MODEL COMPACT PENTRU TRANZISTOARE MOS SUBMICRONICE PENTRU APLICATII ANALOGICE Gheorghe Brezeanu, Andrei Sevcenco Facultatea de Electronica, Telecomunicatii şi Tehnologia Informației Universitatea POLITEHNICA Bucuresti
Cuprins Evolutia tehnologiei CMOS Saturatia vitezei. Degradarea mobilitatii Model compact al tranzistorului MOS Comparatii model date experimentale Concluzii
Microelectronica Tranzistorul bipolar începutul microelectronicii Descoperire importanta a sec. 0 Dec. 1947 patent-tranz.cu contact punctiform-amplificator Sept. 1951, tranzistorul cu joncţiuni
Circuite Integrate- aplicaţii Impactul industriei semiconductoare este uriaş în multiple domenii: PC/ laptopuri Carduri Comunicaţii / telefonie mobilă Multimedia( tv, jurnale electronice) Sisteme audio & video portabile Electronică medicală Electronică auto GPS Global Positioning System Aplicaţii militare Explorarea spaţiului
1959- primul TB planar Diametru -30 inch Dimensiunea minimă-3 inch 196 primul CI Produs de Fairchild 4 tranzistoare + 6 rezistoare 6 fire de conexiune Încapsulat în TO5 1965- Micrologic circuit Produs de Fairchild 50 componente Inceputul CI
Scalarea lungimii canalului Dimensiuni nanometrice Tehnologii CMOS ani rata de innoire Circuite LSI digitale
Scalarea lungimii canalului Previziuni Nanofire Conexiuni optice Litografie computationala
INTEL - Evolutia microprocesoarelor Multi -cores
Microelectronica Preţul unui tranzistor din CI echivalează azi costul tipăririi unui caracter (literă) într-o publicaţie oarecare; Acum o memorie DRAM de 4MB si 4milioane de tranzistoare costă mai puţin decât un tranzistor în 1960; Nr. de caractere din toate tipăriturile depăşeşte cu doar un ordin de mărime nr. de tranzistoare incluse în CI fabricate până în prezent.
nmos Structura tridimensionala
nmos Efecte de canal scurt E y y+dy Ex ξ x - campul transversal - degradarea mobilitatii ξ - campul longitudinal saturatia vitezei
ξ x ( y) Degradarea mobilitatii + ( y) O T cs 6t ox µ 0 µ ( y) = ξx 1 ( y + ) ξ x, c - campul electric transversal ξ x, C = 1.5 µ m O = GS T T t ox - campul transversal critic - tensiunea de comandă efectivă - tensiunea de prag - grosimea oxidului de poartă
Saturatia vitezei v( y) = µ ξ( y) ( α ( ) ) 1 1 + ξ( y) ξc α v( y) cs ξ ( y) = L ξ C = 1.5 µ m α = 1/ α = - viteza purtatorilor mobili în canal - campul electric vertical/longitudinal - campul (vertical)critic - pt. goluri(p- MOS)/electroni(n -MOS)
MOS regiuni de funcţionare
Modelarea in inversie puternica(1) I = Wv( y) Q ( y) D I ( ) Q ( y) = C ( y) I ox GS T cs C ox - Sarcina purtatorilor mobili din canal - Capacitatea oxidului de poarta d µ ( y) dy I D = W [ C ox ( GS T cs ( y ))] α 1/ α 1/ α cs dcs 1 + ξc dy α d ( y) L cs DS O cs I 1 0 D + ξ c dy WCox 0 d 0 cs dy = µ O + T cs ( y) 1+ GS, C
Modelarea in inversie puternica () W 1 I = µ C + ( + ) ln 1 1+ DS D 0 ox GS, C DS GS, C GS, C T L DS O + T + GS, C DS, C DS, C = alξ = 6ξ t GS, C x, c ox c - Tensiunea de drenă critică - Tensiunea de poarta critică x ln ( 1 + x) x pt. x << 1 W 1 1 1 DS I µ D 0C L ox O DS O + T DS 1 1 O + + 1+ GS, C DS, C T + GS. C
MOS regiuni de funcţionare
µ 0 µ eff = T 1+ O Curentul de drena in zona de trioda W 1 1 I µ C L + DS 1+ GS, C = Modelul nou DS, C ( ) 1 D eff ox O O DS DS T O + 1 ( 1+ O ) GS, C Modelul clasic = << O GS T GS, C DS << DS, C - Mobilitatea efectivă la campuri longitudinale mici - Tensiunea de comanda efectiva normata - Efectul campului transversal-neglijabil - Efectul campului longitudinal-neglijabil 1 I W D 0Cox O DS DS L µ
Curentul de drena in zona activa (1) Modelul nou 1 W DS, act D = µ eff ox. DS, act = D, C L DS, C I C I O DS, act = DS, C 1+ ( 1+ O ) 1 DS, C 1 W I C L µ - tensiunea de drena la limita intre zona de trioda si zona activa = µ - curentul de drena critic D, C eff ox. DS, C = Modelul clasic ( O = GS T << GS, C DS << DS, C ) = = = DS, act DS, sat O GS T 1 W 1 W I µ C = µ C L L D 0 ox DS, act 0 ox DS, O
Curentul de drena in zona activa () Cazuri limită 1 W DS, act D = µ eff ox. DS, act = D, C L DS, C I C I Tensiune de comandă mică DS, act O ( O << GS, C O << DS, C ) = 1 W I C. L µ D 0 ox O Tensiune de comandă medie = DS, act DS, C Tensiune de comandă mare O >>, ( ) 1+ DS, act O DS, C O 1 W I = I = C. L µ D D, C eff ox DS, C 1 W I D 0 Cox GS, C DS, C const. L µ = DS C
nmos - comparatie model - experiment.5 1. Drain Current, I D (ma).0 1.5 1.0 0.5 nmos W=5.6µm, L=0.6µm DS = 1 DS = Drain Current, ID (ma) 1.0 0.8 0.6 0.4 0. nmos W=5.6µm, L=0.6µm DS = 1 DS = DS = 3 0.0 0 1 3 4 5 Overdrive oltage, O () (a) Caracteristici de transfer 0.0 Date experimentale - simboluri Model complet - linie intrerupta 0 1 3 4 5 Drain oltage, DS () (b) Caracteristici de iesire Model simplu(fara degradarea mobilitatii) - linie continua
pmos - comparatie model - experiment 1.5 0.7 Drain Current, I D (ma) 1.0 0.5 0.0 pmos W=5.6µm, L=0.6µm DS = 1 DS = Drain Current, I D (ma) 0.6 0.5 0.4 0.3 0. 0.1 0.0 pmos W=5.6µm, L=0.6µm GS = 1 GS = GS = 3 0 1 3 4 5 Overdrive oltage, O () (a) 0 1 3 4 5 Drain oltage, DS () (b) Caracteristici de transfer Caracteristici de iesire Date experimentale - simboluri Model complet - linie intrerupta Model simplu(fara degradarea mobilitatii) - linie continua
Comparatie model experiment Characteristic Device W/L Model error (%) ID DS GS = 3 Simplu Complet nmos 0.7/0.6 5.68 0.35 nmos 5.6/0.6 4.95 0.08 pmos 5.6/0.6 8..35 ID GS DS = nmos 0.7/0.6.37 0.36 nmos 5.6/0.6 1.7 1.7 pmos 5.6/0.6 5.01 0.7 Se observa micsorarea erorii pentru modelul complet Motivul este combinarea efectelor de canal scurt
Comparatie model experiment - BSIM 0.6 Drain Current, I D (ma) 0.5 0.4 0.3 0. 0.1 pmos W=5.6µm, L=0.6µm GS = 1 GS = GS = 3 0.0 0 1 3 4 5 Drain oltage, DS () (c) Date experimentale - simboluri Model complet - linie intrerupta BSIM - linie continua
Transconductanta - panta tranzistorului g m g m i i d D = = vgs vgs I, Parametru dinamic-defineste performantele de amplificare dependenta de curent g m 1 = gm, c + 1 g D DS, C 1 + I, D, C D C I I D T + GS, C = W L µ C. m, c eff ox DS, C dependenta de tensiunea de comanda efectiva 1 O = gm, c 1 1 + O O 1+ ( 1+ O ) 1+ ( 1+ O ) + 1 DS, C DS, C I D DS
Transconductanta - cazuri limita Curenti mici - saturatia vitezei neglijabilă I W g g C I I = L µ D m m, c eff ox D D, C Curenti mari I D >> I D, C W g g = C. W C. L µ = µ ξ m m, c eff ox DS, C eff ox C 1 I D << I D, C Normalized Transconductance, g m /g m,c 0.1 T =0,5 GS,C =10 DS,C = 0 1 Normalized Drain Current, I D /I D,K
Transconductanţa- dependenta de curent g m 1 = gm, c + 1 10 0 D DS, C 1 + I, D, C D C I I D T + GS, C I Transconductance, g m (ma/) 10-1 10 - nmos W=0.7µm, L=0.6µm Measured, DS = 10-3 Model 10-4 0,0 0,1 0, Drain Current, I D (ma)
pmos-transconductanţa- dependenta de O g m 1 O = gm, c 1 1 + O 1 ( 1 ) O + + 1 ( 1 ) O + + O + 1 a DS, C DS, C 10 0 Transconductance, g m (m ma/) 1 0-1 1 0 - pm O S W = 5.6 µm, L= 0.6 µm M e asure d, D S = M o del 1 0-3 0 1 O verdrive vo lta g e, O ( )
nmos-transconductanţa- dependenta de O g m 1 O = gm, c 1 1 + O 1 ( 1 ) O + + 1 ( 1 ) O + + O + 1 b DS, C DS, C 10 0 Transconductance, g (ma/) m 10-1 10-10 -3 nmos W =0.7µm, L=0.6µm Measured, DS = Model 0 1 3 O verdrive voltage, O ()
Concluzii Tehnologiile CMOS evolueaza spre dimensiuni nano Campul electric in canal devine semnificativ Campul transvesal degradarea mobilitatii Campul longitudinal saturaţia vitezei Model compact model analitic ce include pentru prima oara efectul combinat al degradarii mobilitatii si saturatiei vitezei Ecuatii pentru I si g similare cu cele ale modelului clasic D Modelul este validat prin comparatii cu date experimentale masurate pe n MOS si p MOS fabricate in tehn.cmos de 0,um Rezultate apropiate de BSIM3-model folosit in simulatoare Poate fi usor implementat in simulatoare m Articol acceptat - International Journal of Electronics
INTEL - Evolutia microprocesoarelor 1971 - primul microprocesor 1978-8086 1993 Pentium 006 Pentium dual core
Scalarea lungimii canalului si grosimii oxidului de poarta SiO - T ox a scazut pana 1, nm (5 distante atomice): curenti de poarta foarte mari, neuniformitate accentuata pe o placheta de 1 inch randamentul si fiabilitatea scad dramatic Dielectrici high k