Методические указания
К проведению практических занятий по дисциплине
«Физика наноразмерных полупроводниковых структур»
Семинар 4
С4. Проектирование КМОП. Пороговое напряжение
План семинара
С4.1 Различные определения порогового напряжения
С4.2 Подпороговый ток и статическая (standby) мощность рассеяния
С4.3 Рабочий ток и быстродействие МОПТ
С4.4 Зависимость рабочего тока 
от подпорогового тока 
С4.5 Проектирование структуры МОПТ
С4.5.1 Анализ процесса проектирования КМОП
С4.5.2 Тенденции изменения напряжения питания и порогового напряжения
Литература
Задание на СРС
С4.1 Различные определения порогового напряжения
Пороговое напряжение является ключевым параметром КМОП технологии. Имеется несколько различных способов определения порогового напряжения МОПТ. Наиболее общее определение: напряжение на затворе, при котором выполняется условие 
. Преимущество этого определения заключается в простоте его включения в аналитические решения. Однако эта величина не может быть прямо измерена из экспериментальных ВАХ.
Второе обычно используемое определение порогового напряжения основано на подпороговых проходных ВАХ 
:
. (С4.1)
Задавая уровень тока 
(скажем 50пА) можно определить пороговое напряжение 
как такое напряжение на затворе, при котором достигается заданный ток 
. Такое определение имеет два преимущества. Во-первых, его легко экстрагировать из результатов измерения и, следовательно, метод пригоден для автоматического измерения большого числа приборов. Во-вторых, зная 
и подпороговый размах 
, можно непосредственно рассчитать ток выключенного прибора 
. В дальнейших рассуждениях мы будем придерживаться 
определения 
.
В общем случае зависит от температуры (температурный коэффициент), смещения подложки (коэффициент подложки), длины канала и напряжения стока (ККЭ).
С4.2 Подпороговый ток и статическая (standby) мощность рассеяния
По определению ток в выключенном состоянии МОПТ (подпороговый ток) – это ток утечки сток-исток, когда напряжение затвор - исток равно нулю, а напряжение сток-исток равно напряжению питания (
). Из выражения (С4.1) для подпорогового тока при 
следует
. (С4.2)
где
. (С4.3)
В наихудшем случае напряжение сток-исток транзистора в закрытом состоянии равно напряжению питания 
. При этом статическая мощность рассеяния будет равна 
. Пусть величина 
. Если мы желаем, чтобы в режиме ожидания мощность рассеяния СБИС чипа, содержащего
108 транзисторов, была не выше 1Вт, ток утечки одного транзистора должен быть менее 10-8А = 10нА во всем температурном диапазоне работы транзистора.
Заметим, что ток 
довольно чувствителен к температуре, так как подвижность 
. Для 1мкм КМОП технологии с 
Å, 
равен примерно 1мкА (Заметим, что это число получено для пМОПТ; ток рМОПТ примерно в 3 раза меньше вследствие более низкой подвижности дырок). Технические условия СБИС чипа обычно рассчитываются на наихудшую температуру 100°С, когда подпороговый ток много больше, чем при комнатной температуре, поскольку не только 
уменьшается с увеличением температуры, но и наклон кривой 
(подпороговый размах) также деградирует (увеличивается) пропорционально 
. Типично величина подпорогового размаха 
составляет 100мВ/декаду при 100°С. Чтобы добиться желаемого результата и сократить величину 
за счет коэффициента 
в формуле (С4.2) величина 
должна быть не менее 0,2В. Поскольку имеет отрицательный температурный коэффициент 
, это означает, что необходимо 
.
Описанная картина приемлема для КМОП логических технологий. Однако в технологии динамической памяти (DRAM), где важно потребление энергии в режиме хранения, требования к току утечки более строгие: 
. Это означает, что необходимо 
для транзистора DRAM с 
.