Тепловой эффект в транзисторах
Исследование влияния тепловых эффектов на важные характеристики субмикронных МОП ("металл-оксид-полупроводник") транзисторов. Построение тепловых моделей основных параметров МОПТ от температуры. Проверка корректности моделей на литературных источниках.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 30.06.2017 |
| Размер файла | 3,2 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
2.2 Моделирование ВАХ МОПТ с помощью стандартной модели BSIM3v3
Попытка смоделировать ВАХ по данным из работы [19] для транзисторов с W/L = 10 мкм / 2 мкм при температуре в диапазоне от 77K до 300K с помощью предлагаемых авторами уравнений, оказалась неудачной. Значения смоделированных ВАХ не совпали с измеренными значениями, однако тенденция резкой зависимости крутизны в надпороговом режиме от напряжения на затворе модели авторов [19] отрабатывается.
Для описания температурных эффектов важных параметров в стандартной модели BSIM3v3 используют линейную аппроксимацию:
|
(27) |
Где Pnorm это температурно-зависимый параметр при комнатной температуре Tnorm, KT температурный коэффициент и T это практическая симуляция температуры.
Однако, когда температура упадет ниже 200K, температурная зависимость этих параметров будет отличаться от линейной зависимости, что приведет к ошибкам во время подгонки характеристик МОП-транзистора при криогенных температурах.
Авторы данной работы [19] решили данную проблему использовав полиномиальную аппроксимацию для температурно-зависимых коэффициентов, например, для порогового напряжения:
|
(28) |
Где PVthi (i=0,1,2) температурные коэффициенты для Vth0 и T глобальная температура симуляции в градусах Кельвина.
После была предпринята попытка смоделировать эти же транзисторы с помощью стандартной модели BSIM3v3. Как оказалось, модель не может корректно описать крутую зависимость крутизны в надпороговом режиме от напряжения на затворе. Поэтому была решено модернизировать существующую модель BSIM3v3, которая устранит этот недочет.
Рис.26 Измеренные [19] и смоделированные выходные и сток-затворные характеристики p-канального транзистора (W/L = 10 мкм / 2 мкм, T =210K,150K,77K,300K)
Рис.27 Измеренные (точки) [19] и смоделированные (сплошные линии) выходные и сток-затворные характеристики n-канального транзистора (W/L = 10 мкм / 2 мкм, T =210K,150K,77K,300K)
2.3 Коррекция BSIM3v3 модели
В данной работе использовалась физическая модель BSIM3v3 с субмикронным МОП-транзистором для цифровых и аналоговых схем. Извлечение параметров - важная часть разработки модели. Было разработано много различных методов экстракции модели. Соответствующая методология зависит от модели и способа ее использования [21].
BSIM3v3 наиболее распространенная модель, однако она не рассчитана для использования в криогенных температуры. Она достаточно хорошо описывает зависимость напряжения и наклона в предпороговом режиме от температуры, но не корректно описывает более крутую зависимость крутизны в надпороговом режиме от напряжения на затворе. Существуют множество работ [3,20,26] направленных на улучшения точности модели BSIM3v3 при низких температурах.
(а) (б)
Рис.28 Измеренные (точки) [20] и смоделированные (сплошные линии) с помощью стандартной модели BSIM3v3 сток-затворные характеристики p-канального МОП-транзистора (W/L = 10 / 2 мкм) при температурах 300 K (а) и 77 K (б) при Vds = -0.05В
В работе [25], к обычной модели МОПТ добавляется внешняя подсхема, которая учитывает эффект вымораживания. Для того, чтобы охватывать широкий диапазон температур, внешняя подсхема должна быть активно только тогда, когда есть эффект вымораживания. Когда температура поднимается, влияние внешней подсхемы вырождается и модель работает в обычном режиме.
Чтобы смоделировать эффект вымораживания примеси, добавлено два резистора, управляемых напряжением (рисунок 26). Rd добавлен для учета эффекта вымораживания в LDD области, а Rs для учета эффекта вымораживания в области канала. Они зависят от температуры и напряжения на узле (Vds, Vgs и Vbs).
Рис.29 Макромодель МОПТ для низкой температуры с дополнительными сопротивлениями Rd и Rs [25]
Однако, такой подход является не совсем правильным решением этой проблемы, так как при этом увеличивается суммарное сопротивление транзистора, приводящее к заметной погрешности расчета ВАХ в режиме больших токов и ухудшающее точность моделирования динамических характеристик.
Поэтому, для описания более резкого характера зависимости подвижности от поля затвора при низкой температуре предлагается корректировать крутизну сток-затворной характеристики за счет коррекции подвижности. Так как более резкий характер зависимости подвижности от вертикального поля при низких температурах связан с большим проявлением механизмов рассеяния носителей заряда. При низких температурах увеличивается максимальное значение подвижности, а также крутизна ее спада вместе с увеличением напряжения на затворе, что описывается дополнительной схемой.
Для того, чтобы учесть более резкий характер зависимости подвижности от вертикального поля, в эквивалентную схему МОПТ подключен источник напряжения Vg_Cor, который зависит от приложенного внешнего напряжения на затворе Vg и температуры. Он снижает эффективное напряжение затвор-исток транзистора по мере увеличения внешнего напряжения.
Определение параметров МОПТ происходит в несколько этапов:
1. Первоначально определяется полный набор параметров модели BSIM3v3 при комнатной температуре без учета температурных коэффициентов (Vth0, K1, K2, м0, UA, UB, UC, VSAT, RDSW).
|
(29) |
||
|
(30) |
||
|
(31) |
||
|
(32) |
||
|
(33) |
||
|
(34) |
||
|
(35) |
2. Затем определяются температурные коэффициенты модели в диапазоне температур от 77K до комнатной 300K (мTE, Kt1, Kt2, UA1, UB1, UC1, AT, PRT)
3. Последний этап заключается в определении параметров корректирующего источника Vg_Cor из сток-затворных ВАХ при низкой температуре.
Для определения параметров корректирующего источника используется полиноминальная аппроксимация.
Рис.30 Макромодель МОПТ для низкой температуры с дополнительным источником напряжения Vg_Cor
Разработанная модель позволяет снизить погрешность моделирования характеристик МОПТ при криогенных температурах с 60% (при использовании стандартной модели BSIM3v3) до 15%.
Рис.31 Измеренные (точки) [19] и смоделированные (сплошные линии) выходные и сток-затворные характеристики p-канального МОП-транзистора (W/L = 10 / 2 мкм) с улучшенной моделью BSIM3v3 при температуре 77K при Vds = -0.05В
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенной работы:
Во-первых, смоделированы зависимости порогового напряжения от температуры для субмикронных МОП-транзисторов с различной концентрацией в канале и толщиной оксида в диапазоне температур от 500 до 77K.
Во-вторых, смоделированы зависимости подвижности от температуры для субмикронных МОП-транзисторов в диапазоне температур от 300 до 77K.
В-третьих, модернизирована модель BSIM3v3 для криогенных температур. Смоделирована ВАХ p-канального транзистора для низких температур. Проверена корректность модели на литературном источнике.
В-четвертых, проверена корректность моделей порогового напряжения и подвижности от температуры на литературных источниках.
В-пятых, изучены методы экстракции параметров МОПТ при низкой температуре с учетом тепловых эффектов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. A. Nazarov, D. Flandre, P.L. Hemment Science and technology of semiconductor-on-insulator structures and devices operating in a harsh environment. - London, Kluwer Academic Publishers, 2005, p. 358
2. A. Akturk, K. Eng, J. Hamlet, S. Potbhare, E. Longoria, R. Young, M. Peckerar, T. Gurrieri, M.S. Carroll, N. Goldsman Compact Modeling of 0.35 µm SOI CMOS Technology Node for 4 K DC Operation using Verilog-A//Journal Microelectronic Engineering, December 2010, Vol. 87, Issue 12, pp. 2518-2524
3. A. Emerani, F. Balestra, G. Ghibaudo On the understanding of electron and hole mobility models from room to liquid helium temperatures//Solid State Electron, 1994, Vol. 37, No. 10, pp. 1723-1730
4. A.K. Goel, T.H. Tan High-temperature and self-heating effects in fully depleted SOI MOSFETs// Microelectronics Journal,2006, Vol. 37
5. BSIM3v3 Manual Copyright © 1995, UC Berkeley ,1996
6. D. Wolpert, P. Ampadu Managing Temperature Effects in Nanoscale Adaptive System // Springer-Verlag New York, 978-1-4614-0748-5, XXII, 174,2012
7. Deok Su Jeon, Dorothea E. Burk MOSFET electron inversion layer mobilities-A physically based semi-empirical model for a wide temperature range//IEEE transactions on electron devices, August 1989, Vol. 36, No. 8
8. E. A. Gutiйrrez D., "The drain threshold voltage in submicron MOS transistors at 4 .2 K//IEEE Electron Device Lett., March 1995, Vol. 16, pp. 85-87
9. E. Simoen, C. Claeys, J. Martino. Parameter Extraction of MOSFETs Operated at Low Temperature//Journal de Physique IV Colloque, 1996, pp.C3-29-C3-42.
10. Edmundo Gutierrez-D, Jamael Deen, Cor Claeys Low temperature electronics: Physics, devices, circuits, and application. - London, Academic Press, 2000 - 964 page
11. F. Balestra, L. Audaire, C. Lucas Influence of substrate freeze-out on the characteristics of MOS transistors at very low temperatures//Solid-State Electronics, 1987, Vol. 30, No. 3, pp. 321-327
12. F. Fang and A . Fowler, Hot electron effects and saturation velocity in silicon inversion layers//J. Appl . Phys. 41, 1970, pp. 1825--1831
13. G. G. Shahidi, D . A. Antoniadis, and H . I. Smith, "Electron velocity overshoot at room and liquid nitrogen temperatures in silicon inversion layers//IEEE Electron Device Lett. 9, 1988, pp.94--96
14. G. Ghibaudo, F. Balestra Low temperature characterization of silicon CMOS devices, Microelectron Reliab,1997,1353-66.
15. G. Ghibaudo, F. Balestra, Modelling of ohmic MOSFET operation at very low temperature//Solid-State Electronics, 1988, Vol. 31, pp. 105-108
16. Grabinski W, Bucher M, Sallese JM, Krummenacher F Compact modeling of ultra deepsubmicron CMOS devices//Int Conf on Signals and Electronic Systems,2000, pp. 13-27
17. H. Abebe, V. Tyree and N.S. Cokerham SPICE BSIM3 Model parameterts extraction and optimization for low temperature application// NSTI-Nanotech, 2009, Vol. 3, pp. 647-650
18. Haldar P, Ye H, Efstathiadis H, et al. Improving performance of cryogenic power electronics// IEEE Trans Components, Applied Superconductivity, 2005, vol.15(2), p. 2370
19. Hongliang Zhao, Xinghui Liu Modeling of a standard 0.35 lm CMOS technology operating from 77 K to 300 K // Cryogenics 59,2014, 49-59
20. I. M. Filanovsky, Senior Member, IEEE, and Ahmed Allam Mutual Compensation of Mobility and Threshold Voltage Temperature Effects with Applications in CMOS Circuits // IEEE transactions on circuits and systems--i: fundamental theory and applications, VOL. 48, NO. 7, JULY 2001, 876
21. J . J. Tzou, C . C . Yao, R . Cheung, and H. Chan, "Some CMOS device constraints at low temperatures//IEEE Electron Device Lett. 6, 1985, p/ 33
22. J. B. Roldґan, F. Gґamiz, J. A. Lґopez-Villanueva and J. E. Carceller Modeling Effects of Electron-Velocity Overshoot in a MOSFET// IEEE transactions on electron devices, may 1997, vol. 44, no. 5, pp. 841-846
23. John D Cressler, Low-Temperature Electronics: Opportunities for Titan Science Opportunities for Titan Science,Georgia Istitute of Technology, 2008
24. J. Koga et al. 0.25 pm gate length CMOS devices for cryogenic operation //IEEE Trans. Electron Devices, 1994, Vol. 41, No. 7, pp. 1179-1183
25. Jia Kan, Sun Weifeng, Shi Longxing A sub-circuit MOSFET model with a wide temperature range including cryogenic temperature//Journal of Semiconductors, June 2011, Vol. 32, No. 6
26. Jin Hu Low Temperature Effects on CMOS Circuits. Electrical Engineering and Computer Science. Northwestern University. Evanston, IL 60208, USA.
27. K. Chain, J. Huang, J. Duster, P. KO, C. Hu A MOSFET electron mobility model of wide temperature range (77 - 400 K) for IC simulation//Semiconductor science and technology, 1997, Vol. 12, No. 4
28. K. Rais, F. Balestra, and G . Ghibaudo Temperature dependence of gate induced drain leakage current in silicon CMOS devices //Electron. Lett . 30, 1994, pp. 32-33
29. K. Rais, G. Ghibaudo, F. Balestra, M. Dutoit Study of saturation velocity overshoot in deep submicron silicon MOSFETS from liquid helium up to room temperature// Journal de Physique IV Colloque, 1994, 04, pp.C6-19-C6-24.
30. M. Song et al., Optimization of LDD devices for cryogenic operation//IEEE Electron Device Lett, 1991, Vol. 12, No. 7, pp. 375-378
31. Oleg Semenov, Arman Vassighi, Manoj Sachdev Leakage Current in Sub-Quarter Micron MOSFET: A Perspective on Stressed Delta IDDQ Testing// Journal of Electronic Testing: Theory and Applications 19, 341-352, 2003
32. Oxner ES FET technology and application//CRC Press,1988, NY
33. S. M. Sze Physics of semiconductor Devices // Second Edition, 1981
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Интегральные микросхемы на транзисторах со структурой металл - диэлектрик - полупроводник. Принципы работы, конструкция и классификация транзисторов данного вида. Четыре типа транзисторов. Вспомогательные элементы микросхем. Применение охранных колец.
реферат [447,3 K], добавлен 22.02.2009Определение параметров структурно-физических математических моделей диодов и полевых транзисторов, малосигнальных и структурно-физических моделей биполярных транзисторов. Исследование элементов системы моделирования и анализа радиоэлектронных цепей.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 17.03.2011Анализ физических процессов в структуре металл-диэлектрик-полупроводник. Расчет необходимых характеристик полупроводниковой структуры. Построение диаграммы МДП-структуры в режиме сильной инверсии. Технология изготовления комплементарных МОП-транзисторов.
курсовая работа [945,3 K], добавлен 06.04.2014Определение напряжения открывания (переключения) транзисторов. Статические характеристики схемы при вариации напряжения питания. Длительность переходных процессов при включении и выключении ключа и среднее время задержки в сети для различных приборов.
контрольная работа [2,0 M], добавлен 23.12.2010Обзор особенностей обеспечения тепловых режимов в конструкциях ЭВС. Моделирование тепловых режимов. Выбор структурного построения системы и формулирование требований к ее структурным компонентам. Анализ взаимодействия технических и программных средств.
дипломная работа [2,2 M], добавлен 29.06.2010Конструкции МДП-транзисторов (металл - диэлектрик – полупроводник) в микросхемах с алюминиевой металлизацией. Материалы, используемые в качестве диэлектрика. Применение поликремниевых затворов транзисторов. Преимущество диэлектрической подложки.
реферат [915,7 K], добавлен 22.02.2009Сущность понятий термопара и терморезистор. Основные виды тепловых преобразователей. Применение термоэлектрических преобразователей в устройствах для измерения температуры. Характерные свойства металлов, применяемых для изготовления терморезисторов.
контрольная работа [34,5 K], добавлен 18.11.2010Использование биполярных транзисторов в импульсных источниках электропитания. Линейная область работы транзистора. Коммутационные процессы в транзисторе, определяющие динамические потери при его переключении. Метод симметрирования токов транзисторов.
контрольная работа [219,1 K], добавлен 30.08.2010Свойства МДП-структуры (металл–диэлектрик–полупроводник). Типы и устройство полевых транзисторов, принцип их работы. Влияние типа канала на вольтамперные характеристики МДП-транзисторов. Эквивалентная схема, расчет и быстродействие МДП-транзистора.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 18.12.2009Оптимизация конструкции охладителя для полупроводниковых приборов. Расчет и построение тепловых характеристик охладителя для естественного и принудительного воздушного охлаждения радиатора. Исходные данные, параметры и тепловой режим работы охладителя.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 01.05.2015Выбор и обоснование модели для прогнозирования уровня радиосигнала. Расчет уровня радиосигнала в точке приема на основе выбранной модели. Определение параметров шумов: тепловых, индустриальных, излучения. Построение частотно-территориального плана.
курсовая работа [874,5 K], добавлен 21.01.2013Неравновесные электронные процессы в структурах металл-туннельно-прозрачный-окисел-полупроводник. Исследование вольт-амперных характеристик и физических процессов, протекающих в транзисторных структурах с распределенным p-n переходом. Методы их расчета.
курсовая работа [745,2 K], добавлен 11.12.2015Порядок изучения основных характеристик полевых транзисторов, включенных по схеме с общим истоком. Методы снятия статических вольтамперных характеристик, вычисление по ним электрических параметров. Анализ влияния управляющего напряжения на выходной ток.
лабораторная работа [258,3 K], добавлен 12.05.2016Расчет температуры корпуса и пакета плат одноблочной ЭВМ. Схема соединения тепловых сопротивлений. Способ монтажа микросхем на плате. Определение теплового сопротивления при передаче тепловой энергии (теплоты) кондукцией для микросхемы, способы улучшения.
лабораторная работа [695,1 K], добавлен 08.11.2012Назначение и структура автоматизированной системы, предназначенной для выдачи диаграммы распределения тепловых потоков в домах, производственных складах и других помещениях. Практическое освоение методики оптимизации логических схем и оценки надежности.
контрольная работа [91,1 K], добавлен 11.03.2012Особенности блока вычислителя оптического координатора. Алгоритм моделирования и расчета в системе Solid Works. Анализ и расчет тепловых характеристик. Классификация систем охлаждения. Моделирование тепловых процессов в программной среде Solid Works.
дипломная работа [4,3 M], добавлен 21.09.2016Разработка конструкция радиоэлектронного устройства "Сигнализация садово-огородного участка". Расчет геометрических и электрических параметров, электромагнитной совместимости, тепловых режимов, основных компоновочных параметров проектируемого устройства.
курсовая работа [220,9 K], добавлен 02.06.2013Построение и анализ работы схем элементов интегральных микросхем средствами Electronics WorkBenck. Обработка информации цифровых устройств с помощью двоичного кода. Уровень сигнала на выходах управляющих транзисторов, перевод их в закрытое состояние.
лабораторная работа [86,6 K], добавлен 12.01.2010Типы биполярных транзисторов и их диодные схемы замещения. Кремниевые и германиевые транзисторы. Физические явления в транзисторах. Схемы включения и статические параметры. Влияние температуры на статистические характеристики, динамические параметры.
реферат [116,3 K], добавлен 05.08.2009Частотные и временные характеристики усилителей непрерывных и импульсных сигналов. Линейные и нелинейные искажения в усилителях. Исследование основных параметров избирательных и многокаскадных усилителей. Усилительные каскады на биполярных транзисторах.
контрольная работа [492,6 K], добавлен 13.02.2015
