Введение к работе
Актуальность темы Номенклатура современных полупроводниковых изделий очень разнообразна: от электронных компонентов (транзисторы, диоды и т.п.) до интегральных схем (ИС) с высокой степенью интеграции. На сегодняшний день одними из наиболее востребованных являются ИС цифровой обработки сигналов - цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи (ЦАП и АЦП).
Рост требований современной электронной индустрии к скорости обработки сигналов привел к появлению на рынке ИС АЦП с быстродействием более 200 MSPS. Столь высокие скорости выборок при приемлемом энергопотреблении обусловлены особенностями их схемотехники и передовыми технологиями изготовления ИС. Отечественная электронная промышленность обладает рядом таких технологических процессов (например, короткоканальные 180 и 90 нм технологические процессы ОАО «НИИМЭ и «Микрон»). Несмотря на это, существующий рынок АЦП в России представлен в основном зарубежными изделиями, причем даже в этом секторе доступ к скоростным АЦП ограничен. Имеющиеся решения в основном предназначены для применения в специальной аппаратуре, при этом разрабатываемые в последнее время АЦП в большей степени закрывают потребности в элементной базе, разработанной несколько лет назад, и не соответствуют современным требованиям.
Основным сдерживающим фактором в развитии разработок отечественных высокоскоростных АЦП является дефицит теоретических основ проектирования аналоговых схем в короткоканальных технологиях. Современные поколения технологических процессов предлагают низкое напряжение питания (1.8 В и менее), которого часто бывает недостаточно для достижения приемлемых технических характеристик аналоговой схемы.
Поэтому формирование теоретических основ проектирования аналоговых схем в короткоканальных технологиях является актуальной задачей.
Цели и задачи исследования. Целью диссертации является разработка метода проектирования аналоговых блоков ИС с низким напряжением питания. Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:
1. Разработка способа снижения порогового напряжения МОП-
транзистора (МОПТ) для обеспечения реализации аналоговых блоков ИС.
2. Разработка модели МОПТ со сниженным пороговым напряжением для
проведения автоматизированного проектирования аналоговых блоков ИС.
3. Разработка схемотехнического и топологического решения
аналогового устройства на примере операционого усилителя с использованием
МОПТ со сниженным пороговым напряжением.
Научная новизна. В диссертации получены следующие научно-технические результаты:
1. Впервые разработан способ снижения порогового напряжения МОПТ
за счет одновременной работы полевого эффекта и паразитного латерального
биполярного транзистора МОПТ структуры. Впервые разработано
топологическое решение МОПТ со сниженным пороговым напряжением.
Авторские права на разработанную топологию зарегистрированы в Роспатенте
(свидетельство о государственной регистрации топологии интегральной
микросхемы № 2013630073).
2. Впервые разработана эквивалентная схема МОПТ со сниженным
пороговым напряжением. Предложенная эквивалентная схема основана на
учете одновременной работы двух физических эффектов: полевого и
паразитного латерального биполярного транзистора МОПТ структуры.
Получена аналитическая зависимость тока стока МОПТ от входного
напряжения.
3. На основе предложенного способа снижения порогового напряжения
МОПТ впервые разработан блок операционного усилителя по субмикронной
технологии SMOS8MV с минимальными проектными нормами 0.25 мкм
зарубежной полупроводниковой фабрики Freescale semiconductor.
Практическая значимость
-
Научное значение полученных результатов заключается в возможности создания аналоговых блоков ИС по современным субмикронным и глубоко субмикронным технологиям с низким напряжением питания с использованием стандартных библиотек технологических компонентов с эффективной схемотехнической реализацией.
-
Разработанный способ снижения порогового напряжения МОПТ имеет высокую практическую ценность для областей разработки и промышленного производства современных компонентов отечественной микроэлектронной базы за счет возможности простой реализации аналоговых устройств, повышения эффективности работы уже имеющихся схемотехнических решений, существенного сокращения временных затрат на этапах разработки, измерений и исследований.
-
Результаты диссертации использованы при разработке ИС приемника LVDS (low-voltage differential signaling - низковольтная дифференциальная передача сигналов), проектируемого ОАО «НИИЭТ» (г. Воронеж). Использование результатов диссертации подтверждается Актом о внедрении результатов диссертации.
Значимость для учебного процесса.
Материалы диссертации используются в учебном процессе кафедры радиоэлектронных устройств и систем ФГБОУ ВПО «Воронежский
государственный технический университет», учебных курсах теоретической и практической подготовки/переподготовки специалистов в области проектирования систем в корпусе (SiP) и программе дистанционной подготовки/переподготовки специалистов в области проектирования 3D изделий наноэлектроники ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» совместно с «Роснано».
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Способ снижения порогового напряжения МОПТ за счет
одновременной работы полевого эффекта и паразитного латерального
биполярного транзистора МОПТ структуры.
2. Эквивалентная электрическая схема МОПТ со сниженным пороговым
напряжением, функционально представляющая собой параллельное соединение
латерального биполярного и полевого транзисторов.
3. Блок операционного усилителя, разработанного по субмикронной
технологии SMOS8MV с минимальными проектными нормами 0.25 мкм
зарубежной полупроводниковой фабрики Freescale semiconductor.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на следующих научных конференциях: всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2012), региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Инновационные технологии и материалы в области электроники, приборостроения, машиностроения» (Воронеж, 2012), всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Инновационные технологии и материалы» (Воронеж, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 5 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 свидетельство о государственной регистрации топологии интегральной схемы. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1-3] - проведение исследований, моделирование и анализ схемотехнических и топологических решений, [4, 5] - проведение расчетов, математическое моделирование, [6, 9] - разработка топологии, [7, 8] -анализ схемотехнических и топологических решений, [10 - 12] - подготовка разделов по проектированию топологии аналоговых схем.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержащего 106 наименования. Основная часть работы изложена на 98 страницах, содержит 55 рисунков и 5 таблиц.
