Курсовая работа по дисциплине «Электроника и электротехника»

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Московский государственный институт электроники и математики

(Технический университет)

Кафедра электроники и электротехники

Курсовая работа

по дисциплине

«Электроника и электротехника»

Вариант № 59

Выполнила:

Свиридова А.А.

группа С-44
Преподаватель:

Самбурский Л.М.

Москва 2011

Задание на курсовую работу.

Описать принцип работы схемы.
Выбрать и описать технологию изготовления схемы.
Нарисовать топологию и разрез элементов 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.

Таблица истинности схемы
Вх 1	Вх 2	Вых
0	0	1
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Т_А – n-канальные транзисторы

Т_Н – p-канальные транзисторы

КМОП схема И-НЕ

минимальный размер 3 мкм

толщина окисла 60 нм
Принцип работы схемы.

Предположим, что на оба входа подано , тогда через два n-канальных транзистора Т_А1 и Т_А2 ток не протекает (на затворы поданы нули). Два p-канальных транзистора открыты (на затворы также поданы нули), следовательно выход подключен к питанию.

Пусть на первый вход подано , на второй - , тогда на затвор Т_Н1 подано , следовательно Т_Н1 – открыт, Т_А1 – закрыт; на затвор Т_А2 подано , следовательно Т_А2 – открыт, Т_Н2 – открыт, следовательно выход подключен к питанию.

Пусть на первый вход подано , на второй - , тогда на затворе Т_Н1 подано , следовательно Т_Н1 – закрыт, Т_А1 – открыт; на затворе Т_А2 подано , следовательно Т_А2 – закрыт, Т_Н2 – открыт, следовательно выход подключен к питанию.

Пусть на оба входа подано , тогда оба n-канальных транзистора открыты; на затворы p-канальных транзисторов подано высокое напряжение, следовательно они закрыты, следовательно выход подключен к земле.

Технология изготовления схемы
Технологический процесс для КМОП схемы.

1.Окисление кремниевой пластины 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 и локальное травление кремния на глубину 2-3 мкм для формирования области изоляции.

7. Формирование толстого изолирующего окисла.

8. Удаление маски нитрида кремния, нанесение пленки поликристаллического кремния.

9. Фотолитография для вскрытия окон под области истоков и стоков p-канальных транзисторов, внедрение бора во вскрытые области.

10. Фотолитография для вскрытия окон под области истоков и стоков n-канальных транзисторов, внедрение фосфора во вскрытые области.

11. Окисление, фотолитография для вскрытия окон под контакты к областям истоков и стоков, напыление пленки алюминия.

kurs_2_11

Окисление. Окисление – это технологический процесс, заключающийся в термическом выращивании слоя двуокиси кремня (весьма устойчивого изолятора) на поверхности кремниевых пластин. Этот процесс выращивания выполняется посредством нагрева кремниевых пластин до температуры около 1100^оС в обогащенной кислородом окружающей среде. Образовавшиеся слои окисла используются для защиты производимых микросхем от загрязнения и весьма часто используются интегральной технологии в процессе фотолитографии.
Фотолитография под p-карман. Фотолитографический процесс для производства интегральных микросхем начинается с рисунков на прозрачной пленке (обычно увеличенных в 400 раз по сравнению с окончательной микросхемой). Эти оригиналы определяют области, которые должны быть защищены с помощью кислотоустойчивой эмульсии. Оригиналы фотографируются, уменьшаются и многократно повторяются (мультиплицируются) на фотопластинке так, чтобы можно было изготовить одновременно сотни микросхем на одной кремниевой пластинке. Стеклянные негативы или фотошаблоны, получающиеся в результате фотолитографического процесса, используются при производстве интегральных схем на комплементарных МОП структурах. Фотошаблоны накладываются на кремниевые пластины, предварительно окисленные и покрытые слоем фоточувствительной эмульсии. Экспозиция ультрафиолетовым светом через маску вызывает полимериацию незащищенных областей эмульсии. После того, как неполимеризованная эмульсия будет химически растворена, полимеризованная эмульсия останется и защитит низлежащие области во время химического травления слоя окисла. Когда эмульсия, часто называемая фоторезистором, будет снята, в определенных местах кремниевой пластины останутся слои двуокиси кремния. Образование окон в слое окисла позволяет приступить к селективному легированию пластин в открытой трубе.
Легирование методом открытой трубы. При производстве интегральных схем на КМОП структурах требуется определенным образом расположить области n- и p-типов на кремниевой пластине. Это можно выполнить с помощью нагрева кремниевых пластин до 1100^оС в обогащенной легирующей примесью среде. Селективное легирование в желаемые области осуществляется через вытравленные в двуокиси кремния окна. Легирование оказывается селективным потому, что примесь диффундирует в кремний (через вытравленные окна) значительно легче, чем в слой окисла. Таким образом, в процессе легирования слой двуокиси кремния используется как высокотемпературная маска, несущая изображение исходных фотошаблонов. Высокотемпературная обогащенная легированной смесью среда позволяет создать n- и p- области, которые используются в качестве стоков и истоков КМОП транзисторов. Обычно после того, как селективная диффузия некоторого количества примеси в пластину проведена, примесь перераспределяется (разгоняется) для увеличения глубины залегания p-n перехода. Процесс разгонки состоит в нагревании кремниевых пластин в инертной среде. Этап легирования часто называется загонкой примеси. Загонка, сопровождаемая разгонкой, приводит к созданию стоков и истоков КМОП транзисторов с контролируемой степенью легирования и контролируемой глубиной залегания перехода.
Ионная имплантация. В процессе производства КМОП транзисторов требуется создать подложку n- типа, в которой будут размещены транзисторы с каналами p- типа, а также области подложки p- типа для размещения транзисторов с каналами n- типа. Для решения этой задачи применяется ионная имплантация. С ее помощью в кремниевой пластине n- типа создаются островки p- типа, которые используются в качестве подложки для n-канальных транзисторов. Ионная имплантация применяется на этом этапе потому, что концентрация легирующей области в p-области, расположенной непосредственно под электродом затвора МОП транзистора с каналом n-типа, играет существенную роль в формировании порогового напряжения. Сильное легирование в этой области повышает пороговое напряжение, а слабое снижает его. Главная причина применения ионной имплантации для решения этой критичной к легированию задачи состоит в способности метода достаточно точно воспроизводить концентрацию примеси. В основе ионной имплантации лежит ускорение ионизированного газа, состоящего из атомов легирующей смеси. В процессе работы ионы примеси ускоряются с помощью пары широко разнесенных электродов, к которым обычно прикладывается напряжение 10⁵ В. Ионы примеси набирают громадную скорость к тому моменту, когда они достигают пластинки электрода, притягивающего их. К этому электроду прикрепляется кремниевая пластина n-типа, подлежащая имплантации. Дозирование может осуществляться изменением ионного тока, который измеряется «условным» амперметром. Этот амперметр измеряет ток через источник высоковольтного напряжения.
Напыление. На пластинах с КМОП структурами могут быть созданы посредством напыления слои других материалов, отличных от двуокиси кремния. Обычно процесс напыления состоит в нанесении вещества, растворенного в вакуумной камере или распыленного химическим образом в высокотемпературном реакторе. Все интегральные микросхемы на КМОП структурах имеют металлические, обычно алюминиевые слои, служащие соединительными проводниками схемы. Эти слои обычно напыляются, и на одной из последних стадий производства микросхемы придается требуемый рисунок с помощью литографии.

Слои двуокиси кремния могут быть нанесены химическим способом при температурах значительно меньших 1000^оС, используемых при термическом окислении. В процессе химического напыления используется реакция обогащенного кремнием газа и кислорода. Эта реакция ускоряется благодаря высокой температуре пластины и приводит к напылению слоя окисла на ее поверхности. Полученные таким образом слои имеют худшие электрические свойства, чем слои, полученные при высокотемпературном окислении, но их тем не менее целесообразно использовать, когда число высокотемпературных этапов должно быть минимизировано.

Рассчёт параметров элементов схемы.

диэлектрическая проницаемость вакуума

диэлектрическая проницаемость Si

удельная ёмкость подзатворного диэлектрика

толщина окисла

диэлектрическая проницаемость SiO₂

потенциал Ферми для n-канального КМОП транзистора

потенциал Ферми для p-канального КМОП транзистора

тепловой потенциал

постоянная Больцмана

комнатная температура

заряд электрона

собственная концентрация носителей в Si

концентрация внедренных в канал

n-канального КМОП транзистора ионов

концентрация внедренных в канал

p-канального КМОП транзистора ионов

концентрация примесей в затворе

Расчет удельной емкости подзатворного диэлектрика, длины и ширины канала, удельного коэффициента крутизны.

-удельная ёмкость подзатворного диэлектрика

Коэффициент крутизны.

- подвижность электронов вблизи поверхности.

- подвижность дырок вблизи поверхности.

Размеры канала.
Для оптимальной работы схемы должно выполняться равенство:

- ширина и длина канала n-канального КМОП транзистора;

- ширина и длина канала p-канального КМОП транзистора.

Пусть

Тогда:

Расчет порогового напряжения 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.

- потенциал Ферми для затвора n-канального КМОП транзистора

- концентрация внедренных в затвор n-канального КМОП транзистора ионов

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

– удельная емкость подзатворного диэлектрика

U_пор вычисляется по формуле:

-напряжение Ферми

-тепловой потенциал

-концентрация примесей в подложке

-концентрация носителей в полном проводнике

-константная разность потенциалов, определяется разностью работ выхода

-плотность заряда при поверхностном слое кремния

величина заряда

-объемная концентрация этого заряда

-толщина обедненного слоя кремния

- концентрация примесей в подложке
=>

-коэффициент влияния подложки; «+» - для р-канала и «-» - для n-канала

-напряжение между подложкой и истоком

-заряд поверхностного слоя,

Расчет емкостей.
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= 2min = 6 мкм

W_n= 10min = 30 мкм

W_p=

где

концентрация внедренных в канал n-канального КМОП транзистора ионов.

концентрация внедренных в канал p-канального КМОП транзистора ионов.

(в программе P-Spice С_СП= CBD и С_ИП= CBS).

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

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

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

W_n= 30 мкм - длина области перекрытия (ширина канала) для n-канального КМОП транзистора;

W_p= 60 мкм - длина области перекрытия (ширина канала) для р-канального КМОП транзистора;

Емкость перекрытия каналов n-канального КМОП транзистора.

Емкость перекрытия каналов p-канального КМОП транзистора.

(в программе P-Spice С_ЗС = CGDO и C_ИЗ=CGSO).

Емкости под затворами.
Эти удельные емкости перекрытия между затвором и подложкой на длину перекрытия не оказывают на работу схемы значительного влияния и поэтому ими можно пренебречь:

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

(в программе P-Spice С_нагр = Cload).

Расчет с помощью программы P-Spice.
Обозначим элементы схемы и пронумеруем узлы:

kurs_5

Передаточная характеристика схемы
Kurs_59_1 CMOS_stat

VDC 1 0 10V

Vin1 3 0 0V

Vin2 4 0 10V

Mn1 2 3 5 0 nch

Mn2 5 4 0 0 nch

.model nch nmos(W=30u L=6u Vto=1.07V level=1 kp=23.6u)

Mp1 1 3 2 1 pch

Mp2 1 4 2 1 pch

.model pch pmos(W=60u L=6u Vto=-0.74V level=1 kp=11.8u)

.dc Vin1 0 10 0.01

.probe

.end

$c:\users\andrey\desktop\безымянный2.png$

Переходная характеристика схемы
Kurs_59_2 CMOS_dyn

VDC 1 0 10V

Vin1 3 0 pulse(0 10 10n 100n 100n 350n 750n)

Vin2 4 0 10V

C1 2 0 20p

Mn1 2 3 5 0 nch

Mn2 5 4 0 0 nch

.model nch nmos(W=30u L=6u Vto=1.07V level=1 kp=23.6u CBD=3.896E-14

+CBS=3.896E-14 CGSO=1.77E-15 CGDO=1.77E-15 Tox=60n LD=0.1um UO=400)

Mp1 1 3 2 1 pch

Mp2 1 4 2 1 pch

.model pch pmos(W=60u L=6u Vto=-0.74V level=1 kp=11.8u CBD=2.363E-14

+CBS=2.363E-14 CGSO=1.77E-15 CGDO=1.77E-15 Tox=60n LD=0.1um UO=200)

.tran 10p 0.9u

.probe

.end

$c:\users\andrey\desktop\ki.png$

$c:\users\andrey\desktop\топ1.png$

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

- входные токи потребления (при напряжениях на входе

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:

T =750нс

- частота переключения

- суммарная емкость схемы
Тогда динамическая мощность будет равна:

Сравнение с аналогами, выпускаемыми в промышленности.

Для сравнения возьмем интегральную схему К564ЛА7:

Параметр

Не менее

Не более

Данная схема

Напряжение питания Е_пит, В

9

11

10

, В

—

0,4

0

, В

8

—

10

Статический ток потребления I_П , мкА

—

0,009

0

Среднее время задержки t_ЗД, нc при емкости нагрузки С_нагр=50 Ф

—

50

57,5

Максимальная входная частота f_П, МГц

—

10

1,3

Помехоустойчивось U_П,

в процентах от Е_пит

70

—

80

Список использованной литературы.

Пономарев М.Ф., Коноплев Б.Г. Конструирование и расчет микросхем и микропроцессоров: Учеб. Пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1986. - 176с., ил
У. Тилл. Дж. Лаксон. Интегральные схемы. Материалы, приборы, изготовление. М.: Мир, 1985.

3. Р Маллер, Т. Кейминс. Элементы интегральных схем. М.: Мир, 1989.

4. Мальцев П.П., Долдзе Н.С., Критенко М.И. и др. Ифровые интегральные микросхемы: Справочник. М., 1994.

Параметр	Не менее	Не более	Данная схема
Напряжение питания Е_пит, В	9	11	10
, В	—	0,4	0
, В	8	—	10
Статический ток потребления I_П , мкА	—	0,009	0
Среднее время задержки t_ЗД, нc при емкости нагрузки С_нагр=50 Ф	—	50	57,5
Максимальная входная частота f_П, МГц	—	10	1,3
Помехоустойчивось U_П, в процентах от Е_пит	70	—	80