КМДП- инверторы. (Лекция 2)

1. Лекция 2

• КМДП- инверторы. Структура. Принцип работы,
реализация логических функций.
• Передаточная характеристика в КМДП- схеме.
Напряжение и ток переключения, зависимость
от размеров транзисторов и от числа входов.
• Эффект защелки в КМДП- схемах.

2. КМДП- инверторы. Структура. Принцип работы.

3. ОСНОВНЫЕ ДОСТОИНСТВА КМДП-СХЕМ

• Потребление мощности в статическом
состоянии пренебрежимо мало
• Высокая помехоустойчивость
(т.к. U0= 0, U1 = Vdd)

4. Передаточная характеристика в КМДП-схеме

Задачи
1. Дано: KP, W, L, Uип
Определить выходной ток МДПтранзистора в любой точке
передаточной характеристики.
2. Известно: KP, W, L (или βn),
Uпорn, Uпорp, Uип
Определить максимальный
сквозной ток в МДП-транзист.

5. Передаточная характеристика Зависимость от отношения Wp/Wn

6. Реализация логических функций

7. Передаточная характеристика Зависимость от число входов

Смещение точки переключения КМДП в схемах 2-И-НЕ и 2-ИЛИ-НЕ
для случаев, когда открыты все транзисторы (1+2) и по одной паре
транзисторов (1, 2 - нижняя или верхняя)

8. Эффект защелки в КМДП- схемах

9. Паразитные биполярные транзисторы в КМДП-структуре

Паразитные биполярные транзисторы в КМДПструктуре
Паразитная тиристорная структура в интегральном КМДП–элементе
Условие защелкивания
βnpn βpnp > 1

10. Тиристорная структура с учетом сопротивлений кармана и подложки

Условие защелкивания с учетом паразитных сопротивлений
npn pnp 1
( npn 1)( I RS I RW pnp )
I RS 0.7 / RS ,
( IT I RS )
I RW 0.7 / RW ,
IT I RS I b ( npn 1)

11. Характеристики паразитных элементов, участвующих в защелкивании

βpnp вертикального биполярного
транзистора, зависит от:
- глубины кармана,
- концентрации в кармане,
- встроенного поля в кармане.
βnpn латерального биполярного транзистора, зависит от:
- топологических размеров, определяющих ширину базы,
- концентрации примеси в области полевого окисла,
- глубины кармана.

12. Вольтамперная характеристика тиристора

IS, VS – ток и напряжение включения, IH, VH – ток и напряжение удержания

13. Испытания на устойчивость к защелкиванию в статическом режиме

Схема включения тиристора открыванием p+-n перехода
Условие включения тиристора
I RS 0.7 / RS ,

14. Испытания на устойчивость к защелкиванию в статическом режиме (2)

Схема включения тиристора открыванием n+-p перехода
Условие включения тиристора
I RW 0.7 / RW

15. Методы подавления защелкивания

Технологические :
- уменьшение коэффициентов β паразитных биполярных
транзисторов,
- использование ретроградного кармана,
- использование эпитаксиальных структур.
Топологические :
- размещение контактов к карману и подложке.
- охранные области, собирающие и блокирующие носителей заряда

16. Охранные области

Охранная n+ область для
улавливания основных
носителей в N - кармане
Охранная p+ область для
улавливания основных
носителей в p – подложке

17. Топология МДП транзисторов с охранными кольцами

а) - p-МДП транзистор с p+ охранным кольцом, собирающим неосновные
носители (дырки) в N-кармане
б) - n-МДП транзистор с n+ охранным кольцом, собирающим неосновные
носители (электроны) в p-подложке

18. Books/Digital Logic Test

19.

Схемотехнические
модели
МДП-транзисторов

20. Эквивалентная схема PSPIСE модели МДП транзистора

D
Cbd
Rd
I bs
d
Ibd
Cgd
Rds
Rg
I bd
Jds
g
b
G
Rb
B
Cgb
Ubs T
I ds e
1
U b d T
I ds e
1
I b I bs I bd
Cgs
Ibs
s
Rs
LEVEL=1, 2, 3…
Cbs
S

21. Модель level 1. Уравнения для токов

Отсечка:
Ic=0
Крутая область
U cu2
W
I c KP 1 LAMBDA *U cu * U зи U пор U cu
L
2
Пологая область I KP W 1 LAMBDA *U *
c
cu
L
U
U пор
2
зи
2
U nop VTO GAMMA PHI U пи PHI
VTO VFB PHI GAMMA PHI
GAMMA
2 0 Si qN П
COK

22. Константы для расчета параметров модели

PHI = (kT/q) ln(NA/ni )
KP = μCOK
COK = ε0 εOK /TOX

23. Выходная проводимость и выходное сопротивление в пологой области

gвых
I c
I снac
U cu 2LЭФФ
rв ых
1
g в ых
2 0 Si
qN П (U cu U снac )

24. Модель level 2. Уравнения для токов

Используются уравнения модели Мейера (приближение плавного канала).
W
KP
Ic
L 2 LД 1 LAMBDA *U cu
U cu2
* U зи U пз PHI U cu
2
3
3
2
2
GAMMA U си U пи PHI U пu PHI 2
3
Учтены:
- эффект модуляции длины канала в пологой области,
- зависимость заряда в ОПЗ от Uпи и Uси.

25. Модель level 2: три новых эффекта

Uпор
Uпор(W)
Uпор(L)
• Эффект короткого канала (Зависимость порогового
напряжения от длины канала)
• Эффект узкого канала (Зависимость порогового
напряжения от ширины канала)
• Зависимость подвижности от поперечного
электрического поля (поле затвора)

26. Эффект короткого канала

Канал длинный, если Lэфф >> Xj

27. Эффект узкого канала

28. Модель level 3. Использование полуэмпирических уравнений и параметров

ЭФФ
1
U0*
1 THETA U зи U nop

29. BSIM (Berkeley Short-channel IGFET model) SPICE модели

Представление
электрических параметров
Вычисление параметров для расчета порогового напряжения