книги / Элементы свербольших интегральных схем

ку в относительных координатах t/вых/^1, UBX/Ul, то она остается неизменной. Постоянной сохраняется и относительная помехоус­ тойчивость. Если требования пропорциональной миниатюризации не выполняются, то характеристика искажается. Пусть напряже­ ние питания остается неизменным и снижаются горизонтальные размеры транзисторов. На рис. 3.29 сравниваются передаточные характеристики п-канальных элементов на транзисторах с длин­ ным и коротким каналом; предполагается, что пропорционально изменяется и ширина канала. При уменьшении длины канала по­

правило, больше, а ширину — меньше, чем активные транзисторы, поэтому в нем может проявляться эффект «узкого» канала. По­ роговое напряжение растет при уменьшении ширины, это приво­ дит к увеличению сопротивления канала, что также способствует снижению V 1 Еще сильнее U1 снижается при очень малых длинах канала, когда возникает прокол.

С уменьшением длины канала уменьшается пороговое напря­ жение активных транзисторов, а значит, и пороговое напряжение Unovi (порог включения1) логических элементов.

Сильное поле в канале активных транзисторов ведет к сниже­ нию их тока насыщения при пропорциональном уменьшении дли­ ны н ширины канала. Это, в свою очередь, вызывает уменьшение крутизны участка переключения на передаточной характеристике логического элемента и рост порогового напряжения UnoР2 (порог запирания). Уровень U0 существенно не изменяется, так как при малых напряжениях на стоке напряженность электрического по­ ля в каналах активных транзисторов мала.

Таким образом, эффекты короткого канала в целом приводят к ухудшению формы передаточной характеристики и уменьшению помехоустойчивости элемента по отношению к обоим полярностям помех — отпирающим (С/+пом=£/Пор1— i/°) и запирающим помехам ((У-пом^-С/порг). Если одновременно со снижением горизонталь­ ных размеров уменьшается глубина залегания р-п переходов, то зависимость порогового напряжения от длины канала ослабляет­ ся, но растут сопротивления истока и стока активных транзисто­

ров, а это ведет к увеличению напряже­ ния U0

Аналогичные изменения передаточной характеристики при уменьшении разме­ ров будут происходить и в комплементар-

1 Пороговые напряжения определяются как напряжения в точках «единич­ ного» усиления, соответствующих условию dUBuxldUnx~\.

92

пых схемах. Так как вместо пассивного транзистора со встроенным каналом в них применяются активные /7-канальные транзисторы, обеспечивающие меньшее сопротивление канала, снижение уровня

И — НЕ, наоборот, /7-канальные транзисторы включены параллель­ но, их предпороговые токи складываются, и их влияние на U0 су­ щественно. В то же время влиянием предпороговых токов «-ка­ нальных транзисторов на U1 можно пренебречь, считая =

Пороговое напряжение Unoр2 на передаточной характеристике комплементарных элементов повышается при снижении длины ка­ нала из-за уменьшения порогового напряжения р-канальных тран­ зисторов.

Рассмотрим динамические параметры. Не касаясь детального анализа переходных процессов, выясним их особенности, прояв­ ляющиеся при малых размерах (в первую очередь малой длине канала): вид зависимостей времени переключения от напряжения питания, потребляемой мощности, длины канала и т. п. Поэтому далее исследуем только простейшие логические элементы — ин­ верторы (ключевые элементы), соответствующие т—1, и для них применим предельно упрощенные оценки. Более строгий анализ дан в [74].

Рассмотрим влияние сильного поля в канале. В качестве ха­ рактеристики быстродействия примем времена переключения при подаче на вход скачка напряжения амплитудой, равной напряже­ нию питания. Рассмотрим время включения «-канального элемен­ та как время изменения напряжения на выходе от верхнего уров­ ня до порогового напряжения U„0Р2 (рис. 3.29). Оно складывается из внутренней задержки в транзисторе, равной времени пролета электронов через канал, и части длительности фронта, определяе­ мого разрядом выходной емкости [22]. Будем считать, что разряд происходит постоянным током насыщения активного транзистора /нас, а £/Пор2 приблизительно равно пороговому напряжению тран­ зистора. Реально ток не постоянен, так как активный транзистор при ивых<синас переходит в режим неперекрытого канала и ток уменьшается при понижении напряжения на выходе. Однако, как было показано в гл. 2, для транзисторов с коротким каналом нап­ ряжение насыщения значительно ниже, чем для транзисторов с длинным каналом, в частности оно может быть и ниже Ull0р. Та­ ким образом, допущение о постоянстве тока не приведет к боль­ шой ошибке. Помимо этого из тока насыщения активного транзис­ тора следовало бы вычесть ток нагрузочного транзистора, но мы считаем его малым. Время включения равно С (£/„.„— £/пор) / / нас, где ток насыщения определяется по (2.18). В предельном случае очень короткого канала ток линейно зависит от напряжения на затворе и

93

(3.4)

Здесь tnP=LlvHac — время полета электронов через канал; Япред — предельная крутизна, определяемая по формуле (2.15); С — ем­ кость на выходе элемента, которая складывается из емкости р-п переходов его транзисторов {Срп), затворных емкостей транзисто­ ров нагрузок (пСл) и паразитной емкости проводников пСПров, где п — число нагрузок; С пРов — средняя емкость проводника. Тогда С=лСд(1+ю), где 0 = (Срп4*лСпров)/лСд, С^=йЬСдо и

п —3, полагая оПас=107 см/с, тогда /пр=10 пс. Анализ показывает, что для структур транзисторов, выполненных на слаболегированной подложке (см. 2.4), влиянием емкости р -n переходов можно пренебречь, и величина © определяется емкостью проводников так, что ©=СПров/Сд. Полагая ширину проводников

минимальной, приблизительно равной длине канала L, для n-канального эле­ мента получим G>=Lnvobdlad\ где d' —толщина окисла под проводником. При средней длине проводника порядка 10а и dfdf=0,1 имеем ©=1 и /Пред=7/Пр= =70 пс. Отметим, что таким же получится предельное время включения эле­ мента ИЛИ—НЕ (рис. 3.27). Время включения элемента И—НЕ будет приб­ лизительно в т раз больше из-за последовательного включения активных тран­

зисторов, так как внутренняя задержка в элементе составит т /Пр, а ток, за­ ряжающий нагрузочную емкость, уменьшится в. т раз. Следовательно, при т=3, /пред=20 пс. Для комплементарного элемента ИЛИ—НЕ ©=0,5 и /пред=Ю/Пр=100 пс, а для элемента И—НЕ 300 пс.

Таким образом, сильное поле приводит к тому, что время вклю­ чения с ростом напряжения питания стремится к предельной ве­ личине (3.5), (3.6), а не к нулю, как это вытекает из характерис­ тик транзистора с длинным каналом, для которых ток квадратич­ но растет с ростом На рис. 3.30,а показана зависимость вре­ мени включения от напряжения питания в безразмерных коорди­ натах ///пред= f{Uи.п/Uпор) для разных длин канала, характери­ зуемых относительным пороговым напряжением ыпор = Un0V(LEKVX Х (1+6) . При «и.п-И время гиперболически возрастает до беско­ нечности, так как ток транзистора стремится к нулю. Из графи­ ков видно, что для короткого канала время резко снижается с рос­ том «н.п в интервале от 1 до 2, а далее оно слабо зависит от ин.п. Например, при «пор—10 при возрастании иИМ от 2 до 10 время уменьшается в 3 раза, тогда как для длинного канала (иПОр= = 0,04).оно в том же интервале понижается в 20 раз. Таким обра­ зом, эффект сильного поля ослабляет зависимость задержки от напряжения питания. В качестве величины, характеризующей эту зависимость, целесообразно принять (1//) (dtfdUnM). Прбизвод-

94

личит в 2 раза предельное время. Таким же получается время выключения элемента И — НЕ. Для элемента ИЛИ — НЕ время выключения в т раз больше из-за последовательного соединения р-канальных транзисторов.

Таким образом, при тех же предположениях, что были сдела» ны при оценке времени включения, получим предельное время выключения инвертора и элемента И — НЕ равным 140 пс, а эле­ мента ИЛИ — НЕ 520 пс. Полусумма времен включения и выклю­

ются для высокого напряжения питания превышающего в 3...4 раза пороговое напряжение. При меньших напряжениях питания для оценки времени выключения инвертора можно использовать обобщенные графики рис. 3.30,а, учитывая, что критическое поле в р-канальном транзисторе больше, чем в «-канальном вследствие меньшей подвижности дырок. Поэтому эффект сильного поля бу­ дет выражен слабее, а зависимость времени выключения от нап­ ряжения питания будет сильнее.

Рассмотрим зависимость времени включения от длины канала. Для длинного канала ток насыщения обратно пропорционален длине канала, а нагрузочная емкость С пропорциональна длине канала, если считать, что основной вклад в нее вносят затворные емкости нагрузочных транзисторов. Поэтому время пропорциональ­ но квадрату длины канала: снижение длины канала является эф­ фективным средством повышения быстродействия. В транзисторе с коротким каналом ток насыщения не зависит от длины кана­ ла, поэтому время переключения пропорционально L. Таким обра­ зом, при уменьшении длины канала зависимость t(L) ослабевает из-за влияния сильного поля. Практически t~ L 2 при L > 1 мкм н

t~ L при L < 1 мкм [22].

Заметим, что .при пропорциональной миниатюризации, когда эффект сильного поля отсутствует, зависимость t(L) тем не менее линейна, так как одновременно с длиной канала уменьшается н ток насыщения транзистора. Другие, отмеченные в § 2.2 факторы, такие, как конечное сопротивление областей истока и стока и ко­ нечная емкость инверсного слоя, приводят также к росту времени переключения, так как снижают ток насыщения транзистора. Их влияние можно учесть, разделив времена переключения на коэф­ фициенты £н= (1+2Я„/Дк)_1 и %с= (1 + Сд/Синв)-1. В результате предельное время переключения может в 1,5 ...2 раза превышать

схемах время выключения возрастает больше, чем время вклю­ чения. Кроме того, если учесть, что коэффициенты \с растут при пропорциональной миниатюризации, то зависимость времени переключения окажется более слабой, чем по. закону t~ L . На рис. 3.31 показана зависимость относительной задержки от отно­ сительной длины канала (Lo = 5 мкм), построенная по данным ра­ боты [22] для пропорциональной миниатюризации, при постоян-