МИНОБРНАУКИ РОССИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА) Кафедра микро- и наноэлетроники КУРСОВАЯ РАБОТА по дисциплине «Элементная база наноэлектроники» Тема: Анализ топологии и расчет параметров МДП транзисторов Студент гр. 9362 Быченков С.А. Преподаватель Трушлякова В.В. Санкт-Петербург 2021 ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ Студент Быченков С.А. Группа 9362 Тема работы: Анализ топологии и расчет параметров МДП транзисторов Исходные данные: Курсовая работа включает пояснительную записку и графическую часть. Пояснительная записка и графическая часть работы оформляются согласно стандарту на оформление научно-технической документации. В соответствии с утвержденным заданием на курсовой проект пояснительная записка включает следующие основные разделы: 1. анализ изображения топологии логического элемента; 2. расчет конструктивных параметров МДП-транзисторов; 3. расчет электрических параметров МДП-транзисторов; 4. построение стоковой и сток-затворной характеристики транзисторов; 5. восстановление электрической схемы; 6. моделирование работы электрической схемы и определение ее таблицы истинности. Рисунок 1 – Изображение топологии логического элемента Содержание пояснительной записки: Введение, анализ топологии и расчет конструктивных параметров МДПтранзистор, расчет электрических параметров транзисторов и построение их 2 характеристик, восстановление электрической схемы и ее моделирование, заключение, список использованных источников. Предполагаемый объем пояснительной записки: Не менее 15 страниц. Дата выдачи задания: 11.05.2021 Дата сдачи реферата: 11.06.2021 Дата защиты реферата: 11.06.2021 Студентка Быченков С.А. Преподаватель Трушлякова В.В. 3 АННОТАЦИЯ Содержание курсовой работы состоит в анализе изображения топологии логического элемента; расчете конструктивных электрических параметров МДПтранзисторов; построении характеристики транзисторов; восстановление электрической схемы и моделирование работы электрической схемы и определение ее таблицы истинности. Для выполнения работы использовать программу Multisim. SUMMARY The content of the course work consists in the analysis of the image of the topology of the logical element; calculation of the design electrical parameters of MIS transistors; building characteristics of transistors; restoration of the electrical circuit and modeling the operation of the electrical circuit and the definition of its truth table. To do the work, use the Multisim program. 4 СОДЕРЖАНИЕ 1. Введение 6 Анализ топологии и расчет конструктивных параметров МДП- 7 транзистор 2. Расчет электрических параметров транзисторов и построение их 7 характеристик 2.1. Расчет электрических параметров транзисторов 7 2.2. Пострение характеристики транзисторов 8 3. Восстановление электрической схемы и ее моделирование 13 Заключение 15 Список использованных источников 16 5 ВВЕДЕНИЕ Основной задачей курсовой работы по дисциплине «Элементная база наноэлектроники» является приобретение навыков самостоятельного инженерного и конструкторского расчета элементов интегральных схем (ИС) на униполярных транзисторах. При проектировании ИС особое внимание уделяется расчету, анализу и топологии МДП-структур. 6 1. Анализ топологии и расчет конструктивных параметров МДП- транзистора В схеме всего 4 транзистора, 2 n-канальных и 2 p-канальных. Минимальный размер элемента топологии 0.4 мкм. 𝑙к 𝑙к = 45 ∙ ℎд ⇒ ℎд = 45 ; ℎд = 0,009 Геометрические размеры транзисторов: ● n-канальные: Транзистор 1 Транзистор 2 Длина Ширина Толщина Длина Ширина Толщина канала канала подзатворного канала канала подзатворного диэлектрика 0,4 мкм ● 0,8 мкм диэлектрика 0,4 мкм 0,009 мкм 0,8 мкм 0,009 мкм p-канальные Транзистор 3 Транзистор 4 Длина Ширина Толщина Длина Ширина Толщина канала канала подзатворного канала канала подзатворного диэлектрика 0,4 мкм 2. 0,8 мкм диэлектрика 0,4 мкм 0,009 мкм 1,6 мкм 0,009 мкм Расчет электрических параметров транзисторов и построение их характеристик 2.1. Расчет электрических параметров транзисторов ● Диэлектрическая проницаемость подзатворного диэлектрика: 𝜀д 7 = 4; ● Удельная емкость затвора относительно канала: 𝐶з0 = ● 𝜀0 𝜀д ℎд = 8.85∙10−12 ∙4 0,009 ∙10−6 Удельная крутизна: 𝑆0 = = 3,933 ∙ 10−5 Ф; 𝜇𝐶з0 𝑏𝑘 𝑙𝑘 Где μ – подвижность носителей заряда в канале 𝜇𝑛 = 1500 см2 /(𝐵 ∙ 𝑐); 𝜇𝑝 = 450 см2 /(𝐵 ∙ 𝑐). 𝑆0𝑛 = 𝜇𝑛 𝐶з0 𝑏𝑘 𝑙𝑘 𝑆0𝑝1 = 𝑆0𝑝2 = = 𝜇𝑝 𝐶з0 𝑏𝑘 𝑙𝑘 𝜇𝑝 𝐶з0 𝑏𝑘 𝑙𝑘 1500∙10−4 ∙3,933∙10−5 ∙0,8 ∙10−6 = = 0,4∙10−6 450∙10−4 ∙3,933∙10−5 ∙0,8 ∙10−6 0,4∙10−6 450∙10−4 ∙3,933∙10−5 ∙1,6∙10−6 0,4∙10−6 n-канальные p-канальные Транзистор 1 Транзистор 2 Транзистор 3 Транзистор 4 𝑆0 = 1,18 ∙ 10−5 𝑆0 = 1,18 ∙ 10−5 𝑆0 = 3,54 ∙ 10−6 𝑆0 = 7,08 ∙ 10−6 ● Пороговое напряжение 𝑈0 : 𝑈0 = 𝜑мп + √2𝑞𝜀0 𝜀д 𝑁𝜑мп 𝐶з0 ; Где 𝜑мп – контактная разность потециалов, определяется по формуле: 𝑞 ∙ 𝜑мп = 0.56эВ − 𝑞 ∙ 𝜑 𝑇 𝑙𝑛 ( 𝑁𝐴 ) 𝑛𝑖 𝜑 𝑇 – температурный потенциал 𝜑 𝑇 = 0.026; 𝑁𝐴 – уровень легирования кремния 𝑁𝐴 = 1,5 ∙ 1016 см−3 , согласно варианту задания 𝑛𝑖 – собственная концентрация носителей в кремии 𝑛𝑖 = 2 ∙ 1010 см−3 𝑁 𝜑мп = −0.56 − 𝜑 𝑇 𝑙𝑛 ( 𝐴 ) 𝑛 𝑖 1,5∙1016 𝜑мп = −0.56 − 0.026 ∙ 𝑙𝑛 ( 2∙1010 ) = −0.351724 В ⇒ 𝑈0 = 0,35𝐵 8 ● Напряжение затвора: Номинальным током МОП-транзистора считается ток при напряжении 𝑈зи = 2𝑈0 . Возьмём 𝑈зи = 0,7 𝐵 ● Напражение питания: Напряжение питания выбирается из условий 𝑈пит ≥ 𝑈зи и меньше, чем напряжение пробоя диэлектрика. 𝑈пр = 𝐸пр ∙ ℎд , где 𝐸пр – электрическая прочность диэлектрика 𝐸пр (𝑆𝑖𝑂2 ) = = 7.5 МВ см В = 7,5 ∙ 108 . ⟹ 𝑈пр = 7,5 ∙ 108 ∙ 0,009 ∙ 10−6 = 6,75 В. м Возьмём 𝑈пит = 4 𝐵. Таким образом, получаем следующие значения: 1) Для n-канальных транзисторов: Транзистор 1 𝑆0 1,18 ∙ 10−5 2) 𝑈0 0.35 𝑈зи 0,7 Транзистор 2 𝑈пит 4 𝑆0 1,18 ∙ 10−5 𝑈зи 0,7 𝑈пит 4 Для p-канальных транзисторов: Транзистор 3 𝑆0 3,54 ∙ 10−6 2.2. 𝑈0 0.35 𝑈0 0.35 𝑈зи 0,7 Транзистор 4 𝑈пит 4 𝑆0 7,08 ∙ 10−6 𝑈0 0.35 𝑈зи 0,7 𝑈пит 4 Построение характеристики транзисторов Для построения характеристик транзистора нужно внести изменений в модели транзисторов и моделировать с учетом полученных электрофизических параметров. ● Стоковая характеристика транзисторов: а) n-канальные транзисторы На рисунке 2 представлена стоковая характеристика двух n-канальных транзисторов (транзистор 1 и транзистор 2). 9 Рисунок 2 – Стоковая характеристика n-канальных транзисторов Как видно из стоковой характеристики при выбранном напряжении питания n-канальные транзисторы (транзистор 1 и транзистор 2) будет функционировать в ключевом режиме. б) p-канальные транзисторы На рисунках 3 и 4 показаны стоковые характеристики транзистора 3 и транзистора 4 (p-канальные транзисторы). 10 Рисунок 3 – Стоковая характеристика транзистора 3 Рисунок 4 – Стоковая характеристика транзистора 4 11 Из стоковых характеристик видно при выбранном напряжении питания транзисторы будут функционировать в ключевом режиме. ● Сток-затворная характеристика транзисторов: а) n-канальные транзисторы На рисунке 5 представлена сток-затворная характеристика двух n-канальных транзисторов. Рисунок 5 – Сток-затворная характеристика n-канальных транзисторов б) p-канальные транзисторы На рисунке 6 и 7 представлены сток-затворные характеристики транзистора p-канальных транзисторов. 12 Рисунок 6 – Сток-затворная характеристика транзистора 3 Рисунок 7 – Сток-затворная характеристика транзистора 4 13 3. Восстановление электрической схемы и ее моделирование После восстановления топологии логического элемента мы получили схему, как показано на рисунке 8. Рисунок 8 – Восстановленная электрическая схема На рисунке 9 представлена временная зависимость входного и выходного сигнала схемы 14 Рисунок 9 – временная зависимость входного и выходного сигнала схемы С помощью логического преобразователя мы получили таблицу истинности исследуемой схемы, показанная на рисунке 10. Рисунок 10 – Таблица истинности исследуемой схемы 15 Можно сделать вывод, что схема представляет собой два соединённых инвертора. Из результатов работы конвертера определили условное графическое обозначение для схемы, показано на рисунке 11. Рисунок 11 - Условное графическое обозначение для схемы 16 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Четыре транзистора в данной схеме образуют два соединенных инвертора, которые выполняют тождественную функцию, как это видно по таблице истинности, а также по временной зависимости входного и выходного сигнала схемы 17 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Зебрев Г.И. Физические основы кремниевой наноэлектроники: Учебное пособие. — М.: МИФИ, 2008. — 288 с. 2. А. В. Мартинович, А. А. Казека, И. Г. Давыдов. – Моделирование импульсных и цифровых устройств в среде Multisim: БГУИР, 2008. –38 с. 18
