eng
Выпуск #9/2018
Лебедев Сергей Валентинович, Петросянц Константин Орестович, Стахин Вениамин Георгиевич, Харитонов Игорь Анатольевич
Особенности моделирования субмикронных МОП- транзисторов для расчета низковольтных и микромощных КМОП СБИС
Особенности моделирования субмикронных МОП- транзисторов для расчета низковольтных и микромощных КМОП СБИС
Просмотры: 2050
Приведены требования к моделям, особенностям определения их параметров, пакетам схемотехнического моделирования при проектировании низковольтных и микромощных КМОП СБИС. Представлены результаты схемотехнического моделирования характеристик КМОП схемы (L = 0,35 мкм) 2И-НЕ при уменьшении напряжения питания от 0,7 до 0,3 В. Показана работоспособность (выполнение логических функций) указанных схем при наименьшем значении питания с соответствующим значительным снижением быстродействия.
УДК 621.382.323: 536.48
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.412.414
УДК 621.382.323: 536.48
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.412.414
Теги: bsim bsimsoi cad tools cmos fets ekv ics low voltage circuits model parameter extraction spice models spice модели subthreshold mode ultra-low power кмоп транзисторы микромощные схемы низковольтные схемы параметры моделей предпороговый режим работы сапр
Схемы с ультранизким энергопотреблением (микромощные схемы) широко используются в аппаратуре с автономным питанием и длительным сроком работы: кардиостимуляторах, различных датчиках, носимой аппаратуре и др. [1]. Известно, что для существенного снижения потребляемой мощности необходимо как снижать напряжение питания (менее 1 В), так и уменьшать потребляемый ток, переводя МОП транзисторы в предпороговый режим работы. Существенное уменьшение рабочих токов приводит, соответственно, и к существенному увеличению длительностей фронтов сигналов и существенному снижению рабочих частот схемы. В результате, минимальное энергопотребление достигается балансом между динамической потребляемой мощностью и статическим током потребления [1, 2]. При этом корректность описания предпорогового режима МОП транзистора является основным требованием к схемотехническим моделям, используемым для проектирования микромощных схем [2, 3]. Это сводится к следующим конкретным требованиям к моделям и пакетам схемотехнического моделирования.
ТРЕБОВАНИЯ К SPICE МОДЕЛЯМ
• гладкость описания перехода от предпороговой к надпороговой сток-затворной характеристике (как для самой модели, так и для программ схемотехнического анализа);
• точность описания наклона предпороговой сток-затворной ВАХ;
• точность учета зависимости порогового напряжения от различных факторов: смещения подложки, длины и ширины канала, концентрации примеси и др.;
• точность описания токов утечки стока и его зависимости от электрического режима работы.
Для проектирования аппаратуры, работающей при значительном изменении температуры, возникают дополнительные требования к моделям и пакетам моделирования. Они заключаются в требованиях к точности описания зависимостей порогового напряжения, наклона предпороговой характеристики, токов утечки от температуры.
ТРЕБОВАНИЯ К ПРОЦЕДУРАМ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕСТОВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ И ЭКСТРАКЦИИ ПАРАМЕТРОВ ИХ МОДЕЛЕЙ
Приведенные выше требования в полной мере предъявляются к процедурам, аппаратуре и диапазону измерения характеристик тестовых МОП транзисторов и методик экстракции параметров их моделей.
ТРЕБОВАНИЯ К СРЕДСТВАМ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
При анализе больших схем дополнительно возникают вопросы выполнения указанных требований при использовании ускоренных (упрощенных) моделей и методов расчета.
Из распространенных моделей МОП транзисторов модель EKV имеет более гладкие характеристики, чем модели линии BSIM (BSIMSOI) [4], поэтому она более предпочтительна для расчетов микромощных КМОП схем. При этом модели линии BSIM (BSIMSOI) имеют большее распространении, обладают достаточно гладкими предпороговыми характеристиками, и интересно исследовать их применимость для расчета микромощных КМОП схем.
ТЕСТОВЫЕ КМОП ТРАНЗИСТОРЫ И СХЕМЫ
Для анализа применимости модели BSIMSOI и пакета HSPICE для анализа работы микромощных схем использовались отечественные тестовые КНИ МОП транзисторы и схемы инвертора 2И-НЕ с проектной нормой 0,18 мкм с номинальным напряжением питания 1,8 В, толщиной активного слоя tSi = 88 нм, толщиной подзатворного оксида 3,4 нм, длиной канала 0,35 мкм [5]. Набор исследуемых транзисторов и их характеристики соответствовали стандартной методике экстракции параметров их SPICE моделей в пакете IС-CAP. Затем, определенные с использованием измерительного комплекса [6] параметры модели BSIMSOI3 использовались для моделирования работы цифровых микромощных схем.
С помощью пакета HSPICE анализировалась цепочка из трех одинаковых последовательно включенных схем инвертора, 2И-НЕ: формирующей сигнал, основной и нагрузочной при снижении напряжения питания до 0,3 В. На рис. 1 приведены смоделированные переходные характеристики КМОП схемы 2И-НЕ (основной) (потребляемого тока, входного и выходного напряжений) при уменьшении напряжения питания от 1,5 В до 0,3 В.
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ
Из рис. 1 видно, что КМОП КНИ схемы 2И-НЕ сохраняют свою работоспособность (правильно выполняют логику работы) при снижении напряжения питания до 300 мВ; с соответствующим снижением рабочих частот значительным (на 6 порядков) и потребляемого тока (на 2 порядка). Кроме того, результаты подтверждают применимость модели BSIMSOI и пакета HSPICE для расчета микромощных КМОП схем.
ВЫВОДЫ
Авторы считают, что в данной работе новыми являются следующие положения и результаты:
1. Показана принципиальная применимость отечественной 0,18 мкм КМОП КНИ технологии для создания микромощных цифровых КМОП схем;
2. Подтверждена применимость модели BSIMSOI3, комплекса и методик для экстракции ее параметров и пакета HSPICE для моделирования работы микромощных цифровых КМОП схем при уменьшении напряжения питания до 0,3 В.
ЛИТЕРАТУРА
1. Piguet Ch. Low-Power CMOS Circuits: Technology, Logic Design and CAD Tools. Taylor & Francis Group, 2006.
2. Alioto M. Ultra-Low Power VLSI Circuit Design Demystified and Explained: A Tutorial. IEEE Trans. on Circuits and Systems, Vol. 59, No. 1, 2012, pp. 3–39.
3. Rakus M., Stopjakov V., Arbet Daniel. Analysis of MOSFET Model for Low-Voltage Applications. In Proc of 2016 International Conference on Emerging eLearning Technologies and Applications (ICETA), Vysoke Tatry, Slovakia, 2016.
4. BSIMSOI3.2 MOSFET Model User’s Manual. BSIM Group, UC Berkeley.
5. Петросянц К. О., Харитонов И. А., Самбурский Л. М., Попов Д. А., Стахин В. Г., Лебедев С. В. Моделирование КНИ МОП-транзисторов для высокотемпературных КМОП интегральных схем (до 300 °C) // В кн.: Международная конференция «Микроэлектроника 2015». г. Алушта, Крым, 28 сентября — 3 октября 2015 г. — М.: Техносфера, 2015. — С. 239–240.
6. Петросянц К. О., Самбурский Л. М., Харитонов И. А., Кожухов М. В. Измерения электрических характеристик биполярных и МОП-транзисторов под действием радиации // Измерительная техника. 2016. № 10. с. 55–60.
ТРЕБОВАНИЯ К SPICE МОДЕЛЯМ
• гладкость описания перехода от предпороговой к надпороговой сток-затворной характеристике (как для самой модели, так и для программ схемотехнического анализа);
• точность описания наклона предпороговой сток-затворной ВАХ;
• точность учета зависимости порогового напряжения от различных факторов: смещения подложки, длины и ширины канала, концентрации примеси и др.;
• точность описания токов утечки стока и его зависимости от электрического режима работы.
Для проектирования аппаратуры, работающей при значительном изменении температуры, возникают дополнительные требования к моделям и пакетам моделирования. Они заключаются в требованиях к точности описания зависимостей порогового напряжения, наклона предпороговой характеристики, токов утечки от температуры.
ТРЕБОВАНИЯ К ПРОЦЕДУРАМ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕСТОВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ И ЭКСТРАКЦИИ ПАРАМЕТРОВ ИХ МОДЕЛЕЙ
Приведенные выше требования в полной мере предъявляются к процедурам, аппаратуре и диапазону измерения характеристик тестовых МОП транзисторов и методик экстракции параметров их моделей.
ТРЕБОВАНИЯ К СРЕДСТВАМ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
При анализе больших схем дополнительно возникают вопросы выполнения указанных требований при использовании ускоренных (упрощенных) моделей и методов расчета.
Из распространенных моделей МОП транзисторов модель EKV имеет более гладкие характеристики, чем модели линии BSIM (BSIMSOI) [4], поэтому она более предпочтительна для расчетов микромощных КМОП схем. При этом модели линии BSIM (BSIMSOI) имеют большее распространении, обладают достаточно гладкими предпороговыми характеристиками, и интересно исследовать их применимость для расчета микромощных КМОП схем.
ТЕСТОВЫЕ КМОП ТРАНЗИСТОРЫ И СХЕМЫ
Для анализа применимости модели BSIMSOI и пакета HSPICE для анализа работы микромощных схем использовались отечественные тестовые КНИ МОП транзисторы и схемы инвертора 2И-НЕ с проектной нормой 0,18 мкм с номинальным напряжением питания 1,8 В, толщиной активного слоя tSi = 88 нм, толщиной подзатворного оксида 3,4 нм, длиной канала 0,35 мкм [5]. Набор исследуемых транзисторов и их характеристики соответствовали стандартной методике экстракции параметров их SPICE моделей в пакете IС-CAP. Затем, определенные с использованием измерительного комплекса [6] параметры модели BSIMSOI3 использовались для моделирования работы цифровых микромощных схем.
С помощью пакета HSPICE анализировалась цепочка из трех одинаковых последовательно включенных схем инвертора, 2И-НЕ: формирующей сигнал, основной и нагрузочной при снижении напряжения питания до 0,3 В. На рис. 1 приведены смоделированные переходные характеристики КМОП схемы 2И-НЕ (основной) (потребляемого тока, входного и выходного напряжений) при уменьшении напряжения питания от 1,5 В до 0,3 В.
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ
Из рис. 1 видно, что КМОП КНИ схемы 2И-НЕ сохраняют свою работоспособность (правильно выполняют логику работы) при снижении напряжения питания до 300 мВ; с соответствующим снижением рабочих частот значительным (на 6 порядков) и потребляемого тока (на 2 порядка). Кроме того, результаты подтверждают применимость модели BSIMSOI и пакета HSPICE для расчета микромощных КМОП схем.
ВЫВОДЫ
Авторы считают, что в данной работе новыми являются следующие положения и результаты:
1. Показана принципиальная применимость отечественной 0,18 мкм КМОП КНИ технологии для создания микромощных цифровых КМОП схем;
2. Подтверждена применимость модели BSIMSOI3, комплекса и методик для экстракции ее параметров и пакета HSPICE для моделирования работы микромощных цифровых КМОП схем при уменьшении напряжения питания до 0,3 В.
ЛИТЕРАТУРА
1. Piguet Ch. Low-Power CMOS Circuits: Technology, Logic Design and CAD Tools. Taylor & Francis Group, 2006.
2. Alioto M. Ultra-Low Power VLSI Circuit Design Demystified and Explained: A Tutorial. IEEE Trans. on Circuits and Systems, Vol. 59, No. 1, 2012, pp. 3–39.
3. Rakus M., Stopjakov V., Arbet Daniel. Analysis of MOSFET Model for Low-Voltage Applications. In Proc of 2016 International Conference on Emerging eLearning Technologies and Applications (ICETA), Vysoke Tatry, Slovakia, 2016.
4. BSIMSOI3.2 MOSFET Model User’s Manual. BSIM Group, UC Berkeley.
5. Петросянц К. О., Харитонов И. А., Самбурский Л. М., Попов Д. А., Стахин В. Г., Лебедев С. В. Моделирование КНИ МОП-транзисторов для высокотемпературных КМОП интегральных схем (до 300 °C) // В кн.: Международная конференция «Микроэлектроника 2015». г. Алушта, Крым, 28 сентября — 3 октября 2015 г. — М.: Техносфера, 2015. — С. 239–240.
6. Петросянц К. О., Самбурский Л. М., Харитонов И. А., Кожухов М. В. Измерения электрических характеристик биполярных и МОП-транзисторов под действием радиации // Измерительная техника. 2016. № 10. с. 55–60.
Отзывы читателей
