Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2007 №10

Особенности проектирования внутренних цепей питания микромощных БИС на основе инжекционной логики

Белоус Анатолий  
Сякерский Валентин  
Емельянов Виктор  
Калошкин Эдуард  

Элементы интегральной инжекционной логики (И2Л), наряду с КМОП и БиКМОП элементами, находят широкое применение в качестве элементной базы современных микромощных БИС, поскольку обеспечивают высокую плотность компоновки при достаточно высоком быстродействии [1].

С увеличением числа размещаемых на кристалле И2Л элементов все большая роль отводится организации внутренних цепей питания инжекционных БИС, так как возрастают абсолютные значения токов, протекающих по режимным цепям в статическом и динамическом режимах работы БИС. Это существенно усложняет задачу обеспечения равенства токов инжекторов всех И2Л элементов, независимо от их местоположения на поверхности кристалла БИС, что является одним из важнейших условий нормального функционирования микросхем в рабочем диапазоне напряжений и температур окружающей среды.

Отсутствие работ, посвященных специфической проблеме проектирования цепей питания инжекционных БИС, обусловлено сложностью решения задачи расчета и анализа распределенных цепей в силу необходимости описания и учета взаимного влияния большого числа геометрических и электрофизических параметров БИС [2].

В данной работе представлены основные результаты реализации нового методического подхода к проблеме компьютерного моделирования режимов работы цепей питания инжекционной части современных цифровых и аналоговых БИС с локальными «скрытыми» слоями n+-типа. Предложена базовая математическая модель, которая описывает наиболее распространенную конфигурацию цепи питания, эскиз топологического фрагмента которой представлен на рис. 1 (LI — ширина положительной шины питания инжекторов одной ветви дерева питания БИС, L0 — ширина общей (нулевой) шины питания инжекторов, LN — длина нулевой шины, LV — расстояние между положительной и нулевой шинами питания инжекторов).

Топология фрагмента цепи питания инжекционных элементов
Рис. 1. Топология фрагмента цепи питания инжекционных элементов

В процессе построения и анализа модели осуществлялось определение максимально допустимого числа инжекторов, объединяемых одной положительной шиной питания, сравнительный анализ влияния ширины нулевой шины и омического сопротивления локального скрытого слоя на характер изменения токораспределения в цепи И2Л элементов, связанных общей положительной шиной питания, исследование влияния изменения расстояния между положительной и нулевой шинами на характер токораспределения в цепи И2Л элементов, разработка практических рекомендаций по обеспечению минимального разброса значений токов инжекторов И2Л элементов при организации цепи питания БИС. Методика расчета всех вышеуказанных параметров имеет исключительно важное значение для специалистов-разработчиков микромощных БИС, поскольку от результатов расчета в конечном итоге зависят такие технико-экономические показатели будущего изделия, как процент выхода годных кристаллов в серийном производстве и выход годных микросхем на технологических операциях сборки и испытаний.

Эквивалентная электрическая схема показанного фрагмента цепи питания И2Л БИС представлена на рис. 2.

Эквивалентная электрическая схема фрагмента цепи питания И2Л БИС
Рис. 2. Эквивалентная электрическая схема фрагмента цепи питания И2Л БИС

В предложенной модели каждый общий для цепочки И2Л элементов «скрытый» n+-слой представлен разбиением по двум координатам х и у на элементарные ячейки эквивалентной сосредоточенной проводимости:

где m — количество разбиений по оси х, n — по оси у, Rc — величина поверхностного сопротивления скрытого слоя.

Аналогично определялись проводимости положительной (GI) и нулевой (G0) шин питания, при этом учитывалась их длина, количество разбиений по оси у и численные значения величины поверхностного сопротивления слоя металлизации.

Для описания основного компонента модели — инжекторного перехода (D) — была выбрана модель второго порядка, где ток инжекторного перехода описывается известным выражением [3]:

где ao , a1, a2 — коэффициенты аппроксимации вольт-амперных характеристик инжекторного перехода, определенные по результатам экспериментальных измерений.

На основе вышеприведенных выражений для конкретных тестовых фрагментов топологии кристалла составлялись системы алгебраических уравнений.

Система нелинейных алгебраических уравнений решалась методом полных эквивалентных проводимостей, а система линейных уравнений — с использованием метода динамического программирования [4].

На рис. 3 представлены результаты расчета численных значений величин токов в цепях питания для заданного типового значения тока инжектора элемента (IGI = 150 мкА) и фиксированной ширины нулевой шины (L0 = 12 мкм). Учет омического сопротивления скрытого n+-слоя согласно принятой модели позволяет обеспечить сравнительно небольшой (12,8%) относительный разброс токов инжекторов для последовательной цепи, содержащей 70 инжекторов.

Распределение токов инжекторов И2Л элементов в цепочках с числом объединенных инжекторов 20 (1), 40 (2) и 70 (3)
Рис. 3. Распределение токов инжекторов И2Л элементов в цепочках с числом объединенных инжекторов 20 (1), 40 (2) и 70 (3)

Результаты расчета изменения величины потенциала скрытого n+-слоя (UC) на участке LV (рис. 4) между общей и нулевой шинами питания для последовательной цепи из 70 инжекторов показали, что изменение потенциала на сопротивлении скрытого слоя носит линейный характер и обусловливает аналогичное изменение входных характеристик И2Л-элементов. Этот эффект ограничивает возможность объединения одной шиной входов нескольких И2Л-элементов из-за возникающего паразитного эффекта «перехвата» тока. На основе этих результатов можно сделать важный для практического применения вывод — при организации цепей синхронизации БИС, где подобное объединение необходимо, общей шиной синхронизации должны соединяться только входы элементов, имеющих одинаковые потенциалы скрытых слоев.

Изменение потенциала на скрытом n+-слое на участке между общей шиной и шиной питания под первым (1) и семидесятым (2) И2Л-элементами
Рис. 4. Изменение потенциала на скрытом n+-слое на участке между общей шиной и шиной питания под первым (1) и семидесятым (2) И2Л-элементами

На рис. 5 представлены результаты расчета величин токов последовательной цепи питания из 70 инжекторов для трех различных значений ширины металлизации «нулевой» шины питания. Увеличение ширины металлизации нулевой шины питания от 6 до 40 мкм приводит к увеличению в 1,3 раза абсолютного разброса токов инжекторов цепи. Поэтому при организации цепей питания И2Л БИС со «скрытыми» слоями для уменьшения величины разброса токов инжекторов ширину «нулевой» шины целесообразно снижать до минимальной величины, определяемой технологическими ограничениями. Эта особенность И2Л БИС противоречит традиционным правилам построения внутренних цепей питания кристаллов БИС, где ширина металлизации общей шины выбиралась по возможности большей с целью снижения ее омического сопротивления.

Распределение токов инжекторов И2Л-элементов в цепочке из 70 инжекторов при ширине общей шины, равной 6 мкм (1), 15 мкм (2) и 40 мкм (3)
Рис. 5. Распределение токов инжекторов И2Л-элементов в цепочке из 70 инжекторов при ширине общей шины, равной 6 мкм (1), 15 мкм (2) и 40 мкм (3)

Практический интерес для разработчиков микромощных БИС представляют также полученные новые результаты исследования влияния на характер токораспределения расстояния LV между металлизацией положительной шины питания инжекторов и нулевой шиной. Экспериментально установлено, что изменение этого параметра практически не влияет на величину разброса токов инжекторов. Так, изменение LV от 200 до 50 мкм приводит к снижению абсолютного разброса токов инжекторов исследуемых И2Л-элементов не более чем на 0,2%.

Экспериментальное исследование БИС, спроектированной с учетом изложенных в настоящей работе результатов, подтвердило работоспособность предложенной модели цепи питания. Экспериментальные значения токов инжекторов отличались от расчетных не более чем на 12%.

Таким образом, показано, что использование предложенной модели для расчета численных значений эквивалентных омических сопротивлений «скрытых» слоев И2Л БИС обеспечивает значительное уменьшение величины разброса эффективных значений токов инжекторов базовых элементов, повышение надежности функционирования в расширенном диапазоне токов и рабочих температур, уменьшение площади кристалла БИС за счет сокращения суммарной площади, занимаемой металлизацией шин питания.

Литература

  1. Эннс В. И., Кобзев Ю. М. Проектирование аналоговых микросхем. М.: Горячая линия — Телеком, 2005.
  2. Белоус А. И., Яковлев А. В., Силин А. В. Особенности организации цепи питания инжекторных БИС. ЦНИИ «Электроника», Электронная промышленность, 1995. выпуск 9 (147).
  3. Белоус А. И., Вайнилович О. С. Схемотехнические особенности инжекционных микропроцессорных БИС. М.: Электронная промышленность, 1988. Выпуск 4 (42).
  4. Белоус А. И., Яржембицкий В. Б. Схемотехника цифровых микросхем для систем отображения и передачи информации. Минск: Технопринт, 2001.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Сообщить об ошибке