Az I L kapu modellezése a TRANZ-TRAN nemlineáris áramköranalízis program segítségével 2
Az első publikációk [ 1 , 2] és a későbbi á t t e k i n t ő publikációk [3, 4] óta számos közlemény jelent meg az P L modellezésének problémáival kapcsolatban [5...7]. Olyan modellt dolgoztunk k i , amely a [8]-ban kö zölt modellen alapul. A T R A N Z - T R A N nemlineáris áramkör-analízis programmal [9] végzett vizsgálat első részében a DC jellemzőket, pontosabban az P L kapu transzfer k a r a k t e r i s z t i k á j á n a k különféle fizikai és technológiai p a r a m é t e r e k t ő l , valamint hő mérséklettől való függését vizsgáltuk. Az I L kapu modellje 2
A [8]-ban leírt diódás helyettesítő k é p elég bonyo l u l t , és ezért kisszámítógéppel nem analizálható. Abból a célból, hogy az P L kaput gyorsan és kis számítógéppel is lehessen modellezni, kidolgoztuk az P L kapu egyszerűsített, tranzisztoros helyettesítő á r a m k ö r i modelljét (1. ábra). Hasonló modellek az irodalomban is találhatók, azonban azokat általában egy k o n k r é t célra, pl. ionimplantációval készített P L kapu optimalizálá sára [10] vagy a technológiai eljárás modelljének vizsgálatára [11] dolgozták k i . E közleményben is mertetett modellt az P L kapu transzfer karakterisz t i k á j á n a k a különböző fizikai és technológiai para m é t e r e k t ő l való függése vizsgálatára dolgoztuk k i . A vizsgálandó s t r u k t ú r a megegyezik a [8]-ban közölt s t r u k t ú r á v a l , de a modell a következőkben tér el:
R A N G , TOOMAS B M E Elektronikus Eszközök Tanszéke
1. Az npn vertikális részt egy npn tranzisztor kép viseli, amelynek á r a m a a diódás modell a k t í v bázi sában folyó á r a m . 2. A pnp laterális részt egy pnp tranzisztor kép viseli, amelynek á r a m a a diódás modell laterális tranzisztora b á z i s á r a m á n a k laterális komponense. 3. A diódás modell passzív bázisában folyó ára mokat egy külön diódával vesszük figyelembe, amelynek á r a m a a passzív bázisban folyó á r a m komponensek összege. « 4. Nem vesszük figyelembe az injektor vertikális áramkomponensét. 5. Elhanyagoljuk az elosztott bázisellenállást. A 2. ábrán a diódás modellel számított [8] és a tranzisztoros modellel s z á m í t o t t transzfer karakte risztikák összehasonlítása l á t h a t ó . Mint látjuk, az eltérés kb. 0,1 V . A számításhoz felhasznált adatok a következők: w ; = 5-10 m, Wp = 0,5-10 m, w = = 0,5-10- m, w = 10-6 m, N = 10 m " , Aí . = 10 m - , Z = 1 0 ~ m, p = 7 , 5 - 1 0 m/s, v * = 0,2 m/s, D = 3 . 1 Q - m /s, D = 6,5.10- m /s, T„ = T = 1 0 " ' s , 7 = 298,16 °K. Az eltérés k é t fő okból származ tatható. —6
-6
ab
6
25
b
3
AS
5
22
ep
2
0x
4
3
nn
2
4
2
n
1. Az elosztott p a r a m é t e r ű diódás modell helyett h á r o m eszközből összetett modellt használunk. 2. Az I = I exp(U/m —í) diódaegyenletben minden eszközre m = l,15, ami eltér a [8]-ban leírt modell től. 0
T
LDiodas modell 2.Tranzisztoros modell
IH724-1I 1. ábra. A z I L k a p u tranzisztoros h e l y e t t e s í t ő k é p i modellje a
2. ábra. A z I L kapu tranzisztoros és diódás h e l y e t t e s í t ő k é p i m o d e l l j é v e l kapott transzfer karakterisztikák összehasonlítása 2
B e é r k e z e t t : 1980. I I . 14.
216
Híradástechnika
XXXI.
évfolyam 1980. 6. szám
A számítási eredmények magyarázata
»
Az P L kapu transzfer k a r a k t e r i s z t i k á j á n a k füg gése a bázis felületi koncentrációjától a 3. ábrán l á t h a t ó . Ebben a modellben ugyanolyan ionimplant á l t eszközt modelleztünk, mint amilyen [8]-ban sze repel. E z é r t ezt a modellt közelebbről nem ismertet j ü k . Az ábrán a szaggatott vonal az ionimplantáció val készített eszközre vonatkozik.
tői való függése l á t h a t ó . Ebben az esetben nincs különbség a diffúzióval és ionimplantációval készí t e t t eszközök transzfer karakterisztikái között. E n nek az oka, hogy a diffúzióval készített eszközben az epitaxiális réteg koncentrációjának változása nem okoz olyan nagy <x£ változást, hogy ezt a transzfer k a r a k t e r i s z t i k á b a n észre lehessen venni. A z epitaxiális réteg koncentrációjának változása azonban erősen befolyásolja az P L kapu transzfer karak terisztikáját. 2V majdnem minden á r a m o t befolyá sol az eszközben. H a jV , nagy, akkor az injektor és az npn tranzisztor a k t í v bázisáramai viszonylag kicsik, és a kapu később kapcsol á t , hiszen a telí tésbe á t u g r ó szintet csak nagyobb bemeneti á r a m mal tudjuk biztosítani. F o r d í t o t t esetben (N k i csi) az P L kapu viszonylag korán kapcsol á t . pn
epi
ep
iv
ív)
epi
Az 5. ábrán l á t h a t ó az P L kapu transzfer karak terisztikájának függése az npn tranzisztor a k t í v bázisának vastagságától. A bázisvastagság elég erő sen befolyásolja a kapu transzfer k a r a k t e r i s z t i k á j á t . M i n t látjuk, i t t újra eltérnek a diffúzióval készített és ionimplantációval készített eszköz transzfer ka rakterisztikái. diffundált íonimplantált
[H724-3|
3. ábra. A z 1 L kapu transzfer k a r a k t e r i s z t i k á j á n a k a b á z i s felületi k o n c e n t r á c i ó j á t ó l (Nas) 2
l. W
függése
M i n t látjuk, a felületi koncentráció elég erősen befolyásolja az I L kapu transzfer k a r a k t e r i s z t i k á j á t . Minél nagyobb a bázis felületi koncentrációja, an nál nagyobb a bázisintegrál, és annál kisebb az P L kapu a k t í v bázisában (npn vertikális tranzisz tor) folyó á r a m . Minél kisebb az a k t í v bázisban fo lyó á r a m , annál nagyobb bemenő á r a m o t és bemenő feszültséget kell biztosítanunk, hogy az P L kapu npn tranzisztora á t tudjon kapcsolni. Az íonimplantált bázisú I L kapuban nagyobb N esetén tudjuk az átkapcsolást k o r á b b r a hozni, aminek az az oka, hogy' ajj >-a£p . Ugyancsak a diffundált eszközben a nagy N esetén a bázisban levő fékező t é r nagyobb, mint kisebb N esetén. A 4. ábrán az P L kapu transzfer karakteriszti k á j á n a k az epitaxiális réteg koncentrációjától, N -
,
n
=2-Kr m 6
\v\ • w\v\\ w
t'
0,4
0,6
0,8
. 1,0
1,2 [ V ]
diffundált Íonimplantált
2
pn
ab
Q b
3
2
aS
2.W =10-6m
^_3.W
w
= 0,5-10" m 5
Qb
|H 724-5 |
S. ábra. A z I L kapu transzfer k a r a k t e r i s z t i k á j á n a k f ü g g é s e az npn v e r t i k á l i s tranzisztor a k t í v b á z i s v a s t a g s á g á t ó l (w b) 2
a
as
as
epJ
[ ]f ki u
V
Az eltérésnek az az oka, hogy a bázisvastagság növekedése nagyon erősen befolyásolja a „ - t . Ez a h a t á s a transzportfaktoron keresztül t ö r t é n i k , amely a vizsgált esetben majdnem a felére csökken, ha a bázis vastagsága négyszeresére növekszik. A 6. ábrán a különböző geometriai méreteknek (w, w , w , w ) az P L kapu transzfer karakteriszti káira gyakorolt h a t á s a l á t h a t ó . M i n t látjuk, ezek a geometriai p a r a m é t e r e k nem befolyásolják az P L kapu transzfer karakteriszti k á j á t . Ennek oka, hogy a geometriai m é r e t e k nem t u d j á k a modellben levő tranzisztorok és a dióda á r a m a i t annyira befolyásolni, hogy a h a t á s t a transz fer k a r a k t e r i s z t i k á n észre lehessen venni. Emellett szerepet játszik az is, hogy a modellből kihagytuk az elosztott bázisellenállást, ami w -től függő m é r t é k ben befolyásolná a transzfer k a r a k t e r i s z t i k á t . A szá mítások a pnp ^tranzisztor, irodalómból származó [12], konstans a^ és oc értékeivel t ö r t é n t e k . K ü l ö n vizsgáltuk, hogyan függ az P L kapu transz fer karakterisztikája a pnp tranzisztor <x% és a pn
epi
p
pb
b
0,4
0,6
Q8
1,0
1,2
[V)
np
4. ábra. A z P L kapu transzfer k a r a k t e r i s z t i k á j á n a k az e p i t a x i á l i s r é t e g k o n c e n t r á c i ó j á t ó l (IVepi)
Híradástechnika
XXXI.
évfolyam 1980. 6. szám
függése
pnp
np
p n p
217
[V] 'Uki 0.8--
W =(0,5... 2M0~ m
0,7-
W b-=(1....5)-10" m
6
l Z =10^171
p
6
2- Z = 2-10- m
p
W i (i...io) -l0-6 ep
0.6
=
5
m
3. Z = 3-1Ö- m 5
W =(1... 10)-10" m 6
0.5 0,4-í0.30,2-0.1 —l— 0,4
0.6
Q8
1,0
1.2 [VI ' 1H 724-61
6. ábra. A z I L kapu transzfer k a r a k t e r i s z t i k á j á n a k függése a k ü l ö n b ö z ő geometriai m é r e t e k t ő l S
8. ábra. A z I L kapu transzfer k a r a k t e r i s z t i k á j á n a k függése a s t r u k t ú r a s z é l e s s é g é t ő l (az á r a m o k s z i n t j é t ő l ) 3
értékeitől a laterális tranzisztor konstans bázisszé lessége esetén. Ez a függés nem erős, változás csak akkor vehető észre, amikor a £ s 0 , 9 5 , ami a laterális tranzisztoroknál nem szokott előfordulni. E z é r t nem k ö v e t ü n k el nagy h i b á t , ha a laterális á r a m erősítési tényezőt konstansnak tekintjük. A 7. ábrán k é t olyan s t r u k t ú r á n a k a transzfer karakterisztikája l á t h a t ó , melyek egyikének sincs s z u b s z t r á t u m a . Ez azt jelenti, hogy hiányzik a pa razita vertikális pnp tranzisztor (a modell szempont jából pedig, hogy a dióda á r a m á b ó l egy tag hiány zik). M i u t á n ebben az esetbén a dióda á r a m a kisebb, a kapu k o r á b b a n t u d átkapcsolni.
[ V I Uki. 0,8
n p
0,7 0,6
\
0,5
1.V =0.2m/s nn+
04-
'2V
nn+
0.3 •3V
nn+
0,2-
1
=10m;s
I
nn nn
0,1
Y
-1,0m/s
4V 5V +=100m/s +=1000 m/s 1 06
1
04
1 , 2
1| V 1
0.8
_
u
b P
m~ 1.2 [V]
1
1,0
9. ábra. A z 1 L kapu transzfer k a r a k t e r i s z t i k á j á n a k függése az nn+ á t m e n e t i r e k o m b i n á c i ó s s e b e s s é g é t ő l (»„„+) 2
modell áramviszonyai megváltoznak. Sokkal t ö b b á r a m o t kell injektoron keresztül beinjektálni, hogy a kaput átkapcsolhassuk, és nagy v + értékeknél ez a h a t á s igen jelentőssé válik. Fizikai szempontból ez azzal m a g y a r á z h a t ó , hogy nagy i>„„+-nél az nn á t m e n e t az emitterben folyó töltéshordozókat java részt elnyeli, és ezzel befolyásolja végül az emitterhatásfokot, mert minél kevesebb lyuk éri el az emittert, a n n á l rosszabb lesz az emitterhatásfok (yíípn) és annál roszszabb a" . Ennek az eredménye az, hogy sokkal később kapcsol á t , és a transzfer karakterisz tika meredeksége sokkal kisebb. nn
+
pn
7. ábra. A p s z u b s z t r á t t a l é s p+ s z u b s z t r á t n é l k ü l e l k é s z í t e t t I L kapuk transzfer k a r a k t e r i s z t i k á i n a k ö s s z e h a s o n l í t á s a +
2
A 10. ábrán az Si—SiÓ határfelületi rekombiná ciós sebességének (v ) a transzfer karakterisztikára gyakorolt h a t á s a l á t h a t ó . M i n t látjuk, ez a h a t á s el h a n y a g o l h a t ó m é r t é k ű . Ennek oka az, hogy ez az á r a m k o m p o n e n s sokkal kisebb az npn tranzisztor bázisban folyó á r a m á n á l és a pnp bázisban folyó á r a m n á l is, ezért praktikusan nem befolyásolja a transzfer k a r a k t e r i s z t i k á t . Nagyon nagy v (v ^ S 1 0 m/s) értékeknél a befolyásolás elképzelhető, de ilyen rossz Si—Si0 határfelület technológiai szem pontból nem engedhető meg. 2
A 8. ábrán h á r o m különböző szélességű s t r u k t ú r á hoz t a r t o z ó transzfer karakterisztika l á t h a t ó . A n nak m a g y a r á z a t a , hogy a szélesebb k o r á b b a n kap csol á t , az, hogy minél szélesebb a s t r u k t ú r a , annál nagyobbak az á r a m o k az egész s t r u k t ú r á b a n , és a n n á l kisebb bemeneti á r a m kell ahhoz, hogy az egész s t r u k t ú r a átkapcsoljon. A 9. ábra az I L kapu transzfer karakterisztikájá nak az nn á t m e n e t i rekombinációs sebességtől való függését szemlélteti. M i n t látjuk, ez a h a t á s akkor erős, ha a rekombinációs sebesség elég nagy. Ez mind az eszköz, mind a modell szempontból é r t h e t ő . H a y„„+ nagy, akkor viszonylag nagy lesz a dióda á r a m a is, t e h á t a dióda nyelőként működik, és az egész 2
+
218
0x
0x
Ox
4
2
A következő k é t (11. és 12.) ábrán az I L kapu transzfer karakterisztikájának az elektronok és l y u kak é l e t t a r t a m á t ó l való függése l á t h a t ó . M i n t lát j u k , az I L kapu transzfer karakterisztikája prakti2
2
Híradástechnika
XXXI.
évfolyam 1980. 6. szám
vT
h a t ó . Megfigyelhető, hogy minél nagyobb a hőmér séklet, a n n á l k o r á b b a n kapcsol á t a kapu. Ez ter mészetes, mert ha növekszik a hőmérséklet, akkor J és J is növekszik, ezért k o r á b b a n t u d az egész kapu átkapcsolni. M i n t látjuk, ez a modell elég szeles h ő m é r s é k l e t - t a r t o m á n y b a n érvényes, de pontosabb vizsgálatok [8] azt m u t a t t á k , hogy 175 °C-nál nagyobb hőmérsékletre m á r nem célszerű al kalmazni.
Uki
0.8 0.7
\
V
= 7,5(10...10 )m/s <;
o x
p n p
0,6 0,5 04 .0.3
n p n
0,2 0,1
V 0.4
Ube
0.8
0,6
1.0
1T=223,16°K 2 T = 298,16°K '
1,2 [V] 1H724-10I
3. T=373,16°K , 4. T = « 8 . ' l 6 ° k
10. ábra. A z I L kapu transzfer k a r a k t e r i s z t i k á j á n a k függése az S i — S Í O 2 határfelületi r e k o m b i n á c i ó s s e b e s s é g t ő l (ÖO*) 2
1. T =10- s.. 5
n
2. T --10'9 n
s
13. ábra. A z I L kapu transzfer k a r a k t e r i s z t i k á j á n a k a környezeti hőmérséklettől (T) a
függése
Összefoglalás 0.4
ae
1,0
diffundált ionimplantált
1,2 LV] H724-11
A cikkben az P L kapu tranzisztoros helyettesítő képen alapuló modelljét í r t u k le. A modell alapján k i s z á m í t o t t u k az I L kapu transzfer karakteriszti k á j á n a k függését fizikai és technológiai p a r a m é t e rektől. M i n t a számítások m u t a t t á k , az I L kapu normális működése szempontjából a legkritikusabb p a r a m é t e r e k a bázis felületi koncentrációja és az epitaxiális réteg koncentrációja. Ezenkívül nagyon erősen befolyásolja a diffúziós eljárással készült esz közök transzfer k a r a k t e r i s z t i k á j á t az npn vertikális tranzisztor bázisvastagsága, az nn+ á t m e n e t i (el temetett réteg) rekombinációs sebessége és a kör nyezeti hőmérséklet. A modellel végzett számítások azt is m u t a t t á k , hogy a kapu transzfer karakterisz t i k á j á t nem befolyásolja észrevehető m é r t é k b e n az epitaxiális réteg vastagsága, az eltemetett * réteg vastagsága, a pnp tranzisztor bázisszélessege, az Si— S i 0 határfelület rekombinációs sebessége, valamint az emitterben és a bázisban levő kisebbségi töltés hordozók é l e t t a r t a m a . 2
11. ábra. A z I L kapu transzfer k a r a k t e r i s z t i k á j á n a k f ü g g é s e a b á z i s b a n l e v ő kisebbségi t ö l t é s h o r d o z ó k é l e t t a r t a m á t ó l (r ) 2
n
2
2
H724-12I 12. ábra. A z I L kapu transzfer k a r a k t e r i s z t i k á j á n a k f ü g g é s e am emitterben l e v ő kisebbségi t ö l t é s h o r d o z ó k é l e t t a r t a m á t ó l (T„) a
kusan nem függ a bázisbeli (r ) és az emitterbeli ( r ) kisebbségi töltéshordozók é l e t t a r t a m á t ó l . Ennek az a m a g y a r á z a t a , hogy x és x nem t u d j á k anynyira befolyásolni az á r a m o k a t és az áramerősítési tényezőt, hogy ez a transzfer karakterisztikára erő sen tudjon hatni. A 13. ábrán az I L kapu transzfer karakteriszti k á j á n a k a környezeti hőmérséklettől való függése lát n
p
n
XXXI.
A szerző ezúton is köszönetet mond aspiráns vezetőjének, dr. Tarnay K á l m á n tanszékvezető egye temi docensnek m u n k á j a irányításáért és a sok hasz^ nos konzultációért.
p
2
Híradástechnika
Köszönetnyilvánítás
évfolyam 1980. 6. szám
I R O D A L O M [1]
/
Hart, K.—Slob, A.: Integrated injection logic: A new approach L S I . I E E E J . Sol. St. Circ. S C - 7 , Oct. 1972. 346—351
219
[2]
[3]
Berger, H. H.—Wiedmann, S. K.: Mérged transistor logic concept. I E E E J . Sol. St. C i r c , S C - 7 , Oct. 1972; 340—346 Rang, T.: A z P L technika. E S Z R — M S Z R 4.3 t é m a m u n k a b i z o t t s á g i e l ő a d á s , 1978 m á j u s
[4]
Rang, T.: 1 L ú j i r á n y z a t a bipoláris t e c h n i k á b a n I . , I I . Mérés é s Automatika, X X V I I . No. 5, No. 7, 1979. 191—195, 279—283
[5]
Berger, H. H. : T h e injection m o d e l — A strueture oriented model for m é r g e d transistor logic ( M T L ) . I E E E J . Sol. St. C i r c , SC-9, Oct. 1974. 218—227
2
[6]
Vanhecke, C: S u r la modelisation des structures a l'injection en r é g i m e statique. These du titre de Docteur a L ' U n i v e r s i t é P a u l Sabatier de Toulouse, F r a n c é , 1975, d'Odre 1791, 147
[7]
Berger, H. H.—Helwig, K.: A n investigation of the intrinsic delay (speed limit) in M T L / I L . I E E E J . Sol. St. C i r c , SC-14, A p r . 1979. 327—337 2
Rang, T.: Modelling of the I L gate in steady state cohditions with the nonlinear circuit analysis program T R A N Z - T R A N . Periodica Polytechnica, ( m e g j e l e n é s alatt) TamayK.—Székely V.: A T R A N Z - T R A N n e m l i n e á r i s á r a m k ö r a n a l í z i s program. H í r a d á s t e c h n i k a X X I V . , No. 9., 1973, 257—264 Evans, S. A.: A n analytical model for design a n d optimization of ion implanted I L devices. I E E E J . Sol. St. C i r c , SC-12, A p r . 1977. 191—198 Schroen, W. H.: Modelling of I L and process selection. Proc. of the N A T O A d v a n c e d study Institute on Pro cess a n d Device modelling for integrated circuit design, Louvain-la-Neuve, Belgium, J u l y 19—29. 1977. 813— 834 Kerns, D. V. Jr.: T h e effect of base contact position on the r e l a t í v e propagation delays of the multiple outputs of an I L gate. I E E E , J . Sol. S t . C i r c , SG-11, Sept. 1976, 712—717 2
2
2
2
