Расчетно-графическая работа. КМОП схема И-НЕ

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 1. Описать принцип работы схемы. 2. Выбрать и описать технологию изготовления схемы. 3. Нарисовать топологию и разрез схемы. 4. Рассчитать параметры элементов схемы. 5. С помощью программы P-Spice рассчитать а передаточную характеристику схемы б переходную характеристику схемы в статическую и динамическую мощности, потребляемые схемой. 6. Нарисовать топологию всей схемы. 7. Сравнить с аналогами выпускаемыми промышленностью. Описание работы схемы Данная схема реализует логическую операцию И-НЕ. Таблица истинности для данной операции следующая Вх1Вх2Вых001011101110 Таким образом, рассмотрим четыре возможных комбинации входных данных Вх1Вх2001. В данном случае транзистор с индуцированным n-каналом T4 будет закрыт, т.к. напряжение UЗИ UЗ UИ U0лог U0лог 0 lt 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 lt -Uпор -5. Таким образом, выход будет закорочен на Eпит. Вх1Вх2012. При таких входных данных транзистор с индуцированным n-каналом T4 будет открыт, вследствие того, что UЗИ UЗ UИ U1лог U0лог gt Uпор 1.5. Но т.к. транзистор с индуцированным n-каналом T3 закрыт UЗИ UЗ UИ U0лог U0лог 0 lt Uпор 1.5, следовательно транзистор T4 к выходу не подключ н. Транзистор с индуцированным p-каналом T2 будет находится в закрытом состоянии, т.к. UЗИ UЗ UИ U1лог Епит gt -Uпор -5. Транзистор Т1 будет в открытом состоянии, т.к. UЗИ UЗ UИ U0лог Епит lt -Uпор -1.5. Т. е. Епит будет подключено к выходу схемы. Вх1Вх2103. В этом случае транзистор Т4 будет закрыт UЗИ UЗ UИ U0лог U0лог 0 lt Uпор 1.5, а следовательно транзистор Т3 будет тоже закрыт.

Т.е. выход не будет заземл н. Транзистор Т1 будет закрыт UЗИ UЗ UИ U1лог Епит gt -Uпор -1.5, но Т2 открыт, т.к. UЗИ UЗ UИ U0лог Епит lt - Uпор -5. Таким образом, выход подключ н к Епит. Вх1Вх2114. При таких входных данных транзисторы с индуцированным p-каналом Т1 и Т2 будут закрыты, т.к. UЗИ UЗ Uи U1лог Епит gt -Uпор -5. А транзисторы с индуцированным n-каналом Т3 и Т4 будут открыты UЗИ UЗ UИ U1лог U0лог gt gt Uпор 1.5. Т.е. Выход будет подключ н 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. . 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 Расч т 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 мкость подзатворного диэлектрика Коэффициент удельной крутизны транзистора Ширина канала Оптимальное соотношение параметров транзисторов Поверхностный заряд на границе Si-SiO2 Уровень Ферми для транзистора Заряд обедн нного 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 мкости перехода подложка-сток, подложка-исток Удельная мкость перекрытия затвор-исток, затвор-сток мкость затвор-подложка транзистора Нагрузочная мкость Паразитная мкость Расч т 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 Уровни логического нуля , логической единицы и логический перепад Uлог 5 Порог переключения Vп 2.38 Запас помехоустойчивости 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 1. Длительность фронтов 2. Длительность задержек переключения 3. 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 ПараметрНе менееНе болееДанная схемаНапряжение питания UCC, B,4.55.55Выходное напряжение низкого уровня UOL, B-0.40Выходное напряжение высокого уровня UOН, B4-5Среднее время задержки tзд, нс-5033,09Максимальная входная частота fCC, МГц -103,85Помехоустойчивость, В1,352,4752,26 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.