Proiect CEF

Hlgyes LszTSTC 4602ETAPA a I-a

1. Elemente de tehnologie de fabricaie i criterii de proiectare.

Tranzistoarele MOS (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) sunt dispozitive de conectare/deconectare folosite in circuitele integrate CMOS.Un circuit integrat CMOS tipic va fi compus din mai multe straturi individuale de siliciu si conductoare metalice. Fiecare strat este definit de structura lui proprie determinata de corpuri geometrice care sunt strategic amplasate pe alte straturi pentru a forma tranzistorul. Tranzistorul MOS sau extinzand la circuitul integrat, fizic, consta din zone difuzate de conductivitate p sau n incluse intrun substrat de siliciu, Si, intre care exista anumite conexiuni si la care, din exterior, se aplica tensiuni de polarizare. Pentru obtinerea acestor zone de conductivitate p sau n este necesar intai sa se realize ferestre pentru difuzie, in locurile respective, pe placheta de siliciu. Proiectarea consta intro serie de pasi ce trebuiesc urmati pentru a creea straturile pe un substrat de siliciu. Se pot distinge astfel opt etape: fabricarea plachetelor, oxidarea, depunerea de strat subtire, difuzia, implantarea ionica, corodarea, metalizarea, litografia.Dintr-un lingou de siliciu cu rezistivitatea de 10cm se taie discuri numite wafer cu grosimea in jur de 0.6 mm. Pe una din suprafetele waferului se realizeaza simultan un numar de zeci sau sute de circuite integrate identice, apoi prin taiere se obtin plachetele cu circuitul integrat. Urmatorul pas este oxidarea care poate fi de doua feluri: umeda si uscata. Dioxidul de siliciu (SiO2) este folosit la scala larga in circuitele integrate datorita proprietatilor si caracteristicilor ca dielectric. Dioxidul de silicu este folosit in MOSFET, si asigura izolarea dintre straturile conductoare. Exista doua cai in care oxizii sunt creati, prin "crestere termica" si CVD(chemical vapor deposition). In primul caz, oxizii folosesc atomi de siliciu din reactia de oxidare. Astfel rezulta dioxidul de siliciu la temperatura intre 900oC si 1100oC. IIn cazul CVD, oxizii sunt creati folosind reactii chimice cum ar fi combinarea monosilanului cu oxigenul , reactie ce are loc la temperatura de 1000oC.Tehnologia moderna MOS foloseste din ce in ce mai mult polisiliciu in straturi conductoare depozitate deasupra oxizilor. Circuitele VLSI folosesc implementari cu ioni pentru a creea regiuni dopate n sau p in substratul de siliciu. O regiune dopata reprezinta o sectiune in siliciu impurificata intentionat cu atomi pentru a altera proprietatile sale electrice. Atomii arsenic (As) si fosfor (P) sunt folositi pentru regiuni de tip n, unde exista un surplus de electroni. Atomii de bor (B) sunt folositi pentru reginui de tip p, unde exista un surplus de goluri. Astfel ionii dopanti sunt accelerati si lovesc stratul de siliciu conform figurii 1.2

Majoritatea interconectorilor sunt creati folosind straturi de metal sau aliaje. Initial s-a folosit aluminiul ca metal in realizarea FET-urilor datorita proprietatilor sale.Pentru fiecare strat, care se creaza pe pastila, trebuie realizat un sablon, o masca. Unul dintre procedeele de transfer al unei masti pe un strat al circuitului se numeste litografiere. Deoarece fiecare strat are propriile cerinte pentru transpunerea mastilor, secventa de litografiere trebuie repetata pentru fiecare strat, folosind o masca diferita. Un circuit integrat CMOS este alcatuit din mai multe tranzistoare MOS care sunt legate de conductori numiti interconectori. Exista doua tipuri de tranzistoare MOS utilizate in CMOS: tranzistoare MOS cu canal n si tranzistoare MOS cu canal p. La o prima vadere, cele doua sunt complementare din punct de vedere electric.Un circuit integrat de siliciu este fabricat pe un substrat care a fost dopat cu o polaritate data ( p sau n). Pentru a creea un circuit complementar care foloseste ambele tranzistoare, trebuie sa tinem cont de aceste polaritati. Cand tranzistoarele sunt fabricate pe substrat, ele trebiuesc sa fie izolate electric unele de altele. Cea mai utilizata metoda de izolare este oxidarea locala a siliciului (LOCOS) (Fig. 1.3) .Aceasta metoda presupune crearea unui strat de SiO2care iinconjoara fiecare tranzistor. Izolarea incepe prin oxidarea termala a substratului. Apoi intreaga suprafata este acoperita cu un polimer organic rezistent la acid dar sensibil la lumina numit fotorezist. Se expune fotorezistul la raze ultraviolete devenind solubil. Exista doua tipuri de fotorezist: negativ si pozitiv. Fotorezistul negativ este solubil si devine insolubil dupa ce este penetrat de lumina ultravioleta.Urmatorul pas este cresterea campului de oxid (FOX). O alternativa la metoda LOCOS este metoda de izolare "trench".

Exista trei procese de fabricare CMOS: cu insula n , cu insula p si cu fantani gemene (twin-well).Procesul CMOS cu insula n (Fig. 1.4) porneste de la un substrat de siliciu dopat moderat. Apoi, un strat initial de oxid este depus pe intreaga suprafata. Prima masca defineste regiunea insulei n.Atomii donori, sunt implantati prin aceasta fereastra din oxid. Odata creata insula de tip n, se pot defini regiunile active ale tranzistoarelor pMOS si nMOS. Stratul de polisiliciu este realizat folosind CVD. Astfel linile create vor functiona ca electrozi de poarta pentru tranzistoare, portile reprezentand masti pentru implantarea sursei si drenei. SiO2este depozitata pe intreaga capsula si sunt definite contactele pentru a expune ferestrele de contact. Acestea sunt necesare pentru completarea conexiunilor circuitului cu ajutorul stratului de metal (aluminiu). Acesta este depus pe intreaga suprafata iar linile metalice se modeleaza prin corodare. Procesul realizarii unui circuit integrat reprezinta defapt asezarea succesiva a formelor pe substrat prin utilizarea mastilor.

Fig. 1.4. Etapele realizarii unui tranzistor nMOS

Tehnologia twin-well face posibil controlul parametrilor tranzistoarelor in ambele tipuri. Substratul initial este unu de tip n sau p iar deasupra se afla un strat impurificat epitaxial. Acest strat reprezinta defapt locul unde se vor forma insulele de tip n si p. Pentru realizarea unui tranzistor pMOS se porneste de la un substrat de tip n; etapele proiectarii sunt identice cu cele ale tranzistorului nMOS cu deosebirea ca impuritatile utilizate in procesul de difuzie, pentru obtinerea zonelor dopate de tip p pentru drena si sursa sunt de tip acceptor (de exemplu Bor).Proiectarea unui circuit integrat (CI) poate sa fie separata de procesul de fabricatie a circuitului. Regulile de proiectare reprezinta defapt constrangeri impuse de procesul de fabricatie. Aceste reguli de proiectare a layout-ului sunt de doua feluri: micronice si pe baza de lambda(caracteristica de proces, dimensiunea minima garantata pe care o poate realiza acel proces). Acestea din urma reprezinta constrangerile referitoare la optenabilitatea dimensiunilor geometrice ca multiplu de. Exprimarea micronica a regulilor de proiectare se reduce la exprimari in valori absolute pentru dimensiunile layout-ului. Uneori cele doua modalitati de proiectare sunt mixate.Caracteristicile electrice ale tranzistoarelor sunt stabilite de un set complex de parametrii si sunt dependete in procesul fabricarii. Aceste dependente intre parametrii influenteaza performantele unei retele logice. Astfel se dau o serie de parametrii prestabiliti pentru tranzistoarele fabricate.

2. Simboluri

Fig 2.1 Structura simplificata a tranzistorului MOS

Fig. 2.2. Tranzistoare MOSFET si tipurile bipolare similare acestora.Tranzistoarele MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) sunt dipozitive electronice cu trei terminale active: poarta G , drena D si sursa S(Fig. 2.2 a). In plus, ele mai au un terminal, legat la substratul pe care a fost realizat tranzistorul, care trebuie mentinut la cel mai coborat (sau ridicat, dupa tipul tranzistorului) potential din circuit. Poarta este izolata cu un strat de oxid de siliciu, astfel incat curentul de poarta este practic nul (putand ajunge chiar la 1 pA) iar curentii de drena si sursa sunt practic egali. Functionarea tranzistorului se bazeaza pe controlul conductantei electrice a canalului intre drena si sursa, control efectuat prin tensiunea poarta-sursa.3. Zone de lucru si caracteristici specificeZonele de lucru ale tranzistorului MOS depind de structura fizica a aparatului. Ideea principala care sta la baza functionarii este implantul a doua zone dopate identic in aproprierea unei insule de substrat. Aceste doua zone dopate sunt conectate la terminalele de sursa si drena. Substratul poate fi de doua feluri, n si p , sau material insulator, depinzandde procesul tehnologic. Terminalul grila este separat de substrat printrun strat subtire de SiO2. Terminalul bulk este conectat direct la substrat. In continuare se vor exemlpifica zonele de lucru ale tranzistorului nMOS.O tensiune pozitiva aplicata intre grila si sursa respinge golurile din substrat sub grila. Daca VGSeste mai mare decat tensiunea de prag VTh, substratul de sub grila se polarizeaza invers si se creeaza un canal intre drena si sursa. Contactul dintre sarcinile de difuzie n si cele din substrat p formeaza o zona de gol care este distribuita in jurul drenei, sursei si in lungul canalului.Odata ce canalul a fost realizat, este nevoie de o tensiune drena-sursa pentru a accelera electronii catre drena. Curentul este mentinut prin injectare de electroni in canal prin partea sursei si eliminarea lor prin terminalul drenei.3.1 Zona de taiere.Daca tensiunea VGSeste mai mica decat tensiunea de prag necesara creeri canalului, curentul prin tranzistor este nul. In zona de taiere, tranzistorul functioneaza asemenea unui contact deschis cu rezistenta mare.3.2 Zona de trioda.Tranzistorul MOS functioneaza in aceasta zona cand VGSeste suficient de mare incat sa formeze canalul, dar VDSeste mai mica decat VDSsat. Conform figurii 3.1 se poate observa existenta contactului ohmic intre drena si sursa. Consideram VGS> VTh(tensiunea de prag) astfel incat suprafata de sub oxid este polarizata invers , VDS> 0 , ducand la aparitia unui curent de drift care va circula de la drena la sursa. Initial vom considera ca potentialul drena-sursa VDSeste suficient de mic incat atat tensiunea de prag cat si latimea stratului de goluri sunt constante. Trebuie calculata capacitatea C`ox.Diferenta de potential dintre grila si canal este VGS- V(y), unde V(y) reprezinta potentialul din figura 3.1.Sarcina / unitatea de arie in stratul polarizat invers este data de relatia:

Sarcina Q`beste data de relatia:

Fig. 3.1 Sectiune tranzversala a unui tranzistor nMOS in zona de triodaSarcina totala din canal, pentru conductia curentului intre drena si sursa este data de diferenta ultimelor doua ecuatii si se poate scrie :(1), unde Q`1reprezinta sarcina in canalul polarizat invers.Rezistenta diferentiala a zonei canalului cu o lungime de dy si latime W este data de relatia:, unde n[cm2/ Vsec] reprezinta mobilitatea medie a electronilor prin canal;si inlocuind in relatia (1) obtinem(2)Definim transconductanta tranzistorului MOS ca fiind (pentru un trnazistor cu canal n ) :

Astfel curentul poate fi obtinut prin integrarea ecuatiei (2) in partea stanga de la 0 la L si partea dreapta de la 0 la VDS:saupentru VGSVThsi VDSVGS- VTh(3)Aceasta ecuatie este adevarata pentru tranzistorul MOS in zona de trioda. Acesta este cazul in care canalul indus se extinde de la sursa la drena. Continuand putem rescrie ecuatia de mai sus folosind urmatoarea ecuatie :sauPentru tranzistorul pMOS avem urmatoarea ecuatie:pentru VSGVThsi VSDVSG- VTh3.3 Zona de saturatieFig. 3.2 Sectiune tranzversala a unui tranzistor nMOS in zona de saturatie

Tensiunea VDSeste mereu mai mica decat VGS- VThastfel ca in niciun punct din canal sarcina este zero. CandVDS= VGS- VTh, sarcina de sub grila devine zero. Aceasta tensiune dintre drena si sursa o numim tensiune de saturatie VDS,satsi indica momentul cand sarcina este taiata la suprafata canalului dintre drena si sursa. In plus, crescand tensiunea VDSnu creste si curentul de drena. Daca aceasta tensiune creste pana cand zona de goluri dintre drena si sursa se extinde, tranzistorul se numeste "punched through".In aceste conditii pot circula numai curenti foarte mari ducand la deteriorarea aparatului. Tensiunea maxima care poate fi aplicata intre drena si sursa unui tranzistor MOS este data de tensiunea "punchthrough" .Pentru lungimi de canale lungi, tensiunea maxima dintre drena si sursa este data de o tensiune de prabusire a drenei.Cand tranzistorul lucreaza incanalul PINCHED-OFFadica VDSVGS- VThspunem ca lucreaza in saturatie. Inlocuind VDS,satin ecuatia (3) vom obtine capentru VDSVGSsi VGSVThPrelucrand ecuatia de mai sus obtinemAstfel, cu cat latimea stratului de goluri creste o data cu tensiunea VDS, cu atat va creste si curentul. Acest efect se numeste modularea lungimii canalului. Pentru a determina schimbarea ce are loc la iesirea curentului derivam ecuatia precedenta cu VDSsi obtinem :undesi se numeste parametru de modelare a lungimii canalului si poate varia de la 0.01 la 0.1;In final,

Caracteristica I/V :

4. Modelul de semnal mic in zona de saturatie si zona de trioda. Schema . Parametrii. LegiModul de semnal mic al tranzistoarelor este adesea folosit pentru a determina comportamentul si geometria tranzistoarelor. Avantajul acestei analize asupra analizei de semnal mare este liniaritatea care ajuta la modelarea tranzistorului cu surse controlate si elemente pasive simple. In figura 4.1,aplicand o tensiune AC, vgs, curentul de drena se modifica. Initial presupunem ca VGS>>vgs( semnalul alternativ este mai mic decat cel continuu). In zona de saturatieVDSVGS- VThiar curentul total (AC+DC) este dat de relatia:iD=id+ ID=Transconductanta gmeste calculata conform:

Fig. 4.1

Fig. 4.2 Modelul de semnal mic pentru tranzistorul MOS

In continuare vom examina cum transconductanta influenteaza nivelele de semnal. Cand vgsdevine comparabila in amplitudine cu VGS, variatia transconductantei poate fi observata in castigul amplificatorului. Tensiunea drena-sursa poate influenta si ea transconductanta. Daca tensiunea AC este suficient de mica incat vgs depinde de modelul tranzistorului folosit. Modelele sunt selectate de specificatiaLevel = Nfolosita intre < > , iar N este predefinit sa faca referinta catre un set particular de valori si ecuatii. Exita trei valori ale lui N( Level = 1 , 2 , 3 ).Modul de tratare SPICE pentru capacitatile parazite. Intrucat programul in sine realizeaza o analiza transient (in timp), incrementand variabila timp, capacitatile neliniare sunt usor de inclus in calcule. Valorile "zero-bias" sunt date de CJ , CJSW, CGBO, CGDO si CGSO. Parametrii de gradare MJ si MJSW pot fi modificati in functie de profilul modelului. Informatii despre arie si perimetru sunt incluse in descrierea dispozitivului folosind AD, AS, PD si PS .Pentru calcularea tensiunii de prag avem urmatorii parametrii in SPICE:SimbolNumeDescriereDefaultTyp.Unitate de masura

VTHN0VTOTensiunea de prag1.00.8V

GAMMAParametrul boddy-effect00.4V1/2

2|F|PHIPotentialul suprafata-bulk0.650.58V

NANSUBSubstratul dopat01E15cm-3

Q`ss/ qNSSDensitatea suprafetei01E10cm-2

TPGTipul grilei11

Pentru calcularea transconductantei avem urmatorii parametrii in SPICE:SimbolNumeDescriereDefaultTyp.Unitate de masura

KPKPTransconductanta20E-650E-6A/V2

toxTOXGrosimea grila-oxid1E-740E-9m

LambdaLungimea canalului00.01V-1

LDLDDifuzia laterala02.5E-7m

n,pUOMobilitatea suprafetei600580cm2/Vs

Etapa a II-a

1.S se determine regimul de funcionare al tranzistorului nMOS cunoscnd Vtn = 0.5V .

VGS = 1.2V-1.3V=-0.1VVDS = 3.8V-1.3V=2.5VVGS < VDS+Vtn-0.1V < 2.5V+0.5V-0.1V < 3V SATURATIE

V1=1.2VV2=3.8VV3=1.3V

2. S se determine regimul de funcionare al tranzistorului pMOS cunoscnd Vtp=-0.5V.

VGS = -0.7V-4V=-4.7V-6.8V+0.5V-4.7V>-6.3V SATURATIE

V1=-0.7VV2=4VV3=-2.8V

3. S se calculeze PSF pentru nMOS pentru parametrii RD=8.5k, Kn=50A/V2, Vtn=1.3V i W/L=5 cunoscui.Presupunem ca lucreaza in saturatie:ID=Kn* W/L*(VGS-Vtn)2ID=0.05*5*(1.1-1.3)2ID=0.25*0.04=0.01AID=10 AVD= VDS=2.8V-8.5*0.01VDS=2.715 VVGS < VDS-Vtn1.1V1.068V+0.3V1.3V>1.098V SATURATIE

V1=1.3VV2=3RS=1.4k

5. S se calculeze valoarea rezistenei RD a.. tanzistorul s lucreze la limita de saturaie, cunoscnd Kn=50A/V2, Vtn=0.7V i W/L=3.5 .

ID=Kn* W/L*(VGS-Vtp)2ID=50A*3.5*(0.6-0.7)2ID=175*0.01=1.75A ID=0.0175AVGS =VDS+Vtn la limita saturatieiVDS= VGS-VtnVDS = 0.6-0.7=-0.1RD= = = 1771.42kV1=0.6VV2=3VRD=?

6. S se calculeze regimul de funcionare pentru nMOS pentru parametrii R1=25, R2=45, V1=5V i Vtn=1.1V cunoscui.

VG=VR2= *V1VGS= *5 = 3.21VVDS= 5VVGS