Fakultet elektrotehnike i računarstvaZavod za elektroniku, mikroelektroniku,
računalne i inteligentne sustave
Mikroelektronički sklopoviMikroelektronički sklopovi
Željko Butković
Komponente CMOS integriranih sklopovaKomponente CMOS integriranih sklopova
Komponente CMOS integriranih sklopova 2
Klasičan CMOS sklop Klasičan CMOS sklop
Komponente CMOS integriranih sklopova 3
Svojstva klasičnog CMOS sklopa Svojstva klasičnog CMOS sklopa
lokalna n–podloga
oksidna izolacija (LOCOS)
podešavanje napona praga ionskom implantacijom
kanala
polisilicijske upravljačke elektrode
Komponente CMOS integriranih sklopova 4
Submikrometarski CMOS sklop Submikrometarski CMOS sklop
Komponente CMOS integriranih sklopova 5
Svojstva sumikrometarskog CMOS sklopa Svojstva sumikrometarskog CMOS sklopa
plitka žljebna izolacija (engl. shallow trench isolation – STI)
n+ polisilicij nMOS tranzistora i p+ polisilicij pMOS tranzistora
dodatni slabo vodljivi slojevi uvoda i odvoda (engl. lightly
doped drain – LDD)
kontakti elektroda izvedeni sa slojem silicida
Komponente CMOS integriranih sklopova 6
Tehnološki proces Tehnološki proces
0,18 μm‑ski CMOS proces tvrtke TSMC
(Taiwan Semiconductor Manufacturing Corporation)
pod šifrom “tsmc-018-t29b_mm_non_epi”
Parametri procesa preuzeti su sa web stranice http://
www.mosis.org/
Komponente CMOS integriranih sklopova 7
MOS tranzistorStrujno‑naponske karakteristike MOS tranzistorStrujno‑naponske karakteristike
Područje zapiranja: za uGS < UGS0
iD = 0
Triodno područje: za uGS > UGS0
DSDSDS
GSGSD uuu
Uuki
1
20
koeficijent struje:
L
Wkk
ox
oxnoxn
t
εμCμk
jM yLL 2
Komponente CMOS integriranih sklopova 8
MOS tranzistorNapon praga MOS tranzistorNapon praga
uz napon podloge uBS = 0
ox
I
ox
SDbFBGS C
Q
C
QUU 00
0 2
ox
SSGSFB
C
QU
i
ABTb
n
NU ln BABSD dNqQ
u inverziji: b 20
02
AB
SiB
Nqd 00 2 ABSiSD NqQ
Komponente CMOS integriranih sklopova 9
MOS tranzistorNapon praga - utjecaj napona podloge MOS tranzistorNapon praga - utjecaj napona podloge
000
00 BSGSGS uUUox
ABSi
C
Nq 2
Komponente CMOS integriranih sklopova 10
MOS tranzistorZasićenje tranzistora s dugim kanalomMOS tranzistorZasićenje tranzistora s dugim kanalom
Područje zasićenja: za uDS > uGS UGS0
DSGSGSD uλUuk
i 12
20
Komponente CMOS integriranih sklopova 11
MOS tranzistorIzlazne karakteristike tranzistora s dugim kanalomMOS tranzistorIzlazne karakteristike tranzistora s dugim kanalom
5,1/ LW
μm 10ML
Komponente CMOS integriranih sklopova 12
MOS tranzistorDriftna brzina nosilacaMOS tranzistorDriftna brzina nosilaca
za
za
cds
cDS
nd
FFv
FFL
uv
aproksimacija:
Komponente CMOS integriranih sklopova 13
MOS tranzistorZasićenje tranzistora s kratkim kanalomMOS tranzistorZasićenje tranzistora s kratkim kanalom
Područje zasićenja brzine nosilaca: za uDS > UDSs
n
dscDSs
vLFLU
struja dovoda
DSDSs
GSGSoxds
DSDSs
DSsGSGSD
uU
UuWCv
uU
UUuki
12
12
0
2
0
Komponente CMOS integriranih sklopova 14
MOS tranzistorIzlazne karakteristike tranzistora s kratkim kanalomMOS tranzistorIzlazne karakteristike tranzistora s kratkim kanalom
μm 2,0ML
5,1/ LW
Komponente CMOS integriranih sklopova 15
MOS tranzistorUsporedba izlaznih karakteristikaMOS tranzistorUsporedba izlaznih karakteristika
za UDS UGS 1,8 V
ID 242 A ID 310 A
kratki kanaldugi kanal
Komponente CMOS integriranih sklopova 16
MOS tranzistorUsporedba prijenosnih karakteristikaMOS tranzistorUsporedba prijenosnih karakteristika
kratki kanaldugi kanal
Komponente CMOS integriranih sklopova 17
MOS tranzistorIzlazne karakteristike pMOS tranzistoraMOS tranzistorIzlazne karakteristike pMOS tranzistora
μm 2,0ML
5,1/ LW
Komponente CMOS integriranih sklopova 18
MOS tranzistorIzlazne karakteristike nMOS i pMOS tranzistoraMOS tranzistorIzlazne karakteristike nMOS i pMOS tranzistora
za |UDS | |UGS | 1,8 V
ID 119 A ID 242 A
pMOS tranzistornMOS tranzistor
Komponente CMOS integriranih sklopova 19
MOS tranzistorPodručje struje početka protjecanjaMOS tranzistorPodručje struje početka protjecanja
Za uGS > UGS0
T
DS
T
GSSD
U
u
Un
uIi exp1exp
Komponente CMOS integriranih sklopova 20
MOS tranzistorKapacitetiMOS tranzistorKapaciteti
MOS kapaciteti: CGS, CGB i CGD
Kapaciteti osiromašenih slojeva: CBS i CBD
Komponente CMOS integriranih sklopova 21
MOS tranzistorStrukturaMOS tranzistorStruktura
maksimalna vrijednost kapaciteta kanala
WLCC oxG
kapaciteti preklapanja
WCWyCCC joxGDGS 000
ukupni MOS kapaciteti
0GSGCSGS CCC
GCBGB CC
0GDGCDGD CCC
Komponente CMOS integriranih sklopova 22
MOS tranzistorRaspodjela kapaciteta kanalaMOS tranzistorRaspodjela kapaciteta kanala
uz UDS 0pri prijelazu iz triodnog područja u
područje zasićenja
Komponente CMOS integriranih sklopova 23
MOS tranzistorKapaciteti osiromašenih slojeva MOS tranzistorKapaciteti osiromašenih slojeva
Cjb - gustoće kapaciteta donjeg dijela pn spoja po jedinici površine
WLCWLCC SjwBSSjbBSBS 2
WLCWLCC DjwBDDjbBDBD 2
Cjw - gustoće kapaciteta bočnih stranica po jedinici dužine
mK
jj
Uu
CC
/10
u uBS za kapacitet CBS
u uBD za kapacitet CBD
Komponente CMOS integriranih sklopova 24
MOS tranzistorParametri kapacitivnog modelaMOS tranzistorParametri kapacitivnog modela
,oxC
2mfF/
,0C
mfF/
,0jbC
2mfF/
bm ,KbU
V
,0jwC
mfF/
wm ,KwU
V
nMOS 8,8 0,72 0,97 0,37 0,73 0,26 0,10 0,40
pMOS 8,8 0,68 1,2 0,42 0,86 0,21 0,27 0,64
za 0,18 μm‑ski CMOS proces
Komponente CMOS integriranih sklopova 25
MOS tranzistorSerijski otporiMOS tranzistorSerijski otpori
LRS i LRD - udaljenosti uvoda i odvoda do upravljačke elektrode
RSH - slojni otpor implantiranih područja uvoda i odvoda
SHRS
S RW
LR SH
RDD R
W
LR
za 0,18 μm‑ski CMOS proces: RSHn 6,7 /, RSHp 7,5 /
Komponente CMOS integriranih sklopova 26
MOS tranzistorPravila skaliranjaMOS tranzistorPravila skaliranja
Parametar Osnovni kriterij skaliranja
Opći kriterij skaliranja
Skaliranje sa stalnim naponom
W, L, oxt 1/s 1/s 1/s
DDU , 0GSU 1/s 1/u 1
F 1 s/u s
BN s us /2 2s
oxC , k s s s
DsI 1/s 1/u 1
dt 1/s 1/s 1/s
P 2/1 s 2/1 u 1
dtP 3/1 s )/(1 2us 1/s
Komponente CMOS integriranih sklopova 27
MOS tranzistorPrimjer skaliranjaMOS tranzistorPrimjer skaliranja
Komponente CMOS integriranih sklopova 28
MOS tranzistorPredvidiv razvoj CMOS sklopovaMOS tranzistorPredvidiv razvoj CMOS sklopova
Godina 2001 2003 2005 2007 2010 2013
ML , nm 90 65 45 35 25 18
oxt , nm 2,3 2,0 1,9 1,4 1,2 1,0
DDU , V 1,2 1,0 0,9 0,7 0,6 0,5
DnsI , nA/m 900 900 900 900 1200 1500
Komponente CMOS integriranih sklopova 29
MOS tranzistorSkaliranje – kratki kanalMOS tranzistorSkaliranje – kratki kanal
Napon praga se smanjuje sa skraćenjem kanala
Napon praga praktički se linearno smanjuje s porastom napona UDS
Komponente CMOS integriranih sklopova 30
MOS tranzistorSkaliranje – kratki kanalMOS tranzistorSkaliranje – kratki kanal
Napon praga povećava se sa suženjem kanala
Komponente CMOS integriranih sklopova 31
MOS tranzistorSPICEMOS tranzistorSPICE
SPICE (Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis) - program za električku analizu sklopova
PSpice - http://www.pspice.com/
unutar pragrama Microwind – http://www.microwind.org/
WinSpice - http://www.winspice.co.uk/
LTSpice/SwitcherCAD III - http://www.linear.com/software
Komponente CMOS integriranih sklopova 32
MOS tranzistorSPICE modeliMOS tranzistorSPICE modeli
Level 1 - klasični model MOS tranzistora s dugim kanalom
Level 2 - fizikalni model MOS tranzistora s kratkim kanalom
Level 3 – empirijski model MOS tranzistora s kratkim kanalom
BSIM (Berkeley Short‑Channel IGFET Model) - BSIM1, BSIM2,
BSIM3 i BSIM4, BSIMSOI
Komponente CMOS integriranih sklopova 33
MOS tranzistorBSIM3 i BSIM4 modeliMOS tranzistorBSIM3 i BSIM4 modeli
Svojstva: za sumikrometarske tranzistore, nekoliko stotina parametra, uz nominalne vrijednosti parametara ovisnosti o dimenzijama kanala, efekti kratkog kanala poput smanjenja pokretljivosti zbog vertikalnog polja
u kanalu, zasićenja brzine nosilaca, promjene napona praga s naponom odvoda, modulacije dužine kanala, struje podloge, struje početka protjecanja,
jedinstven izraz za struju odvoda u svim područjima rada.
Detaljniji opis modela: http://www-device.eecs.berkeley.edu/~bsim3/
Komponente CMOS integriranih sklopova 34
MOS tranzistorModel za digitalne sklopoveMOS tranzistorModel za digitalne sklopove
MOS tranzistor – radi kao sklopka
za uGS < UGS0 - sklopka je isključena
za uGS UGS0 - sklopka je uključena
Ruk – nadomjesni otpor iz izlaznih karakteristika tranzistora
Komponente CMOS integriranih sklopova 35
MOS tranzistorAnalitički model izlaznih karakteristikaMOS tranzistorAnalitički model izlaznih karakteristika
0Di
0
2min
min0 za 12 GSGSDS
DSDSGSGSD Uuu
uuUuki
DSsGSGSDSDS UUuuu , ,min 0min
za uGS < UGS0
za uGS ≥ UGS0
Komponente CMOS integriranih sklopova 36
MOS tranzistorParametri strujno-naponskih karakteristikaMOS tranzistorParametri strujno-naponskih karakteristika
,k 2A/V
,0GSU
V
, 1/2V
0 ,
V DSsU ,
V
, 1V
nMOS 342 0,47 0,40 0,80 0,35 0,09
pMOS 98,7 0,48 0,40 0,80 0,56 0,22
0,18 μm‑ski CMOS proces –
parametri za digitalne sklopove (LM 0,2 m)
Komponente CMOS integriranih sklopova 37
MOS tranzistorUsporedba realnih i aproksimiranih karakteristikaMOS tranzistorUsporedba realnih i aproksimiranih karakteristika
μm 2,0ML
5,1/ LW
Komponente CMOS integriranih sklopova 38
MOS tranzistorKapaciteti kanala – digitalni sklopMOS tranzistorKapaciteti kanala – digitalni sklop
Područje rada GCSC GCBC GCDC
zapiranje 0 GC 0
triodno 2GC 0 2GC
zasićenje GC32 0 0
prosječne vrijednosti
Komponente CMOS integriranih sklopova 39
MOS tranzistorKapaciteti osiromašenih slojeva – digitalni sklopMOS tranzistorKapaciteti osiromašenih slojeva – digitalni sklop
prosječna vrijednost kapaciteta
mK
jjj
UU
C
U
qC
/1d
d 0
m
K
jKj U
U
m
CUq
10 1
1
0
12
12jeq
jjj CK
UU
UqUqC
m
K
m
K
Keq U
U
U
U
UUm
UK
11
12
12
111
Komponente CMOS integriranih sklopova 40
MOS tranzistorTranzistori za analogne sklopoveMOS tranzistorTranzistori za analogne sklopove
izvode se s debljim oksidom radi većeg napona napajanja, izvode se s dužim kanalom radi većeg izlaznog otpora (LM 1 m),
rade u području zasićenja.
Analitički model izlaznih karakteristika
DSGSGSD uλUuk
i 12
20
000
00 BSGSGS uUU
Komponente CMOS integriranih sklopova 41
MOS tranzistorTranzitori za analogne sklopoveMOS tranzistorTranzitori za analogne sklopove
pMOS tranzistornMOS tranzistor
LM 1 m, W/L 1,5
Komponente CMOS integriranih sklopova 42
MOS tranzistorParametri strujno-naponskih karakteristikaMOS tranzistorParametri strujno-naponskih karakteristika
,k 2A/V
,0GSU
V
, 1/2V
0 ,
V
, 1V
nMOS 107 0,75 0,40 0,80 0,06
pMOS 30,9 0,75 0,40 0,80 0,03
0,18 μm‑ski CMOS proces –
parametri za analogne sklopove (LM 1 m)
2mfF/ 0,5 oxpoxn CC
Komponente CMOS integriranih sklopova 43
MOS tranzistorNadomjesni spoj za mali signal MOS tranzistorNadomjesni spoj za mali signal
Komponente CMOS integriranih sklopova 44
MOS tranzistorNiskofrekvencijski parametri MOS tranzistorNiskofrekvencijski parametri
DDSGSGSGS
Dm IkUUUk
u
ig 210
mBS
m
BS
GS
GS
D
BS
Dmb g
U
g
u
u
u
i
u
ig
0
0
0 2
DDS
d
D
ef
D
DSd IU
x
I
L
i
ur
1
d
d
Komponente CMOS integriranih sklopova 45
MOS tranzistorKapaciteti MOS tranzistorKapaciteti
WCWLCC oxgs 03
2 0gbC WCCgd 0
WLCWLCC SjwbsSjbbsbs 2
WLCWLCC DjwbdDjbbdbd 2
bmKB
jj
UU
CC
/1
0
Komponente CMOS integriranih sklopova 46
Bipolarni tranzistoriBipolarni tranzistori
Supstratni pnp tranzistor: emiter - p+ područje uvoda ili odvoda , baza - lokalna n‑podloga, kolektor - zajednička p‑podloga.
npn tranzistor: dodatne p‑bazne difuzije ili implantacije unutar lokalne n‑podloge, kolektor - lokalna n‑podloga, emiter – n+ područja uvoda ili odvoda.
Komponente CMOS integriranih sklopova 47
Otpornici Otpornici
Slojevi CMOS strukture:
(za 0,18 μm‑ski proces)
n+ sloj - 59 /, lokalna n‑podloga - 925 /, polisilicij - 337 /.
MOS tranzistori u triodnom području:
veći otpor, ali nelinearnost.
Komponente CMOS integriranih sklopova 48
Kondenzatori Kondenzatori
Kapacitet između dva polisilicijska sloja
MOS tranzistori s kratko spojenim uvodom i odvodom
Top Related