Московский государственный институт электроники и математики

(Технический университет)

Кафедра электроники и электротехники

Курсовая работа
по дисциплине

«Электроника и электротехника»

Вариант №40

Выполнил студент

группы С-44

Колесов Сергей

Руководитель: Самбурский Л.М.

Москва 2011

Задание

Описать принцип работы схемы

Выбрать и описать технологию изготовления схемы

Нарисовать структуру транзистора

Рассчитать параметры элементов схемы

С помощью SPICE рассчитать:

• 
  передаточную характеристику схемы: U_вых(U_вх); по ней — уровни логического нуля (U₀) и единицы (U₁), запас помехоустойчивости
  
• 
  потребляемый ток I_пот(U_вх)
  
• 
  передаточную характеристику схемы: U_вых(t); по ней — времена задержек и фронтов переключения, максимальную рабочую частоту схемы (f_max)
  
• 
  статическую и динамическую потребляемую мощность
  

Нарисовать топологию всей схемы (в масштабе)

Сравнить с аналогами, выпускаемыми промышленностью (из справочника)

Схема инвертора на КМОП транзисторах

Таблица истинности
Вход	Выход
0	1
1	0

Минимальный размер 3 мкм, толщина окисла 50 нм.

1. Принцип работы схемы

Пусть следовательно n-канальный ,тогда следовательно p-канальный открыт и работает в крутой области выходной характеристики, то .

Пусть растет, когда , открывается и в схеме начинает течь ток.

Пусть , тогда - открыт , - закрыт ,если и- что тоже самое.

Когда достигает транзистор ,запирается и устанавливается .

2. Технология изготовления

• 
  Окисление кремниевой пластины n-типа;
  

• 
  Фотолитография для вскрытия окон под диффузию примеси p-типа и формирования областей размещения n-канальных транзисторов;
  

• 
  Ионное внедрение бора во вскрытые области, окисление и одновременная разгонка бора;
  

• 
  Фотолитография для вскрытия окон под области n-канальных транзисторов, диффузионных шин и охранных колец;
  

• 
  Формирование подзатворного окисла кремния;
  

• 
  Нанесение пленки поликристаллического кремния и фотолитография по поликристаллическому кремнию для формирования кремневых затворов и шин:
  

• 
  Фотолитография для вскрытия окон под легирование областей стоков, истоков p-канальных транзисторов, p-шин и p-охранных колец и проведение загонки бора ионным легированием, затем фотолитография для вскрытия окон под легирование областей стоков, истоков n-канальных транзисторов, n-шин и n-охранных колец и проведение загонки фосфора ионным легированием;
  

• 
  Окисление и одновременная разгонка примесей в ионно-легированных слоях;
  

• 
  Нанесение фосфоросиликатного стекла (межслойная изоляция);
  

• 
  Вскрытие окон под контакты методом фотолитографии;
  

• 
  Напыление алюминия и фотолитография для формирования металлических проводящих дорожек, перемычек на затворы и контактных площадок.
  

3. Константы:

- диэлектрическая проницаемость вакуума

- диэлектрическая проницаемость кремния

- удельная ёмкость подзатворного диэлектрика

- толщина окисла

- диэлектрическая проницаемость окисла SiO₂

- потенциал Ферми для n-канального КМОП-транзистора



- тепловой потенциал

- постоянная Больцмана



- заряд электрона

- собственная концентрация носителей в Si

- концентрация внедренных в канал n-канального КМОП - транзистора ионов

- потенциал Ферми для p-канального КМОП - транзистора
N_An = 2*10¹⁶см^-3 - концентрация внедренных в n канальный транзистор ионов

N_Ap = 2*10¹⁵см^-3 - концентрация внедренных в p канальный транзистор ионов

L_мин = 3 мкм - минимальный размер

U = 10В - рабочее напряжение

µ_ns = 400 см²/В*с - подвижность электронов

µ_ps = 200 см²/В*с - подвижность дырок

LAMBDA = 0,1

GAMMA=

4. Расчеты

4.1 Расчет удельной емкости подзатворного диэлектрика, коэффициентов крутизны и размеров канала.

Определим удельную емкость подзатворного диэлектрика - C₀

Определим крутизну n-канального КМОП-транзистора:

, где - подвижность электронов вблизи поверхности.

Определим крутизну р-канального КМОП-транзистора:

, где - подвижность дырок вблизи поверхности.

Определим размеры канала:

Для оптимальной работы схемы должно выполняться равенство:

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

, - ширина и длина канала p-канального КМОП-транзистора;

Пусть

Тогда

4.2 Расчет порогового напряжение n-канального КМОП-транзистора.

U_пор-n вычисляется по формуле:



- потенциал Ферми для n-канального КМОП-транзистора.

- разность работ выхода электронов из затвора и полупроводника подложки n-канального КМОП-транзистора.



- концентрация внедренных в затвор n-канального КМОП-транзистора ионов


-плотность заряда на границе раздела Si - SiO₂ для структуры кремния;


4.3 Расчет порогового напряжения p-канального КМОП-транзистора.

U_пор-p вычисляется по формуле:



- потенциал Ферми для p-канального КМОП-транзистора

- разность работ выхода электронов из затвора и полупроводника подложки p-канального КМОП-транзистора:






4.4 Расчет емкостей.

4.4.1 Емкости р-п переходов.

Емкости p-n-переходов исток-подложка и сток-подложка:

S_pn - площадь р-n перехода (т.е. площадь донной части перехода сток-подложка и исток-подложка)

L = 6 мкм,

W_n = 60 мкм,

W_p = 119,58 мкм,

x_j = 1 мкм.

где ;

Емкости p-n-переходов n-канального КМОП-транзистора:






Рассчитаем емкость p-n переходов p-канального КМОП-транзистора:







4.4.2 Емкости перекрытия каналов.

Величины перекрытий затвор-сток и затвор-исток одинаковы и равны d_пер = 0,1мкм,

поэтому соответствующие емкости будут одинаковы. Их можно вычислить по формуле:

, где удельная емкость подзатворного диэлектрика

Емкость перекрытия каналов n-канального КМОП-транзистора:

Емкость перекрытия каналов p-канального КМОП-транзистора:

4.4.3 Емкости под затворами.

Эти удельные емкости перекрытия между затвором и подложкой на длину перекрытия не оказывают на работу схемы влияния и поэтому мы ими пренебрегаем:

4.4.4 Суммарная емкость.

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

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

С_нагр=50 пФ.

5. Расчеты в SPICE
VE 1 0 10V

Vin 2 0 10V

MTp 4 2 1 1 pch

.model pch pmos (W=120u L=6u Vto=-0.85 kp=14.2u CBD=4.6E-14 CBS=4.6E-14 CGSO=7.08E-11 CGDO=7.08E-11 CGBO=0 Tox=50n LD=0.1um GAMMA=0.01 LAMBDA=0.1)

MTn 4 2 0 0 nch

.model nch nmos (W=60u L=6u Vto=0.93 kp=28.4u CBD=8.027E-14 CBS=8.027E-14 CGSO=7.08E-11 CGDO=7.08E-11 CGBO=0 Tox=50n LD=0.1um GAMMA=0.01 LAMBDA=0.1)

.dc Vin 0 10 0.01

.probe

.end
График см. приложение 1







ширина зоны неопределенности

помехоустойчивость по положительной помехе

помехоустойчивость по отрицательной помехе

Порог переключения.

VE 1 0 10V

Vin 2 0 pulse(0 10 0n 2n 2n 3n 10n)

MTp 4 2 1 1 pch

.model pch pmos (LEVEL=3 W=120u L=6u Vto=-0.85 kp=14.2u CBD=4.6E-14 CBS=4.6E-14 CGSO=7.08E-11 CGDO=7.08E-11 CGBO=0 Tox=50n LD=0.1um GAMMA=0.01 LAMBDA=0.1)

MTn 4 2 0 0 nch

.model nch nmos (LEVEL=3 W=60u L=6u Vto=0.93 kp=28.4u CBD=8.027E-14 CBS=8.027E-14 CGSO=7.08E-11 CGDO=7.08E-11 CGBO=0 Tox=50n LD=0.1um GAMMA=0.01 LAMBDA=0.1)

MTp2 5 4 1 1 pch

MTn2 5 4 0 0 nch

MTp3 6 5 1 1 pch

MTn3 6 5 0 0 nch

.tran 10p 0.012u

.probe

.end

График см. приложение 2
По полученным характеристикам находим временные интервалы:



Статическая и динамическая мощности, потребляемые схемой
Статическая мощность определяется выражением:



, - 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 определяется выражением:



- максимальная частота

ГГц

- суммарная емкость схемы
Тогда динамическая мощность будет равна:

6. Топология

Вход

n-подложка

Выход

Eпит

Земля

Диффузионные области истока/стока

p-канального

МОП-транзистора

Диффузионные области истока/стока

n-канального

МОП-транзистора

p-карман




7. Сравнение с аналогами, выпускаемыми в промышленности.

Для сравнения возьмем интегральную схему К564ЛН1:

Параметр	К564ЛН1	Данная схема
Напряжение питания Епит , В	-0,5...+18	10
, В	0	0
, В	Епит	10
Статический ток потребления IП , мкА	0,02	0
Среднее время задержки tЗД, нc при емкости нагрузки Снагр=50 пФ		0,765
Максимальная входная частота fП,		0,1ГГц
Уровень помехи	≈3	4
Мощность, Вт	0,2	0,5028

Список литературы

1. 
   Конструирование и технология микросхем. Курсовое проектирование: Учеб. пособие для вузов по спец. «Конструирование и производство радиоаппаратуры» и «Конструирование и производство электронно-вычислительной аппаратуры» /Коледов Л.А., Волков В.А., Докучаев Н.И. и др.; Под редакцией Л.А. Коледова. – М.: Высш. шк., 1984. 231 с., ил.
   
2. 
   Андрей Строганов. «Проектирование топологии КМОП заказных БИС». Журнал «Компоненты и технологии» №3 2007 г.
   
3. 
   Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учеб. пособие для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Лаборатория базовых знаний, 2001. – 488с.: ил.
   
4. 
   Электронный справочник по цифровым логическим микросхемам, изготовленных по КМОП и БИМОП технологиям
   
5. 
   Методическое пособие к выполнению курсового проекта по дисциплине «Электроника и электротехника». Рябов Н.И. 2009 г.