Министерство Образования РФ
Московский Государственный институт электроники и
математики (технический университет)
Кафедра электроники и электротехники
КУРСОВАЯ РАБОТА
ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ЭЛЕКТРОНИКА»
Москва 2004
Задание на курсовую работу
КМОП схема И-НЕ
Минимальный размер 3 мкм,
Толщина окисла 60 нм
-
Описать принцип работы схемы.
-
Выбрать и описать технологию изготовления схемы.
-
Нарисовать топологию и разрез схемы.
-
Рассчитать параметры элементов схемы.
-
С помощью программы P-Spice рассчитать:
а) передаточную характеристику схемы;
б) переходную характеристику схемы;
в) статическую и динамическую мощности, потребляемые схемой.
-
Нарисовать топологию всей схемы.
-
Сравнить с аналогами выпускаемыми промышленностью.
Описание работы схемы
Данная схема реализует логическую операцию И-НЕ. Таблица истинности для данной операции следующая:
Таким образом, рассмотрим четыре возможных комбинации входных данных:
-
В данном случае транзистор с индуцированным n-каналом T4 будет закрыт, т.к. напряжение
UЗИ = UЗ – UИ = U0лог – U0лог= 0 < Uпор = 1.5, следовательно T3 тоже закрыт. А транзисторы с индуцированным p-каналом T1 и T2 открыты вследствие того, что UЗИ = UЗ – UИ = U0лог – Eпит < -Uпор = -1.5. Таким образом, выход будет закорочен на Eпит.
-
При таких входных данных транзистор с индуцированным n-каналом T4 будет открыт, вследствие того, что UЗИ = UЗ – UИ = =U1лог – U0лог > Uпор = 1.5. Но т.к. транзистор с индуцированным n-каналом T3 закрыт UЗИ = UЗ – UИ = U0лог – U0лог= 0 < Uпор = 1.5, следовательно транзистор T4 к выходу не подключён. Транзистор с индуцированным p-каналом T2 будет находится в закрытом состоянии, т.к.
UЗИ = UЗ – UИ = U1лог – Епит > -Uпор = -1.5. Транзистор Т1 будет в открытом состоянии, т.к. UЗИ = UЗ – UИ = U0лог – Епит < -Uпор = =-1.5. Т. е. Епит будет подключено к выходу схемы.
-
В этом случае транзистор Т4 будет закрыт UЗИ = UЗ – UИ = U0лог – U0лог=
=0 < Uпор = 1.5, а следовательно транзистор Т3 будет тоже закрыт. Т.е. выход не будет заземлён. Транзистор Т1 будет закрыт UЗИ = UЗ – UИ = U1лог – Епит > -Uпор =
=-1.5, но Т2 – открыт, т.к. UЗИ = UЗ – UИ = U0лог – Епит < -Uпор =-1.5. Таким образом, выход подключён к Епит.
-
При таких входных данных транзисторы с индуцированным p-каналом Т1 и Т2 будут закрыты, т.к. UЗИ = UЗ – Uи = U1лог – Епит > -Uпор = -1.5. А транзисторы с индуцированным n-каналом Т3 и Т4 будут открыты UЗИ = UЗ – UИ = U1лог – U0лог > >Uпор =1.5. Т.е. Выход будет подключён к земле.
Технология изготовления схемы
Для изготовления схемы используется технология изготовления КМОП с поликремневыми затворами, двумя отдельными карманами для p-канальных и
n-канальных транзисторов и изопланарной изоляцией.
1. Окисление кремниевой пластины n-типа 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, локальное травление кремния на глубину ? 2 – 3 мкм для формирования области изоляции и фотолитография областей под тонкий окисел. | |
7. Формирование толстого изолирующего и тонкого подзатворного окислов. | |
8. Удаление маски нитрида кремния, нанесение пленки поликристаллического кремния, толщиной 60нм. | |
9. Фотолитография для вскрытия окон под области стоков и истоков p-канальных транзисторов, внедрение бора во вскрытые области. | |
10. Фотолитография для вскрытия окон под области стоков и истоков n-канальных транзисторов, внедрение фосфора во вскрытые области. | |
11. Окисление, фотолитография для вскрытия окон под контакты к областям стоков и истоков, напыление пленки алюминия. | |
12. Фотолитография для разъединения контактов | |
Топология и разрез схемы
n-
металлизация
контакт
p+ область
n+ область
поликремневый затвор
подложка
Рис. 1. Топология схемы.
Рис. 2. Разрез схемы вдоль каналов транзисторов Т3 и Т4 (А-А)
Рис. 3. Разрез схемы вдоль каналов транзисторов Т1 и Т1 (Б-Б)
Расчёт параметров элементов схемы
Электрическая постоянная
Относительная диэлектрическая проницаемость SiO2
Подвижность носителей
Толщина окисла
Заряд электрона
Постоянная Больцмана
Относительная диэлектрическая проницаемость Si
Поверхностная плотность заряда
Концентрация примеси в подложке
Собственная концентрация носителей в полупроводнике
Нормальная температура
Напряжение на p-n-переходе
Длина перекрытия затвором области стока и истока
Глубина залегания областей стока и истока
Минимальный размер
Длина канала
Удельная ёмкость подзатворного диэлектрика
Коэффициент удельной крутизны транзистора
Ширина канала
Оптимальное соотношение параметров транзисторов
Поверхностный заряд на границе Si-SiO2
Уровень Ферми для транзистора
Заряд обеднённого слоя транзистора
Падение напряжения на слое окисла
Падение напряжения, компенсирующее
поверхностный заряд
Разность работы выхода электронов из
затвора и полупроводника подложки
Пороговое напряжение транзистора
Площадь p-n-перехода транзистора:
Ширина p-n-перехода
Ёмкости перехода подложка-сток,
подложка-исток
Удельная ёмкость перекрытия
затвор-исток, затвор-сток
Ёмкость затвор-подложка транзистора
Нагрузочная ёмкость
Паразитная ёмкость:
Расчёт в PSpice
Передаточная характеристика схемы
KP_77 KMOS_stat
Vpit 1 0 5V
Vin1 3 0 0V
Vin2 4 0 5V
Mn1 2 3 5 0 nch
Mn2 5 4 0 0 nch
.model nch nmos(W=120u L=6u Vto=1.173V level=1 kp=35.4u UO=600)
Mp1 1 3 2 1 pch
Mp2 1 4 2 1 pch
.model pch pmos(W=240u L=6u Vto=-1.173V level=1 kp=17.7u UO=300)
.dc Vin1 0 5 0.01
.probe
.end
Из передаточной характеристики однозначно определяются основные параметры логической схемы :
перепад (Uлог.).
; =5;
Найдем на передаточной характеристике точки, в которых производная равна 1, т.е. угол наклона касательной в этих точках равен 45°.
;
Переходная характеристика
KP_77 KMOS_din
Vpit 1 0 5V
Vin1 3 0 pulse(0 5 10n 50n 50n 80n 260n)
Vin2 4 0 5V
C1 2 0 20p
Mn1 2 3 5 0 nch
Mn2 5 4 0 0 nch
.model nch nmos(W=120u L=6u Vto=1.173V level=1 kp=35.4u +CBD=1.841E-13 CBS=1.841E-13 CGSO=7.08E-15 CGDO=7.08E-15 Tox=60n +LD=0.1um UO=600)
Mp1 1 3 2 1 pch
Mp2 1 4 2 1 pch
.model pch pmos(W=240u L=6u Vto=-1.173V level=1 kp=17.7u +CBD=2.173E-13 CBS=2.173E-13 CGSO=1.416E-14 CGDO=1.416E-14 +Tox=60n LD=0.1um UO=300)
.tran 10p 0.6u
.probe
.end
-
Длительность фронтов
-
Длительность задержек переключения
-
Длительность периода
T=260нс
Статическая и динамическая потребляемые мощности
Статическая мощность равна нулю, т. к. , а .
Динамическая мощность определяется выражением
Pд=2.22мВт
Сравнение с аналогами, выпускаемыми промышленностью
БМК К1515ХМ1
Параметр | Не менее | Не более | Данная схема |
Напряжение питания UCC, B, | 4.5 | 5.5 | 5 |
Выходное напряжение низкого уровня UOL, B | - | 0.4 | 0 |
Выходное напряжение высокого уровня UOН, B | 4 | - | 5 |
Среднее время задержки tзд, нс | - | 50 | 33,09 |
Максимальная входная частота fCC, МГц | - | 10 | 3,85 |
Помехоустойчивость, В | 1,35 | 2,475 | 2,26 |
Используемая литература:
1. В.Д. Разевиг, Применение программ P-CAD и PSpice для схемо-технического
моделирования на ПЭВМ. Выпуск 2, М., «Радио и связь», 1992.
2. Р. Кроуфорд, Схемные применения МОП-транзисторов,М., «МИР», 1970.
3. Пономарев М.Ф., Коноплев Б.Г. Конструирование и расчет микросхем и
микропроцессоров: Учеб. Пособие для вузов., М., Рапм и связь, 1986.