Курсовая работа на тему «Расчёт характеристик КМОП транзистора»

Министерство образования и науки РФ

Московский Государственный Институт Электроники и Математики

(Технический Университет)

Кафедра «Электроника и Электротехника»

Курсовая работа

на тему

«Расчёт характеристик КМОП транзистора»

Вариант №76

Выполнил

группа С-44

Руководитель

Москва 2011
Задание.

Дано: КМОП схема ИЛИ-НЕ.

Минимальный размер .

Толщина окисла .

Требуется:

1.  Описать принцип работы схемы.

2.  Выбрать и описать технологию изготовления схемы.

3.  Нарисовать топологию и разрез элементов схемы.

4.  Рассчитать параметры элементов схемы.

5.  С помощью программы Spice рассчитать:

a.  передаточную характеристику схемы: UВЫХ (UВХ); по ней – уровни логическогонуля (U0) и единицы (U1), запас помехоустойчивости;

b.  потребляемый ток: IПОТР (UВХ);

c.  переходную характеристику схемы: UВЫХ (t); по ней – времена задержек и фронтов переключения, максимальную рабочую частоту схемы (fmax);

d.  г. статическую и динамическую потребляемую мощность;

передаточную характеристику схемы;

переходную характеристику схемы;

статическую и динамическую мощности, потребляемые схемой.

6.  Нарисовать топологию всей схемы.

7.  Сравнить с аналогами, выпускаемыми промышленностью.

1. Принцип работы схемы.

Таблица истинности для логического элемента ИЛИ-НЕ:

0	0	1
0	1	0
1	0	0
1	1	0

В схеме транзисторы и - -канальные, и - -канальные. Все транзисторы имеют наведённые (индуцированные) каналы.

Уровень логического нуля для КМОП схем приблизительно равен нулю, а уровень логической единицы приблизительно равен :

Пусть на вход подается уровень логической единицы, тогда транзистор открывается, а запирается. Тогда на выходе получается логический ноль, независимо от того, что было подано на вход .

При подаче логической единицы на вход транзистор открывается, а запирается. Тогда, аналогично, на выходе получается логический ноль, независимо от того, что было подано на вход .

Если подаются нули на оба входа, то транзи­сторы и будут заперты, а транзисторы и – открыты. Тогда получается, что выход присоединен к питанию, и на выходе мы имеем уровень логической единицы.

2. Технология изготовления схемы.

В изготовлении КМОП - схем применяются технологии самосовмещенного кремниевого затвора и ионного внедрения. Технология самосовмещенного кремниевого затвора подразумевает, что на общей подложек формируются транзисторы с каналами -типа и -типа.

Методом фотолитографии из поликристаллического кремния формируют шины затвора шириной и проводники первого (если не считать диффузионных шин) слоя межэлементных соединений. Диффузия примесей, производимая после формирования дорожек из поликремния, приводит к формированию областей истоков и стоков и одновременно к легированию поликремния, что снижает его поверхностное сопротивление. Шины затвора из поликремния защищают при диффузии области каналов от проникновения акцепторной примеси, благодаря чему области истоков и стоков автоматически совмещаются с затвором и обеспечивают перекрытие затвором этих областей менее .

1. Первое окисление.

2. Первая фотолитография.

3. Диффузия бора (загонка).

4. Второе окисление. Разгонка бора.

5. Вторая фотолитография.

6. Диффузия бора (загонка).

7. Третье окисление. Разгонка бора.

8. Третья фотолитография.

9. Диффузия фосфора (загонка).

10. Четвертое окисление. Разгонка фосфора.

11. Четвертая фотолитография (под тонкий окисел).

12. Пятое окисление.

13. Осаждение поликремния.

14. Пятая фотолитография по поликремнию.

15. Шестая фотолитография (под контакты).

16. Осаждения алюминия (металлизация).

17. Седьмая фотолитография по алюминию.

3. Топология и разрез схемы.

4. Расчёт параметров элементов схемы.

Константы, используемые при расчётах.

- диэлектрическая проницаемость вакуума,

- диэлектрическая проницаемость кремния,

- диэлектрическая проницаемость оксида кремния,

- толщина тонкого окисла,

- температура транзистора,

- заряд электрона,

- собственная концентрация носителей в ,

- концентрация внедрённых в канал -канального КМОП - транзистора ионов,

- концентрация внедрённых в канал -канального КМОП - транзистора ионов,

- подвижность электронов вблизи поверхности,

- подвижность дырок вблизи поверхности,

- концентрация внедренных в затвор КМОП - транзистора ионов,

-плотность заряда на границе раздела .

Величины, зависящие от параметров схемы и используемые при расчётах.

Потенциал Ферми для -канального КМОП – транзистора.

Потенциал Ферми для -канального КМОП – транзистора.

Тепловой потенциал.

.

Разность работ выхода электронов из затвора и полупроводника подложки -канального КМОП – транзистора.

,

где - потенциал Ферми для затвора -канального КМОП - транзистора.

.

Разность работ выхода электронов из затвора и полупроводника подложки -канального КМОП – транзистора.

,

где - потенциал Ферми для затвора -канального КМОП – транзистора;

- потенциал Ферми для подложки -канального КМОП - транзистора.

.

Удельная ёмкость подзатворного диэлектрика.

.

Коэффициенты крутизны и размеров канала.

Крутизна -канального КМОП – транзистора.

.

Крутизна -канального КМОП – транзистора.

.

Размеры канала.

Для оптимальной работы схемы должно выполняться равенство:

,

где , - ширина и длина канала -канального КМОП – транзистора;

, - ширина и длина канала -канального КМОП – транзистора.

По условию минимальный размер .

Пусть , .

Тогда выразим и найдем из вышеуказанного равенства:

.

Пороговые напряжения.

Пороговое напряжение -канального КМОП – транзистора.

.

Пороговое напряжение -канального КМОП – транзистора.

.

Ёмкости -переходов.

Емкости -переходов исток-подложка и сток-подложка:

,

где - площадь -перехода (т. е. площадь донной части перехода сток-подложка и исток-подложка)

.

В программе P-Spice и .

,

где ;

Ёмкости -переходов -канального КМОПТа.

.

.

.

Ёмкости -переходов -канального КМОПТа.

.

.

.

Ёмкости перекрытия каналов.

Величины перекрытий затвор-сток и затвор-исток одинаковы и равны , поэтому соответствующие емкости будут одинаковы. Их можно вычислить по формуле:

Ёмкость перекрытия каналов -канального КМОП-транзистора:

Ёмкость перекрытия каналов p-канального КМОП-транзистора:

.

Ёмкости под затворами.

Эти удельные емкости перекрытия между затвором и подложкой на длину перекрытия (в P-Spice ) не оказывают на работу схемы значительного влияния и поэтому ими можно пренебречь:

.

Суммарная ёмкость.

Суммарная емкость – это алгебраическая сумма всех емкостей схемы (емкости двух -канальных транзисторов + емкости двух -канальных транзисторов + нагрузочная емкость).

– нагрузочная емкость, подключается к выходу схемы (в динамике).

В программе Spice .

.

5. Расчёт с помощью программы Spice.

Передаточная характеристика.

Текст входного файла.

Kurs peredatochnaya

Vpit 4 0 10

Vin

Vin

.model pm pmos (W=90u L=6u Vto=-1.48 level=3 kp=14.16u)

.model nm nmos (W=30u L=6u Vto=0.93 level=3 kp=42.48u)

Mppm

Mppm

Mnnm

Mnnm

.DC Vin

.PROBE

.END

График.

Логический перпад.

Порог переключения.

Помехоустойчивость по положительной помехе.

Помехоустойчивость по отрицательной помехе.

Общая помехоустойчивость (в процентах от )

.

Переходная характеристика.

Текст входного файла.

Perehodnaya

Vpit 4 0 10

Vin1 1 0 pulsen 100n 100n 125n 500n)

Vin

Cload 3 0 25p

.model nm nmos (W=30u L=6u Vto=0.93 level=3 kp=42.48u CBD=0.39e-13 CBS=0.39e-13 CGSO=2.124f CGDO=2.124f CGBO=0 Tox=50n UO=600 LD=0.1u)

.model pm pmos (W=90u L=6u Vto=-1.48 level=3 kp=14.16u CBD=0.35e-13 CBS=0.35e-13 CGSO=6.372f CGDO=6.372f CGBO=0 Tox=50n UO=200 LD=0.1u)

Mppm

Mppm

Mnl nm

Mnnm

.tran 0.01p 2u

.probe

.end

График.

Времена задержек.

Статическая и динамическая мощности, потребляемые схемой.

Статическая мощность.

, - входные токи потребления (при напряжениях на входе и соответственно).

Входные напряжения подаются на затворы транзисторов. Через затворы то­ки течь не могут, т. к. между затвором (проводником) и каналом лежит диэлек­трик, поэтому:

Тогда статическая мощность будет равна:

Динамическая мощность.

,

где - частота переключения, - суммарная емкость схемы.

.

Тогда динамическая мощность будет равна:

.

8. Сравнение с аналогами, выпускаемыми промышленностью.

Параметр	Спроектированная схема	Аналог К564ЛА7
Напряжение питания	10	10
Напряжение логической единицы	10	9.99
Напряжение логического нуля	0	0.01
Максимальный уровень положительной помехи	3.3	4.9
Помехоустойчивость , %	81	91
Среднее время задержки при емкости нагрузки	65	57,5
Максимальная входная частота	1.81	1.76

В данной курсовой работе была спроектирована схема логического элемента ИЛИ-НЕ на комплементарных МОП - транзисторах. Промышленный аналог данного элемента К564ЛА7. Спроектированная схема обладает лудшей помехозащищенностью, но имеет большее время задержки.

9. Литература.

1.  Элементы интегральных схем. М. 1989.

2.  У. Тилл, Дж. Лаксон. Интегральные схемы. Материалы, приборы, изготовление. М. 1985.

3.  , , и др. Ифровые интегральные микросхемы: Справочник. М., 1994.