model compact pentru tranzistoare mos … · 2012-10-01 · model compact pentru tranzistoare mos...
TRANSCRIPT
MODEL COMPACT PENTRU TRANZISTOARE MOS SUBMICRONICE
PENTRU APLICATII ANALOGICE
Gheorghe Brezeanu, Andrei Sevcenco
Facultatea de Electronica, Telecomunicatii şi Tehnologia Informaţiei
Universitatea POLITEHNICA Bucuresti
Gheorghe Brezeanu, Andrei Sevcenco
�Evolutia tehnologiei CMOS
�Saturatia vitezei. Degradarea mobilitatii
Cuprins
Diaspora 2012
�Model compact al tranzistorului MOS
�Comparatii model –date experimentale
�Concluzii
� Tranzistorul bipolar – începutul microelectronicii� Descoperire importanta a sec. 20� Dec. 1947 patent-tranz.cu contact punctiform-amplificator� Sept. 1951, tranzistorul cu joncţiuni
Microelectronica
Diaspora 2012
Circuite Integrate- aplicaţii
Impactul industriei semiconductoare este uriaş în multiple domenii:
PC/ laptopuriCarduriComunicaţii / telefonie mobilăMultimedia( tv, jurnale electronice)Sisteme audio & video portabile
Diaspora 2012
Sisteme audio & video portabileElectronică medicalăElectronică autoGPS – Global Positioning SystemAplicaţii militareExplorarea spaţiului
Inceputul CI1959- primul TB planar
Diametru -30 inch
Dimensiunea minimă-3 inch
1962 – primul CI
Produs de Fairchild
4 tranzistoare + 6
Diaspora 2012
4 tranzistoare + 6 rezistoare
6 fire de conexiune
Încapsulat în TO5
1965- Micrologic circuit
Produs de Fairchild
50 componente
Scalarea lungimii canalului Dimensiuni nanometrice
Diaspora 2012
�Tehnologii CMOS
�2 ani rata de innoire
�Circuite VLSI digitale
Scalarea lungimii canalului Previziuni
Diaspora 2012
� Nanofire
�Conexiuni optice
�Litografie computationala
INTEL - Evolutia microprocesoarelorMulti -cores
Diaspora 2012
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 detranzistoare costă mai puţin decât un tranzistor
Diaspora 2012
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
Diaspora 2012
nMOS –Efecte de canal scurt
EE y y+dy
x
Diaspora 2012
� - campul transversal - degradarea mobilitatii� - campul longitudinal – saturatia vitezei
xξξ
� - campul electric transversal
� - campul transversal critic
Degradarea mobilitatii
, 1.5x C V mξ µ=
( ) 2 ( )
6OV T cS
xox
V V V yy
tξ + −≅
0
,
( )( )
1 x
x c
yy
µµ ξξ
=+
Diaspora 2012
� - tensiunea de comandă efectivă
� - tensiunea de prag
� - grosimea oxidului de poartă
TV
OV GS TV V V= −
oxt
� - viteza purtatorilor mobili în canal
� - campul electric vertical/longitudinal
Saturatia vitezei
( ) cSVy
Lξ =
( )( )1
( )( )
1 ( ) c
yv y
yα α
µ ξ
ξ ξ=
+
( )v y
Diaspora 2012
� - campul electric vertical/longitudinal
� - campul (vertical)critic
� - pt. goluri(p- MOS)/electroni(n -MOS)
1.5C V mξ µ=
1/ 2α α= =
L
MOS – regiuni de funcţionare
Diaspora 2012
Modelarea in inversie puternica(1)
- Sarcina purtatorilor mobili din canal- Capacitatea oxidului de poarta
( ) ( )D II Wv y Q y=
( )( ) ( )I ox GS T cSQ y C V V V y= − −
1/
( )[ ( ( ))]
cS
D ox GS T cS
dVy
dyI W C V V V y αα
µ= − −
oxC
Diaspora 2012
1/[ ( ( ))]
1
D ox GS T cS
cSc
I W C V V V ydV
dy
αα
ξ
= − − +
1/
00 0
,
( )1
2 ( )1
DSL VOV cScS
D c ox cSOV T cS
GS C
V V ydVI dy WC dV
V V V ydyV
α α
ξ µ − + = + − +
∫ ∫
Modelarea in inversie puternica (2)
- Tensiunea de drenă critică
- Tensiunea de poarta critică
( )0 , , ,,
,
12 ln 1
21
DSD ox GS C DS GS C GS C T
DS OV T GS C
DS C
W VI C V V V V V
VL V V VV
µ
= ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅ − + + +
,DS C cV aLξ=
, ,6GS C x c oxV tξ=
Diaspora 2012
( )2
ln 1 . 12
xx x pt x+ ≅ − <<
2
0
, , .
1 1 12 21 1 1
2
DSD ox OV DS
OV T DS OV
GS C DS C T GS C
W VI C V V
V V V VLV V V V
µ
≅ ⋅ ⋅ ⋅ −+ + + + +
MOS – regiuni de funcţionare
Diaspora 2012
Curentul de drena in zona de trioda
( ) 2
,
1 11
21D eff ox OV OV DS DS
DS
DS C
WI C V V V V
VLV
µ ≅ ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ − ⋅ +
OVVV =
( )0
2
,
12 11
effT
OV
GS C
V VV
µµ = ⋅++
� Modelul nou
- Mobilitatea efectivă la campuri longitudinale mici
- Tensiunea de comanda efectiva normata
Diaspora 2012
20
1
2D ox OV DS DS
WI C V V V
Lµ ≅ ⋅ ⋅ −
,2OV
OVT GS C
VV
V V=
+- Tensiunea de comanda efectiva normata
� Modelul clasic
,OV GS T GS CV V V V= − <<
,DS DS CV V<<
- Efectul campului transversal-neglijabil- Efectul campului longitudinal-neglijabil
Curentul de drena in zona activa (1)
� Modelul nou
- tensiunea de drena la limita intre zona de trioda si zona activa
2,2
, , 2,
1.
2DS act
D eff ox DS act D CDS C
VWI C V I
L Vµ= ⋅ ⋅ =
( ), ,,
1 2 1 1OVDS act DS C OV
DS C
VV V V
V
= + ⋅ + −
2, ,
1.
2D C eff ox DS C
WI C V
Lµ= ⋅ ⋅ - curentul de drena critic
Diaspora 2012
2 20 , 0 ,
1 1
2 2D ox DS act ox DS OV
W WI C V C V
L Lµ µ≅ ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅
� Modelul clasic
, ,.2D C eff ox DS CI C V
Lµ= ⋅ ⋅
( ), ,OV GS T GS C DS DS CV V V V V V= − << <<
, ,DS act DS sat OV GS TV V V V V= = = −
- curentul de drena critic
Curentul de drena in zona activa (2)Cazuri limită
� Tensiune de comandă mică
2,2
, , 2,
1.
2DS act
D eff ox DS act D CDS C
VWI C V I
L Vµ= ⋅ ⋅ =
,DS act OVV V≅ 20
1.
2D ox OV
WI C V
Lµ= ⋅ ⋅
( ), ,OV GS C OV DS CV V V V<< <<
� Tensiune de comandă medie
Diaspora 2012
0 , ,
1.
2D ox GS C DS C
WI C V V const
Lµ≅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ =
� Tensiune de comandă mare ,OV DS CV V>>
( ), ,2 1DS act OV DS C OVV V V V≅ +
� Tensiune de comandă medie
, ,DS act DS CV V= 2, ,
1.
2D D C eff ox DS C
WI I C V
Lµ= = ⋅ ⋅
nMOS - comparatie model - experiment
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
nMOS
W=5.62µm, L=0.6µm V
DS= 1V
VDS
= 2V
Dra
in C
urre
nt, I
D (m
A)
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
nMOSW=5.62µm, L=0.6µm
VDS
= 1V
VDS
= 2V
VDS
= 3V
Dra
in C
urre
nt, I
D (m
A)
Diaspora 2012
0 1 2 3 4 5
0.0
Overdrive Voltage, VOV
(V)(a)
0 1 2 3 4 5
0.0
Drain Voltage, VDS
(V)(b)
Caracteristici de transfer Caracteristici de iesireDate experimentale - simboluri
Model complet - linie intrerupta
Model simplu(fara degradarea mobilitatii) - linie continua
pMOS - comparatie model - experiment
0.0
0.5
1.0
1.5
pMOS
W=5.62µm, L=0.6µm V
DS= 1V
VDS
= 2V
Dra
in C
urre
nt, I
D (m
A)
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
pMOS
W=5.62µm, L=0.6µm V
GS= 1V
VGS
= 2V
VGS
= 3V
Dra
in C
urre
nt, I
D (m
A)
Diaspora 2012
Caracteristici de transfer Caracteristici de iesireDate experimentale - simboluri
Model complet - linie intrerupta
Model simplu(fara degradarea mobilitatii) - linie continua
0 1 2 3 4 5Overdrive Voltage, V
OV (V)
(a)
0 1 2 3 4 5
0.0
Drain Voltage, VDS
(V)(b)
Comparatie model – experiment
Characteristic Device W/L Model error (%)
Simplu CompletID – VDSVGS = 3V
nMOS 0.7/0.6 5.68 0.35
nMOS 5.62/0.6 4.95 0.08
pMOS 5.62/0.6 8.22 2.35
ID – VGSVDS = 2V
nMOS 0.7/0.6 2.37 0.36
nMOS 5.62/0.6 1.7 1.7
Diaspora 2012
� Se observa micsorarea erorii pentru modelul complet
� Motivul este combinarea efectelor de canal scurt
nMOS 5.62/0.6 1.7 1.7
pMOS 5.62/0.6 5.01 0.72
Comparatie model – experiment - BSIM
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
pMOS
W=5.62µm, L=0.6µm V
GS= 1V
VGS
= 2V
VGS
= 3V
Dra
in C
urre
nt, I
D (m
A)
Diaspora 2012
Date experimentale - simboluri
Model complet - linie intrerupta
BSIM - linie continua
0 1 2 3 4 50.0
(c)Drain Voltage, V
DS (V)
Transconductanta - panta tranzistorului
,D DS
d Dm
gs GS I V
i ig
v v
∂= =∂
,,
, ,,
11
21DS CD
m m cD C T GS CD C D
VIg g
I V VI I
= + ++
Parametru dinamic-defineste performantele de amplificare�dependenta de curent
Diaspora 2012
, ,.m c eff ox DS C
Wg C V
Lµ= ⋅
( ) ( ),
, ,
211 1
1 2 1 1 2 1 1
OVm m c
OV OVOV OV
DS C DS C
Vg g
V VV V
V V
= − + + ⋅ + + ⋅ + +
� dependenta de tensiunea de comanda efectiva
Transconductanta - cazuri limita
� Curenti mici - saturatia vitezei neglijabilă
� Curenti mari
,D D CI I<<
, ,. .m m c eff ox DS C eff ox C
Wg g C V W C
Lµ µ ξ→ = ⋅ = ⋅
,,
2Dm m c eff ox D
D C
I Wg g C I
I Lµ≅ =
1
,D D CI I>>
Diaspora 2012
0 1 2
0.1
VT=0,5V
VGS,C
=10V
VDS,C
=2V
No
rma
lized
Tra
nsc
ondu
cta
nce
, g
m/g
m,c
Normalized Drain Current, ID/I
D,K
Transconductanţa- dependenta de curent
10-1
100
Tra
nsco
nduc
tanc
e, g
m (m
A/V
)
,,
, ,,
11
21DS CD
m m cD C T GS CD C D
VIg g
I V VI I
= + ++
Diaspora 2012
0,0 0,1 0,210-4
10-3
10-2
nMOSW=0.7µm, L=0.6µm
Measured, VDS
=2V
Model
Tra
nsco
nduc
tanc
e,
Drain Current, ID (mA)
pMOS-Transconductanţa- dependenta de OVV
( ) ( ),
, ,
211 1
1 2 1 1 2 1 1
OVm m c
OV OVOV OV
DS C DS C
Vg g
V VV V
V V
= − + + ⋅ + + ⋅ + +
-1
10 0
a(m
A/V
)
Diaspora 2012
0 1 210 -3
10 -2
10 -1
pM O SW =5.62µm , L=0.6µm
M easured, VDS
=2V
M ode l
Tra
nsco
nduc
tanc
e, g
m (m
O verdrive vo ltage , VO V
(V )
nMOS-Transconductanţa- dependenta de OVV
( ) ( ),
, ,
211 1
1 2 1 1 2 1 1
OVm m c
OV OVOV OV
DS C DS C
Vg g
V VV V
V V
= − + + ⋅ + + ⋅ + +
10 -1
100
bm (m
A/V
)
Diaspora 2012
0 1 2 310 -3
10 -2
10
nMOSW =0.7µm, L=0.6µm
Measured, VDS
=2V
Model
Tra
nsco
nduc
tanc
e, g
m
Overdrive voltage, VOV
(V)
Concluzii
Tehnologiile CMOS evolueaza spre dimensiuni nanoCampul electric in canal devine semnificativCampul transvesal degradarea mobilitatiiCampul longitudinal saturaţia vitezeiModel compact – model analitic ce include pentru prima oara efectul combinat al degradarii mobilitatii si saturatiei vitezei
⇒⇒
Diaspora 2012
efectul combinat al degradarii mobilitatii si saturatiei vitezeiEcuatii pentru similare cu cele ale modelului clasicModelul este validat prin comparatii cu date experimentale masurate pe n MOS si p MOS fabricate in tehn.CMOS de 0,22umRezultate apropiate de BSIM3-model folosit in simulatoarePoate fi usor implementat in simulatoareArticol acceptat - International Journal of Electronics
D mI si g
1971 - primul microprocesor
1978 - 8086
1993 – Pentium
2006 – Pentium dual core
INTEL - Evolutia microprocesoarelor
Diaspora 2012
Scalarea lungimii canalului si grosimii oxidului de poarta
Diaspora 2012
SiO2 - Tox a scazut pana 1,2 nm (5 distante atomice):� curenti de poarta foarte mari,
� neuniformitate accentuata pe o placheta de 12 inch
� randamentul si fiabilitatea scad dramatic
�Dielectrici highk