Klasičan CMOS sklop

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


Svojstva klasičnog CMOS sklopa Svojstva klasičnog CMOS sklopa

lokalna n–podloga

oksidna izolacija (LOCOS)

podešavanje napona praga ionskom implantacijom

kanala

polisilicijske upravljačke elektrode


Submikrometarski CMOS sklop Submikrometarski CMOS sklop


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


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/


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


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


MOS tranzistorNapon praga - utjecaj napona podloge MOS tranzistorNapon praga - utjecaj napona podloge

000

00 BSGSGS uUUox

ABSi

C

Nq 2


MOS tranzistorZasićenje tranzistora s dugim kanalomMOS tranzistorZasićenje tranzistora s dugim kanalom

Područje zasićenja: za uDS > uGS UGS0

DSGSGSD uλUuk

i 12

20


MOS tranzistorIzlazne karakteristike tranzistora s dugim kanalomMOS tranzistorIzlazne karakteristike tranzistora s dugim kanalom

5,1/ LW

μm 10ML


MOS tranzistorDriftna brzina nosilacaMOS tranzistorDriftna brzina nosilaca

za

za

cds

cDS

nd

FFv

FFL

uv

aproksimacija:


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


MOS tranzistorIzlazne karakteristike tranzistora s kratkim kanalomMOS tranzistorIzlazne karakteristike tranzistora s kratkim kanalom

μm 2,0ML

5,1/ LW


MOS tranzistorUsporedba izlaznih karakteristikaMOS tranzistorUsporedba izlaznih karakteristika

za UDS UGS 1,8 V

ID 242 A ID 310 A

kratki kanaldugi kanal


MOS tranzistorUsporedba prijenosnih karakteristikaMOS tranzistorUsporedba prijenosnih karakteristika

kratki kanaldugi kanal


MOS tranzistorIzlazne karakteristike pMOS tranzistoraMOS tranzistorIzlazne karakteristike pMOS tranzistora

μm 2,0ML

5,1/ LW


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


MOS tranzistorPodručje struje početka protjecanjaMOS tranzistorPodručje struje početka protjecanja

Za uGS > UGS0

T

DS

T

GSSD

U

u

Un

uIi exp1exp


MOS tranzistorKapacitetiMOS tranzistorKapaciteti

MOS kapaciteti: CGS, CGB i CGD

Kapaciteti osiromašenih slojeva: CBS i CBD


MOS tranzistorStrukturaMOS tranzistorStruktura

maksimalna vrijednost kapaciteta kanala

WLCC oxG

kapaciteti preklapanja

WCWyCCC joxGDGS 000

ukupni MOS kapaciteti

0GSGCSGS CCC

GCBGB CC

0GDGCDGD CCC


MOS tranzistorRaspodjela kapaciteta kanalaMOS tranzistorRaspodjela kapaciteta kanala

uz UDS 0pri prijelazu iz triodnog područja u

područje zasićenja


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


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


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 /


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


MOS tranzistorPrimjer skaliranjaMOS tranzistorPrimjer skaliranja


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


MOS tranzistorSkaliranje – kratki kanalMOS tranzistorSkaliranje – kratki kanal

Napon praga se smanjuje sa skraćenjem kanala

Napon praga praktički se linearno smanjuje s porastom napona UDS


MOS tranzistorSkaliranje – kratki kanalMOS tranzistorSkaliranje – kratki kanal

Napon praga povećava se sa suženjem kanala


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


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


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/


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


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


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)


MOS tranzistorUsporedba realnih i aproksimiranih karakteristikaMOS tranzistorUsporedba realnih i aproksimiranih karakteristika

μm 2,0ML

5,1/ LW


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


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


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


MOS tranzistorTranzitori za analogne sklopoveMOS tranzistorTranzitori za analogne sklopove

pMOS tranzistornMOS tranzistor

LM 1 m, W/L 1,5


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


MOS tranzistorNadomjesni spoj za mali signal MOS tranzistorNadomjesni spoj za mali signal


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


MOS tranzistorKapaciteti MOS tranzistorKapaciteti

WCWLCC oxgs 03

2 0gbC WCCgd 0

WLCWLCC SjwbsSjbbsbs 2

WLCWLCC DjwbdDjbbdbd 2

bmKB

jj

UU

CC

/1

0


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.


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.


Kondenzatori Kondenzatori

Kapacitet između dva polisilicijska sloja

MOS tranzistori s kratko spojenim uvodom i odvodom

Documents

Klasičan CMOS sklop