Студопедия

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника



Физические и конструктивно-технологические ограничения при проектировании маломощных МОПТ




Читайте также:
  1. II. Физические характеристики участников коммуникации
  2. II.2.3) Утрата и ограничения прав гражданства.
  3. MS Access. Это поле в режиме конструктора необходимо для ограничения действий пользователя, когда это необходимо.
  4. Бюджетные ограничения. Изменение покупательной способности потребителя. Условие потребительского равновесия
  5. Величины, физические величины
  6. Виды деформаций грунтов и физические причины, их обуславливающие.
  7. Внешнее и внутреннее строение костей, их химический состав. Физические и механические свойства костей; их функции.
  8. Вопрос 27. Ограничения, связанные с государственной службой.
  9. ВОПРОС 3. Гарантии нотариальной деятельности. Ограничения в деятельности нотариуса
  10. Вопрос 8. Граждане (физические лица) как субъекты предпринимательского права.

В табл. 4.2приведены факторы, ограничивающие масштабирование ряда параметров МОП транзисторов

Таблица 4.2 – Физические ограничения масштабирования МОПТ

Параметр Физическое ограничение
Минимальная величина одного элемента, 0,03 нм Статистические флуктуации легирования подложки, разрешение фоторезиста, космические лучи и радиоактивность, конечная ширина p-n перехода
Минимальное напряжение питания 0,025 В Тепловой потенциал kT/q
Минимальная плотность тока, 10-6 А/см2 Дискретность заряда электрона, флуктуации встроенного заряда
Минимальная мощность, 10-12 ВТ/элемент при f=1 кГц Шумы, тепловая энергия, диэлектрическая постоянная
Предельное быстродействие, 0,03 нс Скорость света
Минимальная толщина подзатворного диэлектрика Туннельные токи через диэлектрик
Максимальное напряжение питания Пробой подзатворного диэлектрика, смыкания областей истока и стока
Максимальное легирование подложки Туннельный пробой p-n перехода стока
Максимальная плотность тока Электромиграция, падения напряжения на паразитных сопротивлениях контактов
Максимальная мощность Теплопроводность подложки и компонентов схемы
Количество элементов на кристалл, 109 Совокупность всех ранее перечисленных ограничений

 

Квантовый теоретический предел на нижнюю границу мощности информационного сигнала проистекает из фундаментального принципа неопределенности Гейзенберга. Применительно к микроэлектронике его можно переформулировать следующим образом: для того, чтобы иметь возможность измерить энергию (мощность) переключения с временем продолжительностью , величина энергии должна быть больше, чем соотношение , а именно:

, (4.73)

где h – постоянная Планка.

Фундаментальный предел на основе электромагнитной теории в нашем случае приводит к ограничению скорости распространения высокочастотного импульса по межсоединению до его величины, меньшей чем скорость света в свободном пространстве (С0):

, (4.74)

где L – длина критического межсоединения БИС;

τ – время передачи сигнала по этому межсоединению.

Если говорить о материалах и их предельных свойствах, то можно отметить основные характеристики полупроводникового материала, которые определяют свойства созданного прибора, это: подвижность носителей (µ), скорость насыщения носителей (Vs), напряженность электрического поля самоионизации (Ес) и теплопроводность ( ).



Еще одной причиной, мешающей дальнейшему уменьшению размеров транзисторов, является квантово-механическая природа инверсионного слоя, которая не позволяет электронам располагаться непосредственно у поверхности кремния. Максимум пространственного распределения электронов находится на расстоянии 1 нм от поверхности. Это увеличивает эффективную толщину окисла примерно на 0,3 нм. Кроме того, вследствие ограниченной концентрации примеси в поликремниевом затворе в нем наступает режим обеднения, из-за которого увеличивается эффективная толщина подзатворного слоя диэлектрика. Общее увеличение эффективной толщины составляет около 0,7 нм, что уменьшает ток стока и нагрузочную способность транзистора.

Теоретический расчет предельного значения энергии переключения P и времени переключения t с учетом предельных параметров полупроводниковых материалов, которые не зависят от структуры и геометрии приборов, в конкретном практическом приложении дал величину отношения P/t для кремния 0,21 Вт/нс, а для аресенида галлия – 0,69 Вт/нс. Это показывает, что в то время, как GaAs имеет преимущество по быстродействию по сравнению с кремнием, он должен отводить тепла в три раза больше при том же времени переключения.



И. наконец, фундаментальное ограничение (по материалу межсоединений) проистекает из соображений конечной скорости света (с0). Время распространения сигнала через межсоединение длиной L материала с относительной диэлектрической постоянной должно удовлетворять очевидному соотношению

. (4.75)

На уровне приборно-технологического представления межсоединения БИС могут моделироваться как каноническая распределенная сеть «сопротивление – емкость». Когда такая сеть управляется идеальным источником напряжения, который формирует функцию одиночной ступеньки, то 90 % времени переключения сети характеризуется выражением

(4.76)

где Rs – поверхностное сопротивление проводника, в Омах на квадрат;

Cs – поверхностная емкость, в фарадах на см2;

L – длина межсоединения.

Это выражение характеризует ограничение минимального времени отклика межсоединения при заданной длине.

Немаловажной проблемой являются межсоединения. При технологии 0,25 мкм только 20% задержек в БИС определяются затворами МОПТ, а 80% - межсоединениями (табл. 1.3). Для технологии 0,18 мкм задержка даже в медных линиях связи сравнялась с задержкой в вентилях.

 

Таблица 4.3– Задержки в транзисторе и линиях межсоединений интегральных микросхем

Технология Задержка в транзисторе, пкс Задержка в линии межсоединений, Lint =1 мм
1,0 мкм (Al,SiO2) ≈20 ≈1
100 нм (Cu) ≈5 ≈30
35 нм (Сu) ≈2,5 ≈250

 



В последние годы масштабирование, или увеличение плотности размещения элементов микросхем, решили определять по шагу затвора МОПТ. К 2024 году, согласно ITRS, он должен составить 15 нм (табл. 1.4.)

 

Таблица 4.4–Изменение характеристик МОПТ в соответствии с ITRS

Параметр Годы
Шаг затвора, нм
Длина затвора Lз, нм
Размер контактов истока и стока, нм
Сопротивление исток/сток открытого МОПТ, мОм
Напряжение питания, В 0,81 0,73 0,68 0,6
Пороговое напряжение, В 0,21 0,21 0,22 0,23
Ток стока в режиме насыщения, мкА/мкм
Емкость затвора, фФ/мкм 0,5 0,42 0,37 0,28
Поверхностная концентрация носителей заряда в канале, *1012 см -2 7,3 7,1 6,4 5,1
Эффективная скорость дрейфа носителей заряда, *105 мс-1 2,6 2,3 2,6 3,5

 

Контрольные вопросы

1. Почему этот тип транзисторов называют «полевым» или «униполярным»?

2. По каким признакам классифицируют полевые транзисторы?

3. Как моделируется сопротивление каналов в канальных и МОП транзисторах?

4. В чем заключается идеализация МОПТ?

5. Какие зарядовые состояния на границе Si-SiO2 вы знаете?

6. Что влияет на величину порогового напряжения МОПТ? Как млжно ее регулировать?

7. Что влияет на частотные свойства МОПТ?

8. Почему МОПТ с самосовмещенным затвором более высокочастотные?

9. Какие критерии, разграничивают МОПТна длинно- и короткоканальные?

10. Что такое «DIBL эффект»?

11. За счет какой составляющей величины порогового напряжения его значение уменьшается в короткоканальных МОПТ?

12. Почему подвижность носителей в канале является одним из основных параметров МОПТ?

13. Какие существуют методы увеличения подвижности в МОПТ?

14. Для чего производят подлегирование канала МОПТ?

15. В чем заключается «эффект паразитного биполярного транзистора» в короткоканальных МОПТ?

16. Какую роль выполняют вcтроенные LDD области в структуре современных МОПТ?

17. Kакие перспективные структуры МОПТвы знаете?

 


Дата добавления: 2014-11-13; просмотров: 10; Нарушение авторских прав







lektsii.com - Лекции.Ком - 2014-2021 год. (0.012 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав
Главная страница Случайная страница Контакты