PUAV projekt Ćwiczenia 1-2

Transkrypt

1 PUAV projekt Ćwiczenia 1-2 Tematyka: charakterystyki i modelowanie tranzystora MOS. Cel ćwiczenia: praktyczne zapoznanie się z zagadnieniami modelowania, dobór parametrów i ocena dokładności modeli. Przypomnienie zasad symulacji układów elektronicznych (program SPICE). Obserwacja rozrzutów produkcyjnych parametrów tranzystorów. Przygotowanie do zajęć: oczekiwana jest znajomość zagadnień modelowania najprostszy model DC, model małosygnałowy, pojęcia transkonduktancji i konduktancji wyjściowej. Zalecane jest przed rozważenie przed ćwiczeniem następujących zagadnień: jak zmieni się kształt charakterystyk tranzystora przy zmianach napięcia progowego i ruchliwości, jak wygląda w teorii zależność transkonduktancji g m od wartości napięcia bramki tranzystora w zakresie podprogowym, liniowym, nasycenia. Warto także przed ćwiczeniem narysować na podstawie zamieszczonych dalej przykładowych plików do programu IMiOSpice (patrz Dodatek) schematy symulowanych ukladów są one bardzo proste. Pomoże to zrozumieć sposób otrzymania przy pomocy symulatora charakterystyk i parametrów tranzystora. Umiejętność odtworzenia schematu z pliku w formacie SPICE może się też przydać w dalszych ćwiczeniach. Używane oprogramowanie: pakiet zintegrowany AppleWorks, symulator układów elektronicznych IMiOSpice, symulator procesów produkcyjnych Syprus z pomocniczym programem StatIC. Do programu IMiOSpice istnieje krótka instrukcja użytkowania (w jęz. angielskim). Praca z pakietem AppleWorks jest podobna do pracy z Microsoft Office, wszelkich wyjaśnień udzieli prowadzący zajęcia. Przebieg zajęć: Część 1: dobór parametrów modeli i ocena ich dokładności Do zajęć przygotowane są zmierzone charakterystyki scalonych tranzystorów MOS tranzystora z długim kanałem i tranzystora z krótkim kanałem. Wyniki te pochodzą z pomiarów struktur próbnych zawierających tranzystory n-kanałowe i p-kanałowe wykonanych na doświadczalnej linii produkcyjnej Instytutu Technologii Elektronowej w Warszawie. Wyniki pomiarów są zapisane w arkuszach kalkulacyjnych. Przygotowane są także pliki do programu IMiOSpice generujące rodziny charakterystyk I D (V DS,V GS ) tranzystorów. Należy wykonać następujące czynności: 1. Wykorzystać dane z arkusza kalkulacyjnego do otrzymania wykresu rodziny charakterystyk I D (V DS,V GS ). Służą do tego odpowiednie funkcje obsługi arkuszy kalkulacyjnych programu AppleWorks. Szczegóły pokaże prowadzący zajęcia. Przykład pokazany jest na rys. 1. Wykonany wykres przenosimy z arkusza kalkulacyjnego do dokumentu graficznego typu Drawing programu AppleWorks, do którego dla porównania będą też kopiowane wykresy rodzin charakterystyk generowane przez program IMiOSpice. 1

2 Rys. 1. Arkusz kalkulacyjny, na jego tle wykres charakterystyk tranzystora 2. Przy pomocy programu IMiOSpice wykonać symulacje, w wyniku których uzyskane zostaną charakterystyki tranzystora obliczone z modeli, a następnie porównać je z charakterystykami zmierzonymi. Porównanie wykonujemy następująco: wykonujemy symulację programem IMiOSpice, otrzymany wykres rodziny charakterystyk kopiujemy do dokumentu graficznego z wykresem charakterystyk otrzymanych z pomiarów (wykres skopiowany z IMiOSpice jest przezroczysty, po nałożeniu wykres z danymi pomiarowymi jest nadal widoczny). Rys. 2. Okno dokumentu graficznego z charakterystykami obliczonymi przez IMiOSpice (linie ciągłe) nałożonymi na punkty pomiarowe 2

3 Dopasowujemy dokładnie układy współrzędnych obu wykresów i oceniamy dokładność modelowania. Następnie, jeśli trzeba, wykonujemy następną symulację programem IMiOSpice zmieniając parametry modelu. Można to zrobić wykorzystując edytor tekstu wbudowany do IMiOSpice. Kolejny otrzymany z IMiOSpice wykres rodziny charakterystyk porównujemy z charakterystykami otrzymanymi z pomiarów i tak aż do otrzymania zgodności, którą uznamy za zadowalającą. Te czynności należy wykonać dla tranzystora wskazanego przez prowadzącego zajęcia. W pliku znajdują się trzy modele: level 1, level 2 i level 3. Parametry tych modeli są wstępnie dobrane. Należy uzyskać jak najlepszą zgodność charakterystyk generowanych przez modele ze zmierzonymi, zmieniając tylko następujące trzy parametry: VTO (napięcie progowe), UO (ruchliwość nośników w kanale), LAMBDA (parametr określający nachylenie charakterystyki w zakresie nasycenia tylko w modelach level 1 i level 2 ). 3. Po zakończeniu dobierania parametrów modeli przedyskutować wyniki. Jaka jest uzyskana zgodność: słaba, zadowalająca, bardzo dobra? Który z modeli udało się najlepiej dopasować? W sprawozdaniu należy krótko opisać przebieg procesu dobierania parametrów (które były zmieniane, w jakiej kolejności, w jaki sposób), zamieścić uzyskane wykresy (generowane przez modele na tle doświadczalnych) oraz dyskusję. Wskazówka praktyczna: Dobieranie parametrów modeli wyłącznie na podstawie porównania charakterystyk wyjściowych może być trudne, ponieważ nie jest łatwo odróżnić dwa przypadki: przypadek, gdy napięcie progowe jest właściwe, a zmieniać należy ruchliwość, i przypadek odwrotny, gdy właściwą wartość ma ruchliwość, a zmienić trzeba napięcie progowe. Pomocne może być wykonanie wykresu charakterystyki [I D (V GS )] 1/2 dla pewnej ustalonej, niezerowej wartości napięcia V DS w zakresie nasycenia. Zależność prądu drenu od napięcia bramki w zakresie nasycenia jest w pierwszym przybliżeniu kwadratowa, toteż taki wykres będzie w przybliżeniu linią prostą. Charakterystyki dwóch tranzystorów o różnych wartościach napięcia progowego będą przesunięte równolegle na osi napięć, a charaketrystyki dwóch tranzystorów różniących się wartościami ruchliwości będą miały różne nachylenia. Pokazuje to rys. 3. ma ma sqrt(i(vpom)) sqrt(i(vpom)) ma sqrt(i(vpom)) sweep V sweep V Rys. 3. Charakterystyki [I D (V GS )] 1/2 dla tranzystorów różniących się napięciem progowym (po lewej) i różniących się ruchliwością (po prawej). Aby otrzymać charakterystykę doświadczalną, należy w programie AppleWorks utworzyć nowy arkusz kalkulacyjny, przenieść do niego wartości napięć bramki (0, 1, 2, 3, 4, 5V) oraz odpowiednie wartości prądów drenu dla jednej określonej wartości 3

4 V DS, na przykład 5V, następnie przekształcić wartości prądów posługując się funkcją sqrt() i wykonać wykres. Przykład (wykres na tle arkusza kalkulacyjnego) pokazuje rys. 4. Rys. 4. Charakterystyka doświadczalna [I D (V GS )] 1/2, kolumny A i B: napięcia bramki i prądy drenu (przeniesione z pierwotnego arkusza kalkulacyjnego), kolumny C i D: napięcia bramki (te same) i wartości pierwiastka z prądów drenu. Program IMiOSpice pozwala bezpośrednio otrzymać charakterystykę [I D (V GS )] 1/2, służy do tego wbudowana funkcja sqrt(), której argumentem może być oglądana na wykresie wartość prądu. Szczegóły pokaże prowadzący zajęcia. Część 2: Obserwacja dokładności modelowania transkonduktancji Należy obliczyć przy pomocy programu IMiOSpice wykres g m = f(v GS ), do czego jest przygotowany odpowiedni plik. WAŻNE: w tym pliku trzeba użyć tych samych wartości parametrów modeli, które zostały dobrane w pierwszej części ćwiczenia! Niestety nie ma mechanizmu pozwalającego od razu otrzymać całą charakterystykę, trzeba to robić metodą punkt po punkcie zmieniając w pliku wartość V GS i powtarzając symulacje. Należy wykonać to dla jednego tranzystora, dla wszystkich trzech modeli, dla napięcia V DS = 5V i napięć V GS z zakresu: od VTO 0,1 V do 5 V. Następnie należy wykonać wykres przy użyciu arkusza kalkulacyjnego, i przedyskutować wyniki: czy uzyskane zależności są zbliżone do siebie? Czy są ciągłe? Jak duże są rozbieżności? Wykres wraz z dyskusją należy zamieścić w sprawozdaniu. Część 3: Obserwacja rozrzutów produkcyjnych parametrów tranzystorów Celem symulacji będzie pokazanie, jak zmienia się rozrzut lokalny napięcia progowego dla pary identycznych tranzystorów NMOS lub PMOS w funkcji wymiarów kanału. Posłuży do tego symulator procesów produkcyjnych Syprus. Program Syprus symuluje proces wytwarzania układu scalonego CMOS z zadanymi wartościami parametrów procesów (czasy, temperatury, dawki i energie implantacji 4

5 itp.). Symulacja procesu produkcyjnego polega na określeniu na drodze obliczeniowej takich parametrów struktury fizycznej układu, jak grubości warstw, głębokości zlącz p-n, rozkłady domieszek itp. Program Syprus umożliwia zdefiniowanie od 1 do 9 tranzystorów NMOS i od 1 do 9 tranzystorów PMOS (określa się dla nich wymiary kanału, można także podać ich położenia w układzie i orientacje), i po wykonaniu symulacji procesu produkcji oblicza parametry tych tranzystorów, generuje modele do programu Spice, umożliwia także wykreślenie charakterystyk prądowo-napięciowych. Program Syprus umożliwia symulację dla nominalnych parametrów procesu (bez zaburzeń i rozrzutów) oraz dwa tryby symulacji statystycznej. W pierwszym trybie symulacji statystycznej (Simple Monte Carlo simulation) symulacja jest wielokrotnie powtarzana, przy czym parametry operacji technologicznych (czasy, temperatury itp.) są poddawane statystycznym wahaniom, uwzględniającym rozrzut globalny oraz rozrzuty lokalne: deterministyczne i losowe. W ten sposób wygenerowana jest pseudolosowa próbka symulowanych tranzystorów. Statystykę ich parametrów można obejrzeć przy użyciu pomocniczego programu StatIC. Drugi tryb symulacji statystycznej będzie wykorzystany w dalszych ćwiczeniach. Nie jest on tu omawiany. W tej części ćwiczenia należy wykonać symulację statystyczną pewnej liczby par jednakowych tranzystorów NMOS lub PMOS o różnych wymiarach kanału, tak dobranych, by można było następnie wykonać wykres odchylenia standardowego różnicy napięć progowych w każdej parze tranzystorów w funkcji powierzchni kanału (a ściślej mówiąc w funkcji 1/(WL) 1/2 ). Zadanie należy wykonać następująco: 1. Uruchomić program Syprus i otworzyć nim plik ECPD10Proc (jest to plik, w którym opisany jest proces produkcji układów CMOS z wyspą typu n, o minimalnej długości bramki 1,25 µm). Wraz z tym plikiem otworzą się samoczynnie trzy pliki pomocnicze. UWAGA! NICZEGO NIE EDYTUJEMY W PLIKACH PROGRAMU SYPRUS! 2. Zdefiniować w pliku ECPD10Proc cztery pary tranzystorów NMOS lub PMOS, według wskazań prowadzącego (menu Devices, poz. NMOS devices lub PMOS devices ). 3. Określić tryb i warunki symulacji w preferencjach (Menu Syprus, poz. Preferences ) odpowiednie opcje powinny być ustawione jak na rys. 5 (na następnej stronie). 4. Wybrać parametry, które mają być zapisane do pliku wynikowego: napięcia progowe dla zerowej i różnej od zera polaryzacji podłoża (menu Process poz. Select Output Params ) patrz rys. 6 (na następnej stronie). 5. Uruchomić symulację (będzie trwać do kilku minut) 1.W celu obejrzenia wyników uruchomić pomocniczy program StatIC i otworzyć plik wynikowy ECPD10Proc.st. 6. Obejrzeć histogramy rozrzutu lokalnego napięcia progowego (menu Results poz. Mismatch ) patrz rys Uwaga: jeśli w czasie symulacji pojawią się komunikaty o błędach, to oznacza, że wygenerowane zostało bardzo duże zaburzenie procesu, dla którego symulacja nie może być prawidłowo kontynuowana (na przykład nie można obliczyć głębokości złącza p-n, bo go w ogóle nie ma). Zaburzenia są generowane losowo, więc takiej sytuacji nie można wykluczyć. W takim przypadku należy symulację przerwać i rozpocząć jeszcze raz (nie zamykając programu). Istnieje bardzo duża szansa, że w powtórnej symulacji tak duże zaburzenie nie powtórzy się. 5

6 7. Zanotować wyniki (odchylenie standardowe w funkcji powierzchni bramki 1 tranzystora) i wykonać wykres rozrzutu w funkcji WL (wygodnym narzędziem do tego jest program AppleWorks, arkusz kalkulacyjny). W sprawozdaniu należy zamieścić otrzymany wykres wraz z krótkim omówieniem. Rys. 5. Ustawienie opcji w programie Syprus; przykładowa wielkość próbki statystycznej: 200 6

7 Rys. 6. Wybór parametrów do zapisu w pliku wynikowym variable VTON1, VTON2 # of samples : 200 mean : 1.33e-03 std dev : 2.09e-02 xmin : -5.06e-02 xmax : 5.98e Rys. 7. Przykładowy histogram różnicy napięć progowych dwóch jednakowych tranzystorów. Odchylenie standardowe jest miarą rozrzutu lokalnego. Dodatek Przykładowe pliki do programu IMiOSpice: Pliki do analizy DC: Plik generujący rodziny charakterystyk zawiera opis układu, w którym jest jeden tranzystor i pięć źródeł: VD, VB, VG, VS, VPOM. Cztery pierwsze służą do polaryzacji tranzystora, ostatnie jest amperomierzem prąd płynący przez to źródło (o napięciu równym 0 V) jest obserwowanym prądem drenu (to dodatkowe źródło pozwala obserwować prąd zawsze jako wartość dodatnią niezależnie od rodzaju kanału tranzystora). Plik zawiera trzy modele. Aby użyć jednego z nich, należy wyedytować nazwę modelu w wierszu opisującym tranzystor. 7

8 Polecenia RUN oraz PLOT i(vpom) powodują, że natychmiast po wczytaniu pliku wykonywana jest symulacja, a jej wyniki pojawiają się w postaci wykresu. Wykres jest skalowany automatycznie, ale skalę można następnie dowolnie zmienić, dostosowując ją do skali, w jakiej wykonano wykres charakterystyk doświadczalnych. * TEST short tran PMOS IdVd MCKT MODP50X3_3 + W = 5e-05 + L = 3e-06 * DEF SOURCES VG 0 2 DC -2.5 VS 3 0 DC 0 VD 0 5 DC 0 VPOM 1 5 DC 0 VB 4 0 DC 0 * END SOURCES.DC VD VG CONTROL RUN PLOT i(vpom).endc * Model LEVEL=1 of PMOSFETs W/L=50um/3um.MODEL MODP50X3_1 PMOS LEVEL = 1 UO = 160 +VTO = GAMMA = PHI = LAMBDA = 0.04 * Model LEVEL=2 of PMOSFETs W/L=50um/3um.MODEL MODP50X3_2 PMOS LEVEL = 2 +NFS = 1.2E+11 UO = 282 UCRIT = 6.284E+4 +UEXP = LAMBDA = VMAX = 4.8E+4 NEFF = DELTA = 0.0 * Model LEVEL=3 of PMOSFETs W/L=50um/3um.MODEL MODP50X3_3 PMOS LEVEL = 3 +NFS = 1.2E+11 UO = 300 THETA = VMAX = 1.57E+11 KAPPA = 5.95 ETA = DELTA = 0.0.END Drugi plik służy do wygenerowania charakterystyki [I D (V GS )] 1/2, różni się on od pierwszego tylko poleceniami dla symulatora. W szczególności, wielkością zmienianą przy analizie DC jest tylko napięcie bramki, a polecenie PLOT sqrt(i(vpom)) powoduje wykonanie wykresu pierwiastka z wartości prądu. 8

9 * TEST short tran PMOS sqrt(idvg) MCKT MODP50X3_3 + W = 5e-05 + L = 3e-06 * DEF SOURCES VG 0 2 DC -2.5 VS 3 0 DC 0 VD 0 5 DC 5 VPOM 1 5 DC 0 VB 4 0 DC 0 * END SOURCES.DC VG CONTROL RUN PLOT sqrt(i(vpom)).endc * Model LEVEL=1 of PMOSFETs W/L=50um/3um.MODEL MODP50X3_1 PMOS LEVEL = 1 UO = 160 +VTO = GAMMA = PHI = LAMBDA = 0.04 * Model LEVEL=2 of PMOSFETs W/L=50um/3um.MODEL MODP50X3_2 PMOS LEVEL = 2 +NFS = 1.2E+11 UO = 282 UCRIT = 6.284E+4 +UEXP = LAMBDA = VMAX = 4.8E+4 NEFF = DELTA = 0.0 * Model LEVEL=3 of PMOSFETs W/L=50um/3um.MODEL MODP50X3_3 PMOS LEVEL = 3 +NFS = 1.2E+11 UO = 300 THETA = VMAX = 1.57E+11 KAPPA = 5.95 ETA = DELTA = 0.0.END Plik do obliczania transkonduktacji: Plik umożliwia obliczenie jednej wartości transkonduktacji, dla zadanych napięć V GS i V DS. Zawiera opis układu, w którym jest jeden tranzystor, rezystor obciążenia R L (na nim odkłada się napięcie zmienne, które umożliwia obliczenie transkonduktacji) oraz źródła polaryzujące. Rezystor ma rezystancję równą 0,001 Ω. Bardzo mała rezystancja tego rezystora chroni przed znaczącymi zmianami napięcia polaryzującego V DS, gdy zmieniając napięcie bramki V GS powodujemy zmiany składowej stałej prądu drenu I D. Program IMiOSpice w trybie symulacji.tf oblicza stosunek amplitud składowych zmiennych na wyjściu (wskazana w pliku para węzłów 5,1) i na wejściu (wskazane w pliku źródło VG). Dla przeliczenia otrzymanego wyniku na wartość transkonduktancji należy napięcie wyjściowe przeliczyć na prąd, dzieląc to napięcie przez rezystancję 0,001 Ω. 9

10 Ostatecznie wartość transkonduktancji w A/V otrzymujemy, mnożąc liczbę obliczoną przez IMiOSpice przez 1000: g m = U wy /(0,001 x U we ) = k u * 1000 gdzie k u wzmocnienie napięciowe obliczone przez IMiOSpice. Odpowiednia komenda: PRINT 1000*TRANSFER_FUNCTION znajduje się w przykładowym pliku. Dzięki niej w oknie konsoli IMiOSpice otrzymujemy od razu wartość transkonduktancji w A/V. Chcąc otrzymać wyniki dla kolejnych wartości V GS należy edytować wartość źródła VG i powtarzać obliczenia. Model zmienia się, podobnie jak w poprzednio omawianym pliku, edytując nazwę w wierszu opisującym tranzystor. * TEST gm short tran MCKT MODP50X3_1 + W = 5e-05 + L = 3e-06 * DEF SOURCES VG 2 0 DC -2.5 VS 3 0 DC 0 VD 5 0 DC -5 VB 4 0 DC 0 RL * END SOURCES.TF V(5,1) VG.CONTROL RUN PRINT 1000*TRANSFER_FUNCTION.ENDC * Model LEVEL=1 PMOSFETs W/L=50um/3um.MODEL MODP50X3_1 PMOS LEVEL = 1 +LD = 0.27E-6 +TOX = 60.3E-9 UO = 160 +VTO = GAMMA = PHI = LAMBDA = 0.04 * Model LEVEL=2 of PMOSFETs W/L=50um/3um.MODEL MODP50X3_2 PMOS LEVEL = 2 +NFS = 1.2E+11 UO = 282 UCRIT = 6.284E+4 +UEXP = LAMBDA = VMAX = 4.8E+4 NEFF = DELTA = 0.0 * Model LEVEL=3 of PMOSFETs W/L=50um/3um.MODEL MODP50X3_3 PMOS LEVEL = 3 +NFS = 1.2E+11 UO = 300 THETA = VMAX = 1.57E+11 KAPPA = 5.95 ETA =

11 +DELTA = 0.0.END 11