Кіріспе

Электрондық құрылғыда жүзеке ағын физикалық процестерді модельдеу. Транзисторлар – күрделі мінез-құлқы бар қарапайым құрылғылар. Транзисторларды қолданатын тізбектердің сенімді жұмыс істеуін қамтамасыз ету үшін, олардың жұмыс істеу кезінде байқалатын физикалық құбылыстарды транзистор моделі арқылы ғылыми тұрғыдан модельдеу қажет. Күрделілігі және мақсаты бойынша әртүрлі модельдер бар. Транзистор моделі екі негізгі топқа бөлінеді: құрылғыны жобалауға арналған модельдер және тізбектерді жобалауға арналған модельдер.

Құрылғыны жобалау үлгілері

Қазіргі транзистордың күрделі физикалық механизмдерді пайдаланатын ішкі құрылымы бар. Құрылғыны жобалау үшін иондық имплантация, қоспалардың диффузиясы, оксидтің өсуі, оттеу және кесу сияқты құрылғыны өндіру процестерінің құрылғының мінез-құлқына қалай әсер ететінін егжей-тегжейлі түсіну қажет. Процесс модельдері өндіріс қадамдарын симуляциялайды және құрылғы симуляторына құрылғының "геометриясының" микроскопиялық сипаттамасын береді. "Геометрия" дегеніміз - жазық немесе қақпаның айналасына оралу құрылымы, немесе бастапқы және ағынның көтерілген немесе ойылған түрлері сияқты тез анықталатын геометриялық ерекшеліктерді білдірмейді (жад құрылғысы үшін кейбір ерекше модельдеу қиындықтары бар, мысалы, жүзуші қақпаны қар көшкіні арқылы зарядтау – 1-суретті қараңыз). Ол сондай-ақ құрылғыны өңдеу аяқталғаннан кейін допингтік профильдер сияқты құрылымның ішкі ерекшеліктеріне қатысты. Құрылғының қалай көрінетіні туралы осы ақпаратпен құрылғы симуляторы құрылғыда орын алатын физикалық процестерді әр түрлі жағдайларда оның электрлік мінез-құлқын анықтау үшін модельдейді: ток-кернеу мінез-құлқы, уақытша мінез-құлқы (жоғары және төмен сигналдар), құрылғы орналасуына тәуелділік (ұзын және тар, қысқа және кең, немесе өзара тікелей орналасқан, тікбұрышты, немесе басқа құрылғыларға жақын орналасқан). Бұл симуляциялар құрылғыны жобалаушыға құрылғы процесі схеманы жобалаушыға қажетті электрлік мінез-құлықпен құрылғыларды шығаратынын көрсетеді және процесс жобалаушыны қажетті процесс жақсартулары туралы хабардар етеді. Процесс өндіріске жақындағанда, болжамды құрылғы сипаттамалары процесс пен құрылғы модельдерінің дұрыс жұмыс істеп тұрғанын тексеру үшін сынақ құрылғыларындағы өлшемдермен салыстырылады. Бұрын модельделген құрылғы мінез-құлқы өте қарапайым болған, негізінен жай геометриядағы диффузия және дрейф болса, бүгін микроскопиялық деңгейде көптеген процестерді модельдеу қажет; мысалы, түйісулер мен оксидтердегі ағымдар, жылдамдық қанықтыру және баллистикалық тасымалдау сияқты тасымалдаушылардың күрделі тасымалы, кванттық механикалық әсерлер, бірнеше материалдарды пайдалану (мысалы, Si SiGe құрылғылары және әртүрлі диэлектриктердің қабаттары) және тіпті иондардың орналасуы мен құрылғы ішіндегі тасымалдаушының ықтималдық сипатынан туындаған статистикалық әсерлер. Технология жыл бойы бірнеше рет өзгереді және симуляцияларды қайталау қажет. Модельдер жаңа физикалық әсерлерді көрсету үшін немесе үлкен дәлдікке қол жеткізу үшін өзгерістерді қажет етуі мүмкін. Бұл модельдерді күтіп ұстау және жақсарту – жеке бизнес саласы. Бұл модельдер өте компьютерлік жүйелерді қажет етеді, құрылғы ішіндегі үш өлшемді торлардағы байланысты дифференциалдық теңдеулердің егжей-тегжейлі кеңістіктік және уақыттық шешімдерін қамтиды. Мұндай модельдердің жұмыс істеуі баяу болады және схеманы жобалау үшін қажет емес егжей-тегжейлі ақпарат береді. Сондықтан схеманы жобалау үшін схема параметрлеріне бағытталған жылдам транзистор модельдері қолданылады.

Сұлбаларды жобалау үлгілері

Транзистор модельдері қазіргі заманғы электрондық дизайн жұмысының басым бөлігінде қолданылады. SPICE сияқты аналогтық схемалық симуляторлар жобаның қалай жұмыс істейтінін болжау үшін модельдерді пайдаланады. Дизайн жұмысының көп бөлігі интегралдық схемаларды жасауға қатысты, олардың құралдарын жасау өте қымбатқа түседі, негізінен құрылғыларды жасау үшін қолданылатын фотомаскаларға байланысты, сондықтан дизайнды бірден, түзетулерсіз жұмыс істеуіне қол жеткізу үшін үлкен экономикалық мүдде бар. Толық және дәл модельдер дизайнның көп бөлігінің алғашқы ретте жұмыс істеуіне мүмкіндік береді. Қазіргі заманғы схемалар көбінесе өте күрделі болады. Мұндай схемалардың өнімділігін, пайдаланылатын құрылғылардың модельдерін қоса алғанда, дәл компьютерлік модельдерсіз болжау қиын. Құрылғы модельдері транзистор орналасуының әсерін қамтиды: ені, ұзындығы, араласуы, басқа құрылғыларға жақындығы; уақытша және тұрақты ток-кернеу сипаттамалары; паразиттік құрылғының сыйымдылығы, кедергісі және индуктивтілігі; уақыт кешігуі; және температураның әсері – бұл тек бірнеше мысал ғана.

Физикалық модельдер

Бұл құрылғы физикасына негізделген модельдер, транзистор ішіндегі физикалық құбылыстарды жуықтап модельдеуге негізделген. Бұл модельдердегі параметрлер оксид қалыңдығы, подложканың допингтік концентрациясы, тасымалдаушылардың жылдамдығы және т.б. сияқты физикалық қасиеттерге сүйенеді. Бұрын осы модельдер кеңінен қолданылып келді, бірақ қазіргі заманғы құрылғылардың күрделілігі оларды нақты есептеулерге қолдануға жеткіліксіз етеді. Дегенмен, олар қолмен талдау кезінде (яғни, схеманы жобалаудың идеялық кезеңінде) пайдалы, мысалы, сигналдың өзгеру шектерін шамамен анықтау үшін.

Эмпирикалық модельдер

Бұл модель түрі толығымен қисық сызуға негізделген, транзистордың жұмысын симуляциялауға мүмкіндік беру үшін өлшенген деректерге ең жақсы сәйкес келетін функциялар мен параметрлердің мәндерін пайдаланады. Физикалық модельден өзгеше, эмпирикалық модельдегі параметрлердің қандай да бір негізгі мағынасы болуы міндетті емес, және олар оларды табу үшін қолданылған сәйкестендіру әдісіне байланысты болады. Егер олар бастапқыда модельдер сәйкестендірілген деректер диапазонынан тыс дизайнға экстраполяциялау үшін қолданылса, осы модельдердің сәтті болуы үшін сәйкестендіру әдісі маңызды рөл атқарады. Мұндай экстраполяция осы модельдердің мақсаты, бірақ әзірге толыққанды іске асырылмады.

Кіші сигналдың сызықтық модельдері

Кіші сигнал немесе сызықтық модельдер схемаларды жобалаудың бастапқы кезеңдерінде (компьютерлік модельдеу қажет болмас бұрын, баламалы идеяларды таңдау үшін) және компьютерлерді қолдана отырып, тұрақтылықты, күшейтуді, шуды және өткізу қабілетін бағалау үшін қолданылады. Кіші сигнал моделі ток-кернеу қисықтарының белгілі бір жұмыс нүктесі (Q нүктесі) бойынша туындыларын есептеу арқылы құрастырылады. Егер сигнал құрылғының сызықтық емес қасиеттеріне қарағанда шағын болса, онда туындылар көп өзгермейді және оларды стандартты сызықтық схема элементтері ретінде қарастыруға болады. Кіші сигнал модельдерінің бір артықшылығы – оларды тікелей шешуге болады, ал үлкен сигналдың сызықтық емес модельдері көбінесе итеративті әдіспен шешіледі, бұл жағдайда жуысу немесе тұрақтылық мәселелері туындауы мүмкін. Сызықтық модельге келу арқылы сызықтық теңдеулерді шешуге арналған барлық құралдар қолжетімді болады, мысалы, бірдей теңдеулер, детерминанттар және матрицалық теория (көбінесе сызықтық алгебра бөлігі ретінде оқытылады), әсіресе Крамер формуласы. Тағы бір артықшылығы – сызықтық модельмен ойлану оңайырақ және ойды ұйымдастыруға көмектеседі.