производства интегральных микросхем начинается рисунков на прозрачной пленке (обычно увеличенных в 400 раз по сравнению с окончательной микросхемой). Эти оригиналы определяют области, которые должны быть защищены с помощью кислотоустойчивой эмульсии. Оригиналы фотографируются, уменьшаются и многократно повторяются (мультиплицируются) на фотопластинке так, чтобы можно было изготовить одновременно сотни микросхем на одной кремниевой пластинке.
Стеклянные негативы или фотошаблоны, получающиеся в результате фотолитографического процесса, используются при производстве интегральных схем на комплементарных МОП структурах. Фотошаблоны накладываются на кремниевые пластины, предварительно окисленные и покрытые слоем фоточувствительной эмульсии. Экспозиция ультрафиолетовым светом через маску вызывает полимериацию незащищенных областей эмульсии. После того, как неполимеризованная эмульсия будет химически растворена,
полимеризованная эмульсия останется и защитит низлежащие области во время химического травления слоя окисла. Когда эмульсия, часто называемая фоторезистором, будет снята, в определенных местах кремниевой пластины останутся слои двуокиси кремния. Образование окон в слое окисла позволяет приступить к селективному легированию пластин в открытой трубе. Легирование методом открытой трубы. При производстве интегральных схем на КМОП структурах требуется определенным образом расположить области
n- и p-типов на кремниевой пластине. Это можно выполнить с помощью нагрева кремниевых пластин до 1100оС в обогащенной легирующей примесью среде. Селективное легирование в желаемые области осуществляется через вытравленные в двуокиси кремния окна. Легирование оказывается селективным потому, что примесь диффундирует в кремний (через вытравленные окна) значительно легче, чем в слой окисла. Таким образом, в процессе легирования слой двуокиси кремния используется как высокотемпературная маска,
несущая изображение исходных фотошаблонов. Итак, высокотемпературная обогащенная легированной смесью среда позволяет создать n- и p- области, которые используются в качестве стоков и истоков КМОП транзисторов. Обычно после того, как селективная диффузия некоторого количества примеси в пластину проведена, примесь перераспределяется (разгоняется) для увеличения глубины залегания p-n перехода. Процесс разгонки состоит в нагревании кремниевых пластин в инертной среде.
Этап легирования часто называется загонкой примеси. Загонка, сопровождаемая разгонкой, приводит к созданию стоков и истоков КМОП транзисторов с контролируемой степенью легирования и контролируемой глубиной залегания перехода. Ионная имплантация. В процессе производства КМОП транзисторов требуется создать подложку n- типа, в которой будут размещены транзисторы с каналами p- типа, а также области подложки p- типа для размещения
транзисторов с каналами n- типа. Для решения этой задачи применяется ионная имплантация. С ее помощью в кремниевой пластине n- типа создаются островки p- типа, которые используются в качестве подложки для n-канальных транзисторов. Ионная имплантация применяется на этом этапе потому, что концентрация легирующей области в p-области, расположенной непосредственно под электродом затвора МОП транзистора с каналом n-типа, играет существенную роль в формировании порогового напряжения.
Сильное легирование в этой области повышает пороговое напряжение, а слабое снижает его. Главная причина применения ионной имплантации для решения этой критичной к легированию задачи состоит в способности метода достаточно точно воспроизводить концентрацию примеси. В основе ионной имплантации лежит ускорение ионизированного газа, состоящего из атомов легирующей смеси. В процессе работы ионы примеси ускоряются с помощью пары широко разнесенных электродов, к которым обычно
прикладывается напряжение 105 В. Ионы примеси набирают громадную скорость к тому моменту, когда они достигают пластинки электрода, притягивающего их. К этому электроду прикрепляется кремниевая пластина n-типа, подлежащая имплантации. Дозирование может осуществляться изменением ионного тока, который измеряется «условным» амперметром. Этот амперметр измеряет ток через источник высоковольтного напряжения. Напыление. На пластинах с КМОП структурами могут быть созданы посредством напыления слои других материалов,
отличных от двуокиси кремния. Обычно процесс напыления состоит в нанесении вещества, растворенного в вакуумной камере или распыленного химическим образом в высокотемпературном реакторе. Все интегральные микросхемы на КМОП структурах имеют металлические, обычно алюминиевые слои, служащие соединительными проводниками схемы. Эти слои обычно напыляются, и на одной из последних стадий производства микросхемы придается требуемый рисунок с помощью литографии.
Слои двуокиси кремния могут быть нанесены химическим способом при температурах значительно меньших 1000оС, используемых при термическом окислении. В процессе химического напыления используется реакция обогащенного кремнием газа и кислорода. Эта реакция ускоряется благодаря высокой температуре пластины и приводит к напылению слоя окисла на ее поверхности. Полученные таким образом слои имеют худшие электрические свойства, чем слои, полученные при высокотемпературном окислении, но их тем не менее целесообразно использовать,
когда число высокотемпературных этапов должно быть минимизировано. Технологический процесс для КМОП схемы. 1. Окисление кремниевой пластины с низким легированием. 2. Фотолитография для вскрытия окон под диффузию примеси p-типа (p-карман), ионное внедрение бора во вскрытую область, окисление и одновременная разгонка бора. 3. Фотолитография для вскрытия окон под диффузию примеси n-типа (n-карман), ионное внедрение фосфора
во вскрытую область, окисление и одновременная разгонка фосфора. 4. Фотолитография для вскрытия окон под область охранных колец (p-типа) внедрение бора во вскрытую область, окисление и разгонка. 5. Фотолитография для вскрытия окон под область охранных колец (n-типа) внедрение фосфора во вскрытую область, окисление и разгонка. 6. Нанесение пленки нитрида кремния для использования в качестве маски при локальном травлении.
Фотолитография по нитриду кремния и локальное травление кремния на глубину 2-3 мкм для формирования области изоляции. 7. Формирование толстого изолирующего окисла. 8. Удаление маски нитрида кремния, нанесение пленки поликристаллического кремния. 9. Фотолитография для вскрытия окон под области истоков и стоков p-канальных транзисторов, внедрение бора во вскрытые области. 10. Фотолитография для вскрытия окон под области истоков и стоков n-канальных
транзисторов, внедрение фосфора во вскрытые области. 11. Окисление, фотолитография для вскрытия окон под контакты к областям истоков и стоков, напыление пленки алюминия. Топология транзисторов. Топология n-канального МОП транзистора Топология p-канального МОП транзистора Расчет параметров элементов схемы. диэлектрическая проницаемость вакуума диэлектрическая проницаемость
оксидаSiO2 диэлектрическая проницаемость Si мкм ширина перекрытия мкм ширина толстого окисла толщина окисла тепловой потенциал постоянная Больцмана комнатная температура заряд электрона собственная концентрация носителей в Si концентрация примеси в подложке p типа концентрация примеси в подложке n типа концентрация примеси в поликремниевом затворе потенциал Ферми для p-канального КМОП транзистора потенциал Ферми для n-канального КМОП транзистора минимальный размер схемы плотность
заряда на границе раздела Si – SiO2 для структуры кремния подвижность электронов в приповерхностном слое подвижность дырок в приповерхностном слое уровень Ферми в области затвора Расчет удельной емкости подзатворного диэлектрика, длины и ширины канала удельного коэффициента крутизны: Рассчитаем коэффициент крутизны kp: Рассчитаем размеры канала: Для оптимальной работы схемы должно выполняться равенство: , – ширина и
длина канала n-канального КМОП транзистора; , – ширина и длина канала p-канального КМОП транзистора. Пусть Тогда Расчет порогового напряжения n-канального и p-канального МОП транзисторов. 1. 2. 3. 4. Расчет емкостей. Емкости р-п переходов. Емкости p-n-переходов исток-подложка и сток-подложка: Spn – площадь р-n перехода (т.е. площадь донной части перехода сток-подложка и исток-подложка)
Возьмем ,тогда. , где ; Рассчитаем емкости p-n-переходов n-канального КМОП транзистора: Рассчитаем емкость p-n переходов p-канального КМОП транзистора: Емкости перекрытия каналов. Величины перекрытий затвор-сток и затвор-исток одинаковы и равны dпер = 0,1мкм, поэтому соответствующие емкости будут одинаковы. Их можно вычислить по формуле: Емкость перекрытия каналов n-канального
КМОП транзистора: Емкость перекрытия каналов p-канального КМОП транзистора: Емкости под затворами. Эти удельные емкости перекрытия между затвором и подложкой на длину перекрытия (в P-Spice CGBO) не оказывают на работу схемы значительного влияния и поэтому ими можно пренебречь: Суммарная емкость. Суммарная емкость – это алгебраическая сумма всех емкостей схемы (емкости двух n-канальных транзисторов + емкости двух p-канальных транзисторов + нагрузочная емкость).
Снагр – нагрузочная емкость, подключается к выходу схемы (в динамике). Снагр=100 пФ. (в программе P-Spice Снагр = Cload). Площади истока и стока: Периметры истока и стока: Число квадратов площади: Емкости перекрытия каналов. Величины перекрытий затвор-сток и затвор-исток одинаковы и равны dпер = 0,1мкм, поэтому соответствующие
емкости будут одинаковы. Их можно вычислить по формуле: Емкость перекрытия каналов n-канального КМОП транзистора: Емкость перекрытия каналов p-канального КМОП транзистора: Емкости под затворами. Эти удельные емкости перекрытия между затвором и подложкой на длину перекрытия (в P-Spice CGBO) не оказывают на работу схемы значительного влияния и поэтому ими можно пренебречь:
Суммарная емкость. Суммарная емкость – это алгебраическая сумма всех емкостей схемы (емкости двух n-канальных транзисторов + емкости двух p-канальных транзисторов + нагрузочная емкость). Снагр – нагрузочная емкость, подключается к выходу схемы (в динамике). Площади истока и стока: Периметры истока и стока: Число квадратов площади: Расчет с помощью программы
P-Spice. Обозначим элементы схемы и пронумеруем узлы: Pilipenko_59_stat Vpit 1 0 10V Vin1 3 0 0V .model nch nmos(level=3 W=30u L=3u Vto=0.798V Tox=60n LD=0.1um UO=400 Xj=1um +GAMMA=1.409 PHI=0.812 Cj=4.647E-4 Cjsw=4.647E-10 CGDO=1.77E-15 +CGSO=1.77E-15) .model pch pmos(level=3 W=60u L=3u Vto=-0.794V Tox=60n LD=0.1um UO=200 Xj=1um +GAMMA=0.722
PHI=0.743 Cj=2.38E-4 Cjsw=2.38E-10 CGDO=3.54E-15 CGSO=3.54E-15) Mn1 2 3 5 0 nch AS=270p AD=270p PS=78u PD=78u NRS=3 NRD=3 Mn2 5 3 0 0 nch AS=270p AD=270p PS=78u PD=78u NRS=3 NRD=3 Mp1 2 3 1 1 pch AS=540p AD=540p PS=138u PD=138u NRS=6 NRD=6 Mp2 2 3 1 1 pch AS=540p AD=540p
PS=138u PD=138u NRS=6 NRD=6 Mn11 22 2 55 0 nch AS=270p AD=270p PS=78u PD=78u NRS=3 NRD=3 Mn22 55 2 0 0 nch AS=270p AD=270p PS=78u PD=78u NRS=3 NRD=3 Mp11 22 2 1 1 pch AS=540p AD=540p PS=138u PD=138u NRS=6 NRD=6 Mp22 22 2 1 1 pch AS=540p AD=540p PS=138u PD=138u NRS=6 NRD=6 Mn111 222 22 555 0 nch
AS=270p AD=270p PS=78u PD=78u NRS=3 NRD=3 Mn222 555 22 0 0 nch AS=270p AD=270p PS=78u PD=78u NRS=3 NRD=3 Mp111 222 22 1 1 pch AS=540p AD=540p PS=138u PD=138u NRS=6 NRD=6 Mp222 222 22 1 1 pch AS=540p AD=540p PS=138u PD=138u NRS=6 NRD=6 .dc Vin1 0 10 0.01 .probe *.print DC I(Vpit) .end *Pilipenko_59_din Vpit 1 0 10V Vin1 3 0 pulse(0 10 10n 50n 50n 180n 460n) .model nch
nmos(level=3 W=30u L=3u Vto=0.798V Tox=60n LD=0.1um UO=400 Xj=1um +GAMMA=1.409 PHI=0.812 Cj=4.647E-4 Cjsw=4.647E-10 CGDO=1.77E-15 +CGSO=1.77E-15) .model pch pmos(level=3 W=60u L=3u Vto=-0.794V Tox=60n LD=0.1um UO=200 Xj=1um +GAMMA=0.722 PHI=0.743 Cj=2.38E-4 Cjsw=2.38E-10 CGDO=3.54E-15 CGSO=3.54E-15
Mn1 2 3 5 0 nch AS=270p AD=270p PS=78u PD=78u NRS=3 NRD=3 Mn2 5 3 0 0 nch AS=270p AD=270p PS=78u PD=78u NRS=3 NRD=3 Mp1 2 3 1 1 pch AS=540p AD=540p PS=138u PD=138u NRS=6 NRD=6 Mp2 2 3 1 1 pch AS=540p AD=540p PS=138u PD=138u NRS=6 NRD=6 Mn11 22 2 55 0 nch AS=270p
AD=270p PS=78u PD=78u NRS=3 NRD=3 Mn22 55 2 0 0 nch AS=270p AD=270p PS=78u PD=78u NRS=3 NRD=3 Mp11 22 2 1 1 pch AS=540p AD=540p PS=138u PD=138u NRS=6 NRD=6 Mp22 22 2 1 1 pch AS=540p AD=540p PS=138u PD=138u NRS=6 NRD=6 Mn111 222 22 555 0 nch AS=270p AD=270p PS=78u PD=78u NRS=3 NRD=3 Mn222 555 22 0 0 nch
AS=270p AD=270p PS=78u PD=78u NRS=3 NRD=3 Mp111 222 22 1 1 pch AS=540p AD=540p PS=138u PD=138u NRS=6 NRD=6 Mp222 222 22 1 1 pch AS=540p AD=540p PS=138u PD=138u NRS=6 NRD=6 .tran 6ns 0.6u .probe .end Передаточная характеристика схемы Посчитаем помехоустойчивость схемы: Переходная характеристика схемы По полученным характеристикам находим временные интервалы:
Потребляемый ток Ток, потребляемый схемой: = -1.047*10-4 A Статическая и динамическая мощности, потребляемые схемой: Статическая мощность определяется выражением: Динамическая мощность определяется выражением: TMAX =460нс – частота переключения МГц – суммарная емкость схемы Тогда динамическая мощность будет равна: Топология схем
Сравнение с аналогами, выпускаемыми в промышленности. Стандартные серии КМОП: 176, 561, 564. Время задержки 50 нс(типовое), мощность потребления 0,4 мкВт/вентиль, напряжение питания 3-15 В 4 логических элемента 2И-НЕ Импортный аналог: CD4011A Параметр Не менее Не более Данная схема Напряжение питания Епит , В 3 15 10 ,
В — 0,4 0 , В 8 — 10 Статический ток потребления IП , мА — 18 10,47 Среднее время задержки tЗ, нc — 50 28 Максимальная входная частота fП, МГц — 10 2,4